Odstranění léčiva z vody vybranými adsorbenty

V rámci projektu specifického vysokoškolského výzkumu byla na Ústavu vodního hospodářství obcí Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně provedena laboratorní zkouška sledující účinnost odstranění diklofenaku vybranými sorpčními materiály. K odstraňování diklofenaku z vody sloužily kolony naplněné sorpčními materiály, kterými byly aktivní uhlí Filtrasorb F100, dále materiály GEH a Bayoxide E33. Cílem zkoušky bylo porovnat jmenované vybrané sorpční materiály z hlediska jejich účinnosti odstranění diklofenaku z vody. Z rozborů vody odebírané v předem stanovených časových intervalech po filtraci přes zmíněné materiály bylo zjištěno, že nejvhodnějším materiálem pro odstranění diklofenaku z vody je Filtrasorb F100.

Světlana Moravčíková, Renata Biela

Abstract

Currently, there is extensive use, often overuse of pharmaceuticals. As a result, their occurrence in the environment is becoming increasingly apparent. Pharmaceuticals can get into sewage with urine and solid faeces. They often also enter the water due to improper disposal of unused medicines, which are often flushed into waste, or, together with municipal waste, exported to landfill sites where they leak into groundwater. Pharmaceuticals get into sewage with urine and solid faeces. They may also enter the water due to improper disposal of unused medicines, which are often flushed into waste, or, together with municipal waste, exported to landfill sites where they leak into groundwater. An experiment monitoring removal efficiency of selected pharmaceutical was carried out in a laboratory at the department of Water management of the Municipalities of the Faculty of Civil Engineering in Brno, using three selected sorption materials. Materials Bayoxide E33, GEH and Filtrasorb F100 were chosen for the experiment. Model water for filtration was prepared by adding diclofenac to the water from Brno water supply network. This model water was pumped to the top of filtration columns and samples were taken at selected times during the filtration. Temperature, pH and turbidity were measured in the collected samples. Residual concentrations of diclofenac were analysed at the Faculty of Chemistry. GEH had the highest efficiency on the removal of diclofenac, however the material lowered the pH below the limit for drinking water. Filtrasorb F100 achieved very similar results, with more than 90% removal efficiency over the entire measurement. For Bayoxide E33, the removal efficiency was significantly lower, with a decreasing tendency.

Úvod

Jedním ze současných problémů je rozsáhlé užívání, mnohdy až nadužívání léčiv. Výsledkem je jejich zvýšený výskyt v životním prostředí. Léčiva používaná v medicíně se dostávají do splaškových vod především s močí a tuhými fekáliemi. Dalším způsobem, jak se xenobiotika mohou dostat do odpadních vod, je likvidace nevyužívaných léčiv, která bývají často splachována do odpadu, případně jsou spolu s komunálním odpadem ukládána na skládkách odpadu, odkud se tyto látky dostávají formou průsaku do podzemních vod. Možný negativní vliv léčiv na životní prostředí vede ke sledování těchto látek ve vodním prostředí. [1, 2]

Vzhledem k vlastnostem léčiv je jen malá pravděpodobnost, že léčiva přítomná v surové vodě budou významně odstraněna při použití klasických úpravárenských postupů (provzdušnění, flokulace, filtrace/písková filtrace, dezinfekce). Úpravárenské procesy používané k odstranění léčiv z vody zahrnují adsorpci na aktivním uhlí, membránové procesy a pokročilé oxidační procesy. [2]

V rámci projektu specifického vysokoškolského výzkumu byl na Ústavu vodního hospodářství obcí Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně proveden laboratorní experiment sledující účinnost odstranění diklofenaku vybranými sorpčními materiály. Cílem experimentu bylo porovnat sorpční materiál Filtrasorb F100, který se běžně používá pro odstraňování mikropolutantů z vody, se sorpčními materiály, které jsou užívány především pro odstraňování kovů z vody – Bayoxide E33 a GEH.

