Adsorptionskarakteristika för den kiselrika zeoliten HZSM-5 gentemot två sorters antibiotika (sulfonamider) har undersökts. Lämplig mängd samt inflytande av pH, temperatur och NOM har undersökts. God avskiljningseffekt, >90 %.
Av: Jörgen Hanaeus
Adsorptionskarakteristika för den kiselrika zeoliten HSZSM-5 gentemot två antibiotikum; sulfamethoxasole (SMX) och sulfadiazine (SD) har undersökts. Dessa avskiljdes väl (>90 %) från vatten av zeoliten. Adsorptionen följde Freundlichs isoterm med en andra ordningens kinetik och med diffusion i omgivande vätskefilm som dominerande steg. Inflytandet av pH, temperatur och organiskt material (NOM) på adsorptionen undersöktes.
Förloppen var spontana, exoterma fysisorptionprocesser sammansatta av jonbyte och hydrofob verkan och zeoliten ifråga har potential som avskiljare av sulfonamider från avloppsvatten.
Bakgrund
Sulfonamider (SAs)är de äldsta kliniskt använda antibakteriella kemikalierna och kan spåras till 1937. De användes brett, till bakteriella, protozo- och svampinfektioner och drar låga kostnader. De förs via avloppsystemet till naturmiljön och då de är svåra att bryta ner biologiskt har traditionella avloppsverk svårt att avskilja dem. De kan i ett längre perspektiv bygga antibiotikaresistens hos mikroorganismer och därtill ha toxisk effekt. Det är därför angeläget att finna en ekologiskt och ekonomiskt god metod att separera dem från avloppsvattnet.
Adsorption är en lovande metod för detta ändamål. Flera adsorbentmaterial är tänkbara såsom organiska naturmaterial, lermineral, nanohålfiberstänger, hartser och zeoliter. Zeoliter med högt kiselinnehåll har befunnits särskilt intressanta och behandlas vidare här. Kvoten SiO2/Al2O3 är viktig för SAs. Dessa är tämligen vattenlösliga och polära med en pH-beroende jonisering.
I denna studie i labskala valdes två frekvent använda sulfonamider; sulfamethoxasole (SMX) och sulfadiazine (SD) och särskilt undersöktes deras beroende av kontakttid och pH vid adsorption på zeoliten HSZSM-5. Vidare bestämdes adsorptionskapaciteten och adsorptionsmekanismerna. Inflytandet av naturligt organiskt material (NOM) på adsorptionen studerades också. Att analysera den pH-beroende adsorptionen bedömdes kritiskt inför ett användande av denna hydrofoba zeolit som adsorbent för att avskilja SAs i avloppsvatten.
Material och metod
Kiselrika zeoliter ZSM-5 (HSZSM-5) med genomsnittlig porstorlek 0,55 nm och SiO2/Al2O3 –kvoterna 70, 170 och 500 (mol/mol) provades.
Först testades olika doser av adsorbenten och tid till jämvikt bestämdes. Initial koncentration av SMX och SD var 100 µg/L och adsorbenten tillfördes (0,1-1,0 g/L) under kontinuerlig omrörning (25 ºC). Prov uttogs vid tio olika tidpunkter, 5 min-3 d. Vätskekromatografi (HPLC) användes för bestämning av sulfonamidkoncentrationerna.
För att bestämma inflytandet av pH justerades till pH 2-10; här fastställdes också Z-potentialen.
För NOM-påverkan tillfördes, vid SiO2/Al2O3 =500 och pH 3,6eller 9, bovin serum albumin, natriumalginat eller humussyra, 1-20 mg/L.
Adsorptionsisotermer bestämdes vid 15, 25 och 35 ºC med SA-koncentrationerna 0,1-15 mg/L och pH 6,0. Langmuir, Freundlich och Dubinin-Radushkevichs isotermer användes för modellering.
Adsorbtionens kinetik bestämdes från omrörningsförsök med 100 µg/L SA och 0,2 g zeolit och avstämdes mot modellerna: pseudo-first order, pseudo-second order, intrapartikeldiffusion och vätskefilmdiffusion.
Resultat
Avskiljningen (adsorptionen) av SAs ökade med högre zeolittillsats. Doser 0,1 till 0,6 mg/l gav 42 – 99% avskiljning. Högre doser gav sämre adsorbentutnyttjande, varför 0,2 mg/L valdes för fortsatta försök. Tiden till jämvikt var ca 24 h.
Utfallet av pH-variationer gav flera slutsatser om bindningens natur och graden av jonisering; i allmänhet var lågt pH, <3, gynnsamt. NOM-rikt vatten försämrade adsorptionen; olika beroende på NOM-komponent och pH.
SA-adsorbtionen utföll bättre vid lägre temperatur (25 ºC). Freundlichs isoterm överensstämde mycket väl för adsorbtionen med HSZSM-5 av både SMX och SD med K = 55 mg/g resp 3,5 mg/g. Langmuirs isoterm fungerade inte.
Detaljerade beskrivningar av adsorptionens natur diskuteras i artikeln och leder till företräde för fysisorption snarare än kemisorption. För kinetiken gav pseudo-second-order modellen den bästa anpassningen och diffusionen av SAs genom adsorbentomgivande vätskefilm bedömdes vara det hastighetsbestämmande steget.
Slutsatser
Kiselrika zeoliter visades ha god potential att avskilja sulfonamider från vatten, här visad med zeoliten HSZSM-5 mot SMX och SD. Effekten var klart pH- och temperaturberoende, gynnsammare vid lägre pH och lägre (testad) temperatur.
Adsorbtionen följde Freundlichs isoterm och pseudo-second order-modellen beskrev kinetiken väl.
Ett intressant verktyg när det gäller att bromsa spridningen av antibiotika i miljön.
Källa: Zuo, X 1), Qian, C.2), Ma, S.1), Xiong, J.3), He, J.1) & Chen, Z.4) (2019):Removal of sulfonamide antibiotics from water by high-silica ZSM-5. Water Science & Technology, 80.3, pp 507-516.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att läsa gratis här.
Författarna från:
- College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China.
- Sainuo Environment Technology Company Limited, China Gezhouba Group,
Rizhao 276800, China.
3) College of Science, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China.
4) Faculty of Environmental Sciences, Czech University of Life Sciences Prague,
Prague 16500, Czech Republic.
Kontakt: xingtaozuo@allyun.com
