I majnumret av Journal of Membrane Science beskriver Mecha och Pillay vad silvernanopartiklar kan erbjuda för tillkommande desinfektionseffekt i ett dricksvattenberedningssteg. Forskarna från Durbans tekniska universitet (Mecha) och Stellenboschs universitet (Pillay) i Sydafrika har tillverkat silvernanopartiklar (SNP) direkt på ytan på ett vävt mikrofiltermembran (MF). Silvernanopartiklarna är desinficerande och gav en extra avskiljning av mikroorgansimer från 84-91% med silverfria membran till 100% med silverbelagda membran.
Av: Kenneth M Persson
Själva grundtanken med studien var att kunna erbjuda en desinfektionsmetod för att få bort mikroorganismer från tämligen kontaminerade råvatten hämtade i landsbygdsområden, exempelvis i Sydafrikanska byar. Att leverera ett mikrobiellt säkert dricksvatten är viktigt för att minska risken för vattenburen smitta, inte bara på den sydafrikanska landsbygden, men också där. De metoder som används är typiskt klorering i olika former (som klortabletter, ofta kalciumhypoklorit), exponering i solljus för UV-desinfektion (exempelvis Solvatten), filtrering i täta sandfilter och keramiska mikrofilter eller kokning. Membranteknik, som MF och ultrafiltrering (UF) är intressant eftersom de kan bereda tämligen stora vattenvolymer direkt och vid behov kontinuerligt.
Men de smäckra, nästan bräckliga, polymera membran som används i den industrialiserade världen för vattenberedning är sällan lämpade att hantera i fält i byar på afrikansk landsbygd. Därför har forskare i Sydafrika tagit fram ett vävt MF i polyester, som ett tunt tyg. Detta är slitstarkt kan tillverkas i Sydafrika och förhållandevis billigt. MF-membranen sätts ihop till hela moduler som monteras i en ställning med en efterföljande renvattentank. Vattnet filtreras genom membranen med gravitation och kan leverera ett tämligen partikelfritt vatten med en turbiditet understigande 1 NTU även efter en månads användning.Tyget kan tas ut från modulen, borstas ren med en diskborste och sättas in igen för återanvändning. Men för att kunna leverera ett mikrobiellt säkert dricksvatten måste någon efterföljande desinfektion sättas in, eftersom MF-modulen inte klarar mer än 95-99% avskiljning av mikroorgansimer.
Silvernanopartiklar (SNP) är kända för att ge hög desinfektion mot mikroorganismer och vara tämligen ogiftiga för människan. EU:s och svenskt gränsvärde saknas för silver i dricksvatten, medan WHO i förarbetet till sina senaste riktvärden för dricksvatten föreslog en maximalt tillåten gräns om 100 µg/l. Men silverjoner är mycket giftiga för vattenlevande organismer och kan orsaka skadliga långtidseffekter i vattenmiljön. Fisk och små kräftdjur (till exempel vattenloppor) är särskilt känsliga.Tillväxten och fortplantningen försämras vid silverjonkoncentrationer även vid så låga halter som under 1 µg/l.
SNP tillverkade genom att polyestermembranen lakades i silvernitratlösning i 30 minuter varefter membranen tvättades i etanol för att skölja bort silvernitratöverskottet. Silvret fälldes ut som SNP med tillsats av natriumborhydrid som reducerade silverjonen till silvermetall. Slutligen sköljdes membranen i avjonat vatten och torkades i ugn innan de används för studierna. Membranen karaktäriserades med svepelektronmikroskopi (SEM), analys av silverhalten på membranen, FT-IR-analys av den kemiska sammansättningen i membranen, röntgendiffraktionsanalys för att bestämma SNP-konfigurationen, termogravimetrisk analys för att mäta viktförluster i spannet 30-800 oC, spektrofotometriska egenskaper i våglängdsområdet 200-900 nm, membranens hydrofilicitet genom kontaktvinkelmetoden, avskiljningsegenskaper för partiklar och E.coli-bakterier, renvattenflux, permeabililitet, och slutligen förluster av silverjoner till vattnet, vilket skulle kunna sägas vara filterstabilitet.