Materiály a metody

Sorpční materiály

Granulované aktivní uhlí Filtrasorb F100 bylo zvoleno díky širokému použití při úpravě pitné a užitkové vody. Filtrasorb F100 je vyráběn z vybraných druhů černého uhlí aktivací vodní parou dle příslušných norem jakosti. V praxi je využíván ke zlepšení organoleptických vlastností pitné vody, pro odstranění ozonu a oxidu chloričitého a také k eliminaci široké škály polutantů. Aktivní uhlí je odolné vůči opotřebení spojenému s opakovaným praním a hydraulické přepravě. Další z jeho výhod je možnost reaktivace pro opětovné použití. [3]

Bayoxide E33 je suchý krystalický granulovaný sorbent na bázi hydroxidu železa. Vyvinula jej společnost Severn Trent ve spolupráci se společností Bayer AG. Materiál byl navržen k odstraňování arsenu, jeho výhodou je, že společně s oběma formami arsenu (As^III a As^V) odstraňuje také železo a mangan. [4]

Sorpční materiál GEH je založený na bázi granulovaného hydroxidu železa. Tento materiál je vhodný k hospodárnému a efektivnímu odstranění arsenu a antimonu z vody. Adsorpční kapacita materiálu závisí na provozních podmínkách. [5]

Vybrané léčivo

K nejužívanějším skupinám léčiv se řadí protizánětlivá léčiva. Protizánětlivá léčiva se řadí také mezi nejčastěji se objevující v životním prostředí. Z tohoto důvodu byl pro laboratorní odstranění zvolen diklofenak jakožto zástupce této skupiny léčiv. Léčiva zařazovaná do této skupiny slouží k tlumení bolesti, zmírnění příznaků zánětu a také snížení zvýšené tělesné teploty. Používána bývají především u různých kloubních zánětlivých onemocnění spojených s bolestí a omezením pohyblivosti, dále se používají i při různých bolestivých onemocněních měkkých tkání (zejména svalů). Celosvětově se používá asi 200 různých protirevmatických léčiv. Liší se svými vlastnostmi, základní princip mechanismu účinku ale zůstává zachován. Předepisovány jsou často k léčbě revmatoidní artritidy, artrózy, akutního dnavého záchvatu a jiných revmatických onemocnění. Tato léčiva však danou chorobu neléčí, ale zmírňují zánět, a tak odstraňují bolest a otok. [2]

Adsorpce

Experiment probíhal na principu dynamické adsorpce. Během dynamické adsorpce dochází k průtoku roztoku adsorbátu v koloně nehybnou vrstvou granulovaného adsorbentu. Při průtoku vrstvou adsorbentu je látka adsorbována v horní části kolony (voda protéká kolonou shora dolů) a v dalších jejich částech protéká již čistá kapalná fáze. [6]

Průběh experimentálního odstranění

Filtrace probíhala ve třech kolonách s vnitřním průměrem 4,4 cm. Na dně těchto kolon byla vytvořena drenážní vrstva zabraňující úniku sorpčních materiálů v průběhu filtrace. Nejspodnější část drenážní vrstvy byla tvořena kamínky o velikosti 1 až 2 cm, nad touto vrstvou následovala vrstva ze skleněných kuliček o průměru 4 mm. Horní část drenážní vrstvy pak tvořily skleněné kuličky velikosti 2 mm. Nad drenážní vrstvu byla následně nasypána samotná filtrační náplň. Výška této vrstvy byla zvolena na základě doporučení výrobce, kdy pro materiál Filtrasorb F100 byla potřebná sypná výška největší, a to minimálně 0,75 m. Pro účely porovnání byla shodná výška zvolena i pro zbývající dva materiály. Po nasypání potřebné výšky filtračních materiálů a připevnění kolon bylo zapotřebí materiály ještě před provedením experimentu proprat. Praní probíhalo zespodu nahoru do doby, kdy začala z kolony vytékat čirá voda. Prací voda byla odváděna do kanalizace.

