Activated ceramic composite materials used for elimination of particles imitating viruses from water

• Autorzy: Zalewska M. , Bobryk E. , Pędzikiewicz A. , Szafran M.

Warianty tytułu

PL

Aktywowane kompozyty ceramiczne zastosowane do usuwania cząstek imitujących wirusy z wody

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the preliminary results of research on the surface modification of ceramic composite materials. This modification can be done by introducing particles of ceramic powders with a high value point of zero charge. The functioning of the new membranes can be described as electrostatic adsorption of particles imitating viruses onto an oppositely charged filter surface. The purpose of this study was to design ceramic composite materials with active layers. The first stage of this study was to shape porous ceramic composite materials by pressing by means of a hydraulic press at the pressure of 30 MPa. In the next stage, a way of obtaining an active layer of the filter and an impregnation method were designed. In the research diatomaceous earth and bentonite were used while polyvinyl alcohol was the binder. The samples prepared during the study were subjected to impregnation with magnesium acetate. In the study, polymer dispersions with negative electrokinetic potential - Rokryl SW 4025 and SW 115 - were used to stimulate the process of filtration. The properties of the sintered samples - tensile strength, open porosity and pore diameter distribution were investigated. The microstructure of the obtained samples was examined using a scanning electron microscope. The zeta potentials of the obtained ceramic composite materials with active layers and polymer dispersions were established using a zeta potential analyzer. On the basis of the measurements and filtration test in which polymer dispersion simulated viruses in water, it was discovered that the modification of ceramic materials surfaces gives good results. In the samples, the particles of polymer dispersions were attracted to the walls of the filter. The permeates after being filtrated through the impregnated samples become transparent. MgO, which was obtained on the surface of the ceramic composite, plays the role of promoter in the process of the adsorption of negatively charged particles imitating viruses.

PL

W wodzie występuje wiele zanieczyszczeń mających znaczący wpływ na zdrowie człowieka. Dużym problemem w procesie oczyszczania są występujące w wodzie wirusy, co jest związane głównie z ich niewielkim rozmiarem (na ogół w zakresie od 20 do 120 nm). Filtry najnowszej generacji pozwalają zatrzymywać wirusy na zasadzie adsorpcji elektrostatycznej. Charakteryzują się one dużymi porami, co pozwala uniknąć problemu blokowania porów, który jest dość kłopotliwy przy stosowaniu wcześniejszych metod. W ramach pracy przedstawiono wyniki badań nad modyfikacją powierzchni ceramicznych materiałów kompozytowych. Jednym ze sposobów modyfikacji jest wprowadzenie na ich powierzchnię cząstek proszków ceramicznych o wysokiej wartości pH punktu zerowego ładunku. Celem niniejszej pracy było zaprojektowanie ceramicznych materiałów kompozytowych o aktywnych warstwach z tlenku magnezu. Pierwszym etapem badań było wykonanie ceramicznych materiałów kompozytowych poprzez prasowanie. W kolejnym etapie opracowano sposób otrzymywania aktywnej warstwy na powierzchni filtra, a także przeprowadzono symulację procesu filtracji w zaprojektowanym układzie filtracyjnym przy zastosowaniu dyspersji polimerowych odznaczających się wielkością cząstek zbliżoną do wielkości wirusów oraz ładunkiem ujemnym w całych zakresie pH podobnie jak to jest w przypadku wirusów. W celu otrzymania ceramicznych tworzyw porowatych zastosowano ziemię okrzemkową o gęstości 2,34 g/cm3 oraz bentonit firmy ZGM Zębiec o gęstości 2,39 g/cm3. Jako spoiwo zastosowano 10% wodny roztwór poli(alkoholu winylu) o masie cząsteczkowej 67 000 i stopniu hydrolizy wynoszącym 88%. Do otrzymania aktywnej warstwy filtracyjnej zastosowano octan magnezu. Do badań symulacji procesu filtracji użyto 10% wag. roztworu dyspersji polimerowej Rokryl SW 4025 i SW 115 o ujemnym potencjale zeta z całym zakresie pH. Wykonane w pracy badania obejmowały swoim zakresem pomiary charakteryzujące proszki ceramiczne, jak również pomiary parametrów fizycznych i mechanicznych formowanych kształtek po procesie spiekania, przy zastosowaniu różnych ilości spoiw oraz o różnych masach cząsteczkowych. Wykonano pomiary wytrzymałości na rozciąganie, porowatości otwartej i porozymetrii rtęciowej kształtek po procesie spiekania. Kształtki poddano również badaniu mikrostruktury. Obserwacje wykonano przy użyciu elektronowego mikroskopu skaningowego. Na podstawie przeprowadzonych badań można wstępnie stwierdzić, że opracowane w ramach pracy filtry mogą z dużym powodzeniem znaleźć zastosowanie w procesie usuwania wirusów z wody. Aktywne warstwy tlenku magnezu powstałe na powierzchni kompozytowych kształtek ceramicznych skutecznie zatrzymują ujemnie naładowane cząstki dyspersji polimerowych imitujących cząstki wirusów w wodzie.