Mecha och Pillay jämförde en uppsättning icke-modifierade membran med en uppsättning SNP-behandlade membran. Av jämförelsen framgick att det fanns 0,014 mg/cm2 silver, tämligen jämnt fördelat över membranytan på de modifierade membranen. Denna låga halt silver innebar att porositeten på membranen inte påverkades nämnvärt av den låga silvertillsatsen. Vid filtrering läckte ganska stadigt något under 20 µg/l silver till vattnet. Forskarna bedömer att silverbehandlingen kan räcka för flera månaders bruk. Hydrofiliciteten för SNP-behandlade membran var högre än för obehandlade, liksom renvattenflux. Med stigande filtertid minskade skillnaderna. Permeabiliteten var omkring 0,06 l/m2h/Pa, vilket ger en kapacitet vid 1 mvp, eller 10 000 Pa på 600 l/m2h. FT-IR-mätningen visade att polyesterväven dominerade även efter ytmodifiering och skam vore annars. SEM-bilderna kunde tolkas som att det tillkommit några SNP på membranet, men förstoringsgraden var för låg för att avslöja enstaka partiklar. Däremot bytte membranen färg efter SNP-behandling från vita till brun-gula.
Man ympade vattnet med E.coli i halter 2500-77000 CFU/100 ml och filtrerade genom MF-modulen med 2-3 dm vattentryck. För icke-modifierade membran var kunde omkring 90% av E.coli-bakterierna avskiljas, medan de SNP-belagda membranen avskiljde ned till <1 CFU/100 ml. Tre olika försökstillfällen gav samma resultat. Silverdesinfektionen tänks ske genom att silverjoner interagerar med molekylärbiologiska reaktioner i mikroorganismerna. För att desinfektion skall ske måste alltså viss mängd silver läcka från SNP in i mikroorganismerna. Forskarna diskuterar att förmodligen måste den behandling de genomförde då SNP fälldes ut på membranen återupprepas några gånger varje år för att garanterat ge god desinfektion. Man bedömer, tämligen optimistiskt kan jag tycka, att en sådan behandling kan ske i fält i en sydafrikansk by. Under alla omständigheter är dock rening god och det desinficerade vattnet fritt från E.coli.
Slutsatser
I Sverige har diskussioner förts om det är lämpligt att öka användningen av silver i kretsloppet eftersom silver bevisligen har antibakteriella egenskaper och påverkar ekologin där det förekommer. Svenskt vatten finansierade en silverstudie 2012 som finns publicerad som SVU-rapport 2012-18: Silver i produktkedjan: Från konsumentvaror till avloppsslam med aktörsperspektiv. Svenskt Vatten genom Anders Finnson har också uppmanat regeringen att arbeta för starka begränsningar mot användning av bakteriedödande silver i kläder och andra konsumentprodukter. Silver, och alla kemiska föreningar som frigör silver eller silverjoner, betraktas som en biocidprodukt som kräver godkännande om den är avsedd att förebygga bakterietillväxt och liknande enligt EU:s biocidförordning och Kemikalieinspektionen för svenska förhållanden. Det är dock tillståndspliktigt och inte förbjudet.
Med detta i minnet är likväl de sydafrikanska resultaten intressanta från många synvinklar. Det går alltså att ta fram en reningsmetod för dricksvattenberedning i landsbygd utan behov av klorering, som kan användas för att generera stora mängder (<200 l/h) vatten som är mikrobiellt säkert.
Jag tror att vi kommer att se mera av dessa lösningar.
Källa: C.A. Mecha och V.L. Pillay, Development and evaluation of woven fabric microfiltration membranes impregnated with silver nanoparticles for potable water treatment, Journal of Membrane Science 2014 (458) 149-156
Hela artikeln i Journal of Membrane Science finns här.