Dále bylo zapotřebí připravit modelovou vodu. Ta byla tvořena vodou z vodovodní sítě, do níž bylo přidáno odstraňované léčivo - diklofenak. Diklofenak byl připraven na Ústavu chemie a technologie ochrany životního prostředí Fakulty chemické VUT v Brně. Byl nachystán tak, aby po smíchání s 30 litry vody byla koncentrace léčiva ve vodě okolo 1 µg/l. Po přidání diklofenaku do 30litrového barelu naplněného vodou bylo nutné důkladné promíchání s vodou z vodovodu, aby došlo k rozptýlení léčiva do celého objemu modelové vody. Následně se voda nechala v barelu půl hodiny odstát, aby došlo k ustálení koncentrace diklofenaku.

Do barelu s modelovou vodou byla vložena sací hadice čerpadla zakončená sacím košem. Z barelu byla voda přes průtokoměr čerpána na jednotlivé kolony. Do předem popsaných plastových kelímků o objemu 0,5 l byly poté ze spodních výpustí kolon odebírány vzorky filtrované vody. Vzorky byly odebírány v časech 1, 2, 4 a 6 minut od okamžiku, kdy voda začala vytékat z kolony. V odebraných vzorcích bylo v průběhu experimentu přímo v laboratoři měřeno pH, teplota a zákal. Po ukončení experimentu byly vzorky odvezeny na Ústav chemie a technologie ochrany životního prostředí Fakulty chemické VUT v Brně, kde bylo provedeno stanovení koncentrací diklofenaku.

Výsledky a diskuze

V následujících tabulkách (tab. 2-4) jsou uvedeny hodnoty pH, teploty a zákalu naměřené v jednotlivých vzorcích v průběhu experimentu společně s hodnotami koncentrace diklofenaku stanovenými na Fakultě chemické. Hodnoty koncentrací diklofenaku jsou následně zaneseny do grafu – obr. 1, který slouží k přehlednému porovnání účinnosti použitých filtračních materiálů.

Sledujeme-li především koncentraci diklofenaku, nejlepších výsledků dosáhl materiál GEH, který již po 1 minutě odstranil toto léčivo pod hodnotu limitu detekce (LOD) a pod touto hodnotou ji držel po celou dobu měření. Vysokou úspěšnost je možné pozorovat také u materiálu Filtrasorb F100, u kterého je sice koncentrace diklofenaku v průběhu času kolísavá, ale stále se pohybuje ve velmi nízkých hodnotách, v časech 2 a 6 minut dokonce také pod limitem detekce. Nejhorší výsledky při odstraňování léčiva má ze zkoušených materiálů Bayoxide E33, který po minutě diklofenak z části odstranil, ale v dalších časech byly zjištěny jeho narůstající koncentrace. Došlo zde k přesycení materiálu, a ten tak postupně přestal diklofenak odstraňovat.

Průběh pH mají materiály Filtrasorb F100 a Bayoxide E33 podobný, dochází k mírnému nárůstu z hodnoty 7,52 k hodnotám okolo 7,75. Průběh pH u materiálu GEH je oproti tomu výrazně odlišný, už po 1 minutě klesne pH prudce na hodnotu 5,99 a v průběhu celého pokusu se pak pohybuje v rozmezí 5,9-6,0. Tyto hodnoty jsou mimo limit pH pro pitnou vodu, který je 6,5-9,5.

Průběh teploty je obdobný pro všechny zkoušené materiály, kdy hned na začátku teplota prudce vzroste a následně od 1 minuty mírně klesá.

Když se zaměříme na zákal, už v modelové vodě před filtrací splňuje jeho hodnota limit 5 ZF, konkrétně bylo naměřeno 1,7 ZF. Všechny tři materiály tuto hodnotu ještě výrazně snížily. V případě Filtrasorbu F100 se hodnoty zákalu pohybovaly po celou dobu okolo 0,6 ZF, u Bayoxidu šlo o hodnoty okolo 0,4 ZF a GEH snížil zákal na hodnoty blízké 0,2 ZF.

