Novel antibacterial cellulose foam filter for water purification

Abstract

Puhdas juomavesi julistetiin ihmisoikeudeksi Yhdistyneiden kansakuntien (YK) yleiskokouksessa vuonna 2010. Juomaveden kontaminoituminen bakteereilla on yleisin vesiperäinen uhka aiheuttaen useita sairauksia, kuten koleraa ja ripulia, ja se voi johtaa jopa kuolemaan. Maailman terveysjärjestö (WHO) arvioi, että vuonna 2015 maailmanlaajuisesti 884 miljoonalla ihmisellä ei ollut mahdollisuutta saada riittävää määrää puhdasta juomavettä. Yksi YK:n kestävän kehityksen tavoiteohjelma Agenda2030:n tavoitteista onkin varmistaa turvallisen ja edullisen juomaveden saanti kaikille.

Pro gradu -tutkielman tarkoituksena oli kehittää antibakteerinen selluloosavaahto, jota voisi käyttää kannettavissa vedensuodattimissa. Tavoitteena oli löytää sopivat materiaalit niin, että selluloosavaahto olisi kestävän periaatteiden mukainen. Vaahdon tuli olla antibakteerinen kontakti-aktiivisella mekanismilla. Selluloosavaahto valmistettiin yksinkertaisella vaahtorainausprosessilla, jossa kitosaania ja sitruunahappoa lisättiin vaahdotettavaan vesi-kuituseokseen sen saamiseksi antibakteeriseksi ja vedenkestäväksi. Natriumlauryylisulfaattia käytettiin vaahtoavana tensidinä. Polyvinyyliamiinia, jolla tiedetään olevan antibakteerisia ominaisuuksia, lisättiin joihinkin vaahtoihin vertailun vuoksi.

Tutkimuksissa todettiin, että kitosaania ja sitruunahappoa käyttämällä on mahdollista tuottaa vedenkestävä ja antibakteerinen selluloosavaahto. Testit osoittivat, että kitosaania ja sitruunahappoa sisältävä pesty selluloosavaahto poistaa 98,99 ± 0,36 % bakteereista. FTIR-analyysi ja antibakteeriset testit todistivat, että kitosaani tekee vaahdon antibakteeriseksi ja ylimääräinen sitruunahappo vuotaa pesemättömistä vaahdoista poistaen 100 % bakteereista. Kitosaania ja sitruunahappoa sisältävää vaahtoa verrattiin vaahtoon, joka sisälsi edellisten lisäksi polyvinyyliaminia. Polyvinyyliamini ei näyttänyt vaikuttavan vaahdon vedenkestävyyteen tai lisäävän sen antibakteerisuutta.

Pestystä kitosaania ja sitruunahappoa sisältävästä vaahdosta tehty suodatin suodatti 71,98 ± 6,33 % bakteereista. Polyvinyyliaminia, kitosaania ja sitruunahappoa sisältävä vaahto suodatti 94,73 ± 5,08 % bakteereista. Vedenpuhdistuksen lisäksi tätä biopohjaista selluloosavaahtoa voisi käyttää myös muihin tarkoituksiin, kuten pakkausmateriaaliksi.

Water is fundamental to human development and health. Access to safe water is recognized as a human right by the United Nations General Assembly. Contamination of the water with bacteria is the most common water-borne threat leading to several severe diseases and even to death. Still, World Health Organization estimated that 844 million people worldwide lack access to basic drinking water services in 2015.

The aim of the project was to develop antibacterial cellulose foam, which could be used as a portable water filter. The goal was to find adequate materials so that the foam would be sustainable and safe for the environment and users and antibacterial via contact-active mechanism. Foam was chosen as a filter type, since it has high surface area, which is desirable for contact-active antibacterial materials. Cellulose foam was made by simple one batch foam forming process, in which chitosan and citric acid were added to cellulose to provide antibacterial properties and water stability for the foam. Sodium dodecyl sulfate was used as a foaming agent. Polyvinylamine (PVAm), which is known to have antibacterial properties, was added on some of the foams to see if the antibacterial effects increase.

It was concluded that it is possible to produce water stable and antibacterial foam using chitosan and citric acid. Antibacterial tests showed that foam containing citric acid and chitosan had 98.99 ± 0.36 % bacterial reduction. The FTIR analysis and antibacterial tests show that chitosan is the antibacterial agent in the washed foams, working via contact-active mechanism. It was observed that excess citric acid leached from the non-washed wet foams causing bacterial reduction of 100 %, but the citric acid was removed during washing. Chitosan and citric acid containing foam was compared with the foam containing PVAm along with them. PVAm did not seem to increase the antibacterial effect or the water stability of the foam.

Filter made of washed chitosan and citric acid containing foam had bacteria reduction of 71.98 ± 6.33 % The bacterial reduction was 94.73 ± 5.08 % for the foam containing PVAm, chitosan and citric acid. In addition of water purification, this bio-based foam material has potential for other purposes where antibacterial properties and water stability are desired, such as a packaging material.