Słowa kluczowe

EN

adsorption; diatomaceous earth; bentonite; filtration of particles imitating viruses; ceramic composite materials

PL

adsorpcja; ziemia okrzemkowa; bentonit; filtracja cząstek imitujących wirusy; kompozyty ceramiczne

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2012
• Tom: R. 12, nr 1
• Strony: 21--25
• Opis fizyczny: Bibliogr 11 poz., rys.

Twórcy

autor

Zalewska M.

autor

Bobryk E.

autor

Pędzikiewicz A.

autor

Szafran M.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Chemistry, Department of Inorganic Technology and Ceramics, ul. Noakowskiego 3, 00-664 Warsaw, Poland,

Bibliografia

• [1] Kocwa-Haluch R., Wirusologia w inżynierii środowiska, Wydawnictwo PK, Kraków 2002.
• [2] Guidelines for Drinking-water Quality, Third Edition Incorporating The First and Second Addenda, Vol. 1, Recommendations, World Health Organization, Geneva 2008.
• [3] Sobsey M.D., Managing Water in the Home: Accelerated Health Gains from Improved Water Supply, Water, Sanitation and Health, Department of Protection of the Human Environment, World Health Organization, Geneva 2002.
• [4] Peter-Varbanets M., Zurbrügg C., Swartz C., Pronk W., Decentralized systems for potable water and the potential of membrane technology, Water Research 2009, 43, 245-265.
• [5] Kyessi A.G., Community - based urban water management in fringe neighbourhoods: the case of Dar es Salaam, Tanzania, Habitat International 2005, 29, 1-25.
• [6] Kattamuri N., Shin J.H., Kang B., Lee C.G., Lee J.K., Sung C., Development and surface characterization of positively charged filters, Journal of Materials Science 2005, 40, 4531-4539.
• [7] Wegmann M., Michen B., Luxbacher T., Frisch J., Graule T., Modification of ceramic microfilters with colloidal zirconia to promote the adsorption of viruses from water, Water Research 2008, 42, 1726-1734.
• [8] Wegmann M., Michen B., Graule T., Nanostructured surface modification of microporous ceramics for efficient virus filtration, Journal of the European Ceramic Society 2008, 28, 1603-1612.
• [9] Farrah S.R., Preston D.R., Toranzos G.A., Girard M., Erdos G.A., Vasuhdivan V., Use of modified diatomaceous earth for removal and recovery of viruses in water, Applied and Environmental Microbiology 1991, 4, 57, 2502-2506.
• [10] Zalewska M., Bobryk E., Pędzikiewicz A., Szafran M., Porous ceramic materials for virus filtration, Archives of Metallurgy and Materials 2011, 4, 56, 1193-1197.
• [11] Ferrari B., Moreno R., Sarkar P., Nicholson P.S., Electrophoretic deposition of MgO from organic suspensions, Journal of the European Ceramic Society 2000, 20, 99-106.