Сюе Ми

катедра по химическо инженерство, Мичигански технологичен университет, Хоутън, Мичиган, 49931, САЩ

Соха М. Албухари

b Катедра по химия, Мичигански технологичен университет, Хоутън, Мичиган, 49931, САЩ

c Катедра по химия, Университет Крал Абдулазиз, Джеда, 21589, Саудитска Арабия

Карин Л. Хелд

катедра по химическо инженерство, Мичигански технологичен университет, Хоутън, Мичиган, 49931, САЩ

Патриша А. Хайден

b Катедра по химия, Мичигански технологичен университет, Хоутън, Мичиган, 49931, САЩ

Свързани данни

Резюме

Графично резюме

(Изображенията за вируси и химическа структура са създадени в BioRender.).

хлор

1. Въведение

Световната здравна организация (СЗО) изчислява, че поне 30% (2 милиарда души през 2019 г.) от световното население разчитат на питейна вода, замърсена с изпражнения [1]. Всяка година тази замърсена вода причинява милиони човешки смъртни случаи [1]. Основните замърсители включват патогенни паразити, бактерии и вируси. Най-често причиняващите болести вируси, пренасяни по вода, включват норовируси, аденовируси, ентеровируси и вируси на хепатит А и Е [2], като всички те са без обвивка. Вирусите с обвивка имат допълнителна липидна обвивка и са по-малко стабилни във вода, така че рядко причиняват болести, пренасяни по вода. Наличието на тежък остър респираторен синдром с коронавирус 2 (SARS-CoV-2), който е отговорен за настоящата пандемия на коронавируса (т.е. COVID-19), е установено в битовите отпадъчни води по целия свят [[3], [4], [5]]. Появата на SARS-CoV-2 във вода и във фекалиите на пациенти с COVID-19 [6, 7] предизвиква опасения относно потенциала му за пренасяне по вода, тъй като обвитите коронавируси могат да останат заразни в продължение на дни или дори повече в питейната вода и отпадъчните води [8].

В момента общинските системи пречистват водата чрез многоетапен процес на коагулация и флокулация, утаяване, химическа дезинфекция и физическа мембранна филтрация [9]. Мембранната филтрация е приета технология за отстраняване на патогени, като бактерии и паразити, от питейна вода. Патогени като тези лесно се отстраняват от питейната вода, като се използват големи микрофилтрационни и ултрафилтрационни мембрани с големи пори при ниско работно налягане [10]. Вирусите обаче са твърде малки, за да бъдат премахнати чрез механизъм за изключване на размера без голямо енергийно наказание. Усъвършенстваните системи за мембранна филтрация, като нанофилтрация и обратна осмоза, са в състояние да премахнат вирусите, но изискват високо работно налягане, а също така мембраните лесно се замърсяват [10].

Вирусите могат да бъдат намалени и чрез химическа дезинфекция. Дезинфекцията се използва широко както за питейна вода, така и за пречистване на битови отпадъчни води [11]. Най-честият процес на дезинфекция е хлорирането, което използва компресиран хлорен газ или съединения като натриев хипохлорит и калциев хипохлорит за инактивиране на патогените. Когато се разтворят във вода, те могат да образуват хипохлорна киселина (HClO) и хипохлоритен йон (ClO -). HClO и ClO - могат да реагират с естествени органични вещества, за да образуват трихалометани и други халогенирани странични продукти за дезинфекция [12, 13], за които се подозира, че са канцерогени за човека [12] и са токсични за водните организми [13]. Остатъчният хлор (1 mg/L) в пречистените отпадъчни води е силно токсичен за водните организми [14], докато нивото на хлор от 5–15 mg/L обикновено се използва за дезинфекция на отпадъчни води [11]. Следователно Агенцията за опазване на околната среда (EPA) изисква стъпка на дехлориране, за да се отстрани свободният и комбиниран хлор, останал в пречистените отпадъчни води, преди да бъде изхвърлен [11]. Това обикновено се постига с помощта на редуциращи агенти като серен диоксид, сулфитни соли или тиосулфат, които също намаляват разтворения кислород [15]. Активният въглен също е ефективен за намаляване на нивото на остатъчен хлор, но е скъп [15].

Сред катионната полимерно модифицирана целулоза, целулозата, присадена с гуанидинови групи, показва висока активност срещу бактерии [19]. Целулозните филми, съдържащи 1 тегл.% Полихексаметилен гуанидин додецилбензен, присадени с помощта на водородна връзка, показват 99,94% намаление на бактериите S. aureus и 96,95% намаляване на бактериите E. coli [22]. По същия начин филми от бактериална целулоза, присадени с полихексаметилен гуанидин хидрохлорид, също използващи водородна връзка, показват повишена активност срещу бактериите P. syringae, K. пневмония и S. aureus в сравнение с чисти бактериални целулозни филми [23]. Този резултат се дължи на положително заредената гуанидинова група, която може да се свърже с отрицателно заредената микробна мембрана, деформирайки цитоплазмените мембрани и причинявайки изтичане на бактериални клетки [24]. Модифицираните с гуанидин полимери също проявяват антивирусна активност. Например, синтетичен полизахарид, който е присаден с гуанидиновата група чрез ковалентна връзка, показва 96,2% антивирусна ефективност срещу не-обвит аденовирус [25].

За да се подготви микрофилтрационна мембрана, която може да отстранява вируси и хлор, трябва да се синтезира поликатионна целулоза, модифицирана с гуанидин, която може да бъде електроспинирана в непрекъснати влакна с диаметър в нанометрова скала [26]. Електрошпунтовите нанофибърни подложки са желани за адсорбцията на замърсители във вода, тъй като подложките имат високо съотношение между повърхността и обема, голям размер на порите в диапазона от няколко микрона и лекота на производство [26]. Високото съотношение на повърхността към обема нановолокна могат да увеличат достъпната повърхност на мембраната и адсорбционния капацитет. Големият размер на порите може да поддържа висок воден поток и ниско замърсяване на мембраната.

2. Резултати и дискусия

2.1. Характеризиране на целулоза и целулозни производни