Сорбенты на основе природных алюмосиликатов  и очистка ими сточных вод от антибиотиков и эндотоксинов

Н.П.  Шапкин; И.Г.  Хальченко; Д.С. Гальченко; М.Г. Смирнова; Л.И. Соколова; А.Л. Шкуратов; В.Н. Давыдова; Е.К. Папынов

doi:10.25514/CHS.2022.1.21004

Н.П. Шапкин Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Дальневосточный федеральный университет, Приморский край, о. Русский, п. Аякс, Россия https://orcid.org/0000-0002-4287-8917
И.Г. Хальченко Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Дальневосточный федеральный университет, Приморский край, о. Русский, п. Аякс, Россия https://orcid.org/0000-0002-5541-2200
Д.С. Гальченко Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Дальневосточный федеральный университет, Приморский край, о. Русский, п. Аякс, Россия https://orcid.org/0000-0003-3289-5817
М.Г. Смирнова Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Дальневосточный федеральный университет, Приморский край, о. Русский, п. Аякс, Россия https://orcid.org/0000-0003-2832-2776
Л.И. Соколова Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Дальневосточный федеральный университет, Приморский край, о. Русский, п. Аякс, Россия https://orcid.org/0000-0003-3028-8976
А.Л. Шкуратов Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Дальневосточный федеральный университет, Приморский край, о. Русский, п. Аякс, Россия https://orcid.org/0000-0002-5603-8222
В.Н. Давыдова Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский институт биоорганической химии им. Г.Б. Елякова Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия https://orcid.org/0000-0002-4532-5795
Е.К. Папынов Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Дальневосточный федеральный университет, Приморский край, о. Русский, п. Аякс, Россия https://orcid.org/0000-0002-1185-7718

DOI: https://doi.org/10.25514/CHS.2022.1.21004

Ключевые слова: сорбция, вермикулит, каолинит, монтмориллонитовая глина, хитозан, левомицетин, тетрациклин, цефазолин, ципрофлоксацин, сточные воды, цеолит, эндотоксины

Аннотация

В настоящее время в России активно рассматривается возможность очистки сточных вод пищевых предприятий и убойных цехов агропромышленного комплекса от антибиотиков. Содержание антибиотиков в сточных и питьевых водах не нормируется. В работе исследованы сорбционные свойства природных и модифицированных алюмосиликатов: вермикулита Ковдорского месторождения, модифицированного 12% соляной кислотой; каолинита Сухоложского месторождