Effect of organic matrix on the adsorption of selected antibiotics and antiretroviral drugs from drinking water onto activated carbon

Abstract

Luonnollisen orgaanisen aineksen (NOM) määrä pintavesistöissä on kasvanut, minkä lisäksi niissä on havaittu ympäristölle haitallisia lääkeainejäämiä. Kun suuri osa Suomenkin juomavedestä on peräisin pintavesilähteistä, tulee sen puhdistamista kehittää kasvavien haitta-ainepitoisuuksien myötä. Aktiivihiilisuodatus on tehokas keino juomavedenpuhdistuksessa liuenneen orgaanisen hiilen (DOC) ja eri mikropollutanttien, kuten lääkeaineiden, poistossa. Tässä tutkimuksessa tutkittiin ravistelukokeiden avulla, miten erilaiset aktiivihiilet poistavat vedestä metyleenisineä (MB), DOC:tä ja neljää fysikaalis-kemiallisilta ominaisuuksiltaan erilaista lääkeainetta; sulfametoksatsolia (SMX), trimetopriimia (TMP), lamivudiinia (3TC) ja nevirapiinia (NVP). Käytössä oli kaksi kaupallista aktiivihiiltä ja kaksi kehitysvaiheessa olevaa, puusta (R&D puu) ja turpeesta (R&D turve) valmistettua aktiivihiiltä. Kokeissa tutkittiin myös, miten DOC:n (2,5–3,6 mg/l) läsnäolo vedessä vaikuttaa lääkeaineiden (2–10 mg/l) poistumiseen, lisäämällä lääkeaineet vedenpuhdistamolta saatuun kemiallisesti saostettuun veteen. DOC:n ja lääkeaineiden analysointiin käytettiin TOC-analyysiä, korkean erotuskyvyn kokoekskluusiokromatografiaa (HPSEC) ja massaspektrometriaa (LC-MS/MS). Langmuirin ja Freundlichin isotermejä käytettiin adsorptiomekanismien tutkimiseen ja adsorptiokapasiteettien laskemiseen. Adsorptiokapasiteetit R&D puulla ja R&D turpeella MB:lle olivat 107,5 ja 87,7 mg/g, ja kaupallisilla 16,1 ja 75,8 mg/g. Aktiivihiilten kapasiteetit DOC:lle vaihtelivat välillä 4,3–16,1 mg/g. Kapasiteetit ultrapuhtaassa vedessä oleville lääkeaineille vaihtelivat välillä 10,8–29,1 mg/g SMX:lle, 4,0–29,7 mg/g 3TC:lle ja 10,8–87,0 mg/g NVP:lle. Kapasiteettia TMP:lle ei voitu laskea sen täydellisen poistumisen vuoksi. DOC:n läsnäolo vedessä todella heikensi lääkeaineiden poistumista: aktiivihiilien adsorptiokapasiteetti SMX:lle laski enimmillään 82 %, 3TC:lle 59 % ja NVP:lle 80 %. Myös TMP:n kohdalla oli havaittavissa adsorption heikkenemistä. MB ja lääkeaineet adsorboituivat yhteen kerrokseen (Langmuir), DOC:n adsorboituessa useampaan kerrokseen aktiivihiilen pinnalle (Freundlich). Adsorptioon näytti vaikuttavan ainakin veden pH, yhdisteiden pKa-arvo ja vesiliukoisuus, sekä aktiivihiilten tuhkapitoisuus ja huokoskokojakauma. Yhdisteiden pKa arvot olivat TMP:tä lukuunottamatta alhaisia, joten niiden ja DOC-molekyylien toisiaan hylkivät negatiiviset pintavaraukset saattoivat heikentää adsorptiota. Molekyylikoot ja aktiivihiilten huokoskoot voivat toimia myös selittävinä tekijöinä DOC:n ja lääkeaineiden erilaisiin adsorptioihin. Tulosten mukaan tuotekehityksen alla olevat R&D-hiilet ovat täysin vertailukelpoisia kaupallisten, sekä muissa tutkimuksissa käytettyjen aktiivihiilten kanssa, minkä perusteella voidaan niiden katsoa soveltuvan juomaveden puhdistukseen. Jatkotutkimuksia kolonnikokeilla tarvitaan.

Presence of natural organic matter (NOM) in surface waters is on the rise due to human activities. Along that, active pharmaceuticals ingredients, which are considered a threat as developing antibiotic resistance, are also detected in drinking water sources, particularly in less developed countries. Therefore, competitive treatment is required to make potable water from surface waters. Activated carbon (AC) filtration is a powerful tool in drinking water treatment because its ability to adsorb dissolved organic carbon (DOC) and specific micropollutants, such as pharmaceuticals. In this study, adsorption of methylene blue (MB), DOC and four pharmaceuticals; sulfamethoxazole (SMX), trimethoprim (TMP), lamivudine (3TC), and nevirapine (NVP) onto four ACs (two commercial, two wood- and peat-made AC under research and development (R&D)) was studied in batch experiments. Adsorption competition between selected pharmaceuticals (2.0–10.0 mg/l) and DOC (2.5–3.6 mg/l) was studied by spiking pharmaceuticals in coagulated water from local drinking water treatment plant (pH 7.2), corresponding the real treatment process. TOC analysis, high-performance size-exclusion chromatography (HPSEC) and liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) were used to analyze DOC and pharmaceutical contents. Langmuir and Freundlich isotherms were used to describe and calculate adsorption kinetics and capacities. Adsorption capacities of R&D wood and R&D peat for MB were 107.5 and 87.7 mg/g, respectively, while capacities of commercial ACs were 16.1 and 75.8 mg/g. Adsorption capacities of different ACs for DOC varied between 4.3 and 16.2 mg/g. In ultrapure MQ water, capacities varied between 10.8–29.1 mg/g for SMX, 4.0–29.7 mg/g for 3TC and 10.8–87.0 mg/g for NVP. Due to complete removal, adsorption capacity for TMP couldn’t be determined. Presence of DOC in the matrix affected adsorption differently for each pharmaceutical. Capacities of ACs decreased 82 % for SMX at best, 59 % for 3TC at best and 80 % for NVP at best. Notable decrease in removal of TMP was also detected. Langmuir isotherm (monolayer adsorption) described better MB and pharmaceutical adsorptions, while Freundlich (multilayer) described better DOC adsorption. According to adsorption capacities and removal efficiencies, DOC really decreases adsorption of selected pharmaceuticals. Water solubility and pKa constant of molecules, and pore size distribution and ash content of ACs appeared to have some influence on adsorption. Strong repulsion forces may have decreased the adsorption of compounds with low pKa constant. Molecular sizes of molecules and pore size distribution of ACs made also difference between adsorption of some compounds. Further research of R&D products is needed with fixed-bed column tests. Compared to commercial ACs and literature, results indicate high potential of R&D products for use in water treatment process.