Účinnost jednotlivých materiálů při odstranění diklofenaku z vody byla vypočtena pomocí následujícího vzorce:

kde 

η …         účinnost odstranění znečištění [-],

C_RW …    koncentrace znečištění v surové vodě [μg/l],

C_F …       koncentrace znečištění po filtraci [μg/l].

Výsledky těchto výpočtů jsou zaznamenány v tabulce 5 a graficky znázorněny na obrázku 2.

Nejvyšší, téměř 100% účinnosti, dosáhl materiál GEH, který odstranil diklofenak pod mez detekce ve všech sledovaných časech. Materiál Filtrasorb F100 dosahoval obdobných výsledků, s více než 90% účinností odstranění po celou dobu měření. U materiálu Bayoxide E33 byla účinnost odstranění výrazně nižší a měla také klesající tendenci, kdy klesla z 49,50 % na 24,29 %.

Závěr

Nejvyšší účinnosti odstranění diklofenaku dosáhl materiál GEH, odstranil diklofenak ve všech sledovaných časech pod mez detekce. Materiál Filtrasorb F100 dosahoval obdobných výsledků, a to s více než 90% účinností odstranění během celého měření. U materiálu Bayoxide E33 byla účinnost odstranění podstatně nižší, s klesající tendencí. Na základě tohoto pokusu můžeme za velmi vhodný sorpční materiál pro odstraňování léčiv považovat pouze Filtrasorb F100. Přestože byl materiál GEH, při odstraňování léčiva nejúčinnější, snížil v průběhu experimentu pH pod limit pro pitnou vodu, proto se nezdá jako nejlepší pro odstraňování léčiv. Materiál Bayoxide E33, který je běžně velmi účinný při odstraňování kovů z vody, se projevil pro odstraňování vybraného léčiva jako nevhodný, došlo u něj pravděpodobně k přesycení materiálu, a postupně tak přestal diklofenak odstraňovat.

Literatura/References

1. PITTER, P. 5. vydání. Vydavatelství VŠCHT Praha, 2015. ISBN 978-80-7080-928-0.
2. MORAVČÍKOVÁ, S. Sledování účinnosti odstraňování léčiva z vody vybranými adsorbenty. Brno, 2020. 75 s. Diplomová práce. Ústav vodního hospodářství obcí, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně.
3. BIELA, R., ŠÍBLOVÁ, D., GOTTWALD, M. Use of adsorption for pesticides removal from drinking water sources. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 444(2020). IOP Publishing. 2020.
4. BARLOKOVÁ, D., ILAVSKÝ, J., MARTON, M., KUNSTEK, M. Removal of Heavy Metals in Drinking Water by Iron-based Sorption Materials. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 362(2019). IOP Publishing. 2019.
5. BIELA, R., ŠOPÍKOVÁ L. (2017) Efficiency of sorption materials on the removal of lead from water. Applied Ecology and Environmental Research. 2017. 15(3). ISSN 1785 0037, ALÖKI Kft., Budapest, Hungary.
6. PIVOKONSKÝ, M. Adsorpce při úpravě vody: Úprava podzemních a po vrchových vod – 8. přednáška. Pivokonský, ÚŽP PřF UK [online]. [cit. 2020-10-16]. Dostupné z: http://www.pivokonsky.wz.cz/UV/uprava_vod_8.pdf

Poděkování/Acknowledgements

Příspěvek byl zpracován v rámci řešení grantového projektu specifického vysokoškolského výzkumu na VUT v Brně s názvem „Vybrané problémy vodního hospodářství měst a obcí“ (FAST-S-20-6314).

Autoři/Autors

This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí, Žižkova 17, Brno

Ing. Renata Biela, Ph.D., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí, Žižkova 17, Brno

Citace/Citation

Moravčíková, S., Biela, R. Odstranění léčiva z vody vybranými adsorbenty. Vodovod.info - vodárenský informační portál [online]. 29.11.2020, 11/2020, [cit. 2020-11-29]. Dostupný z WWW: http://vodovod.info. ISSN 1804-7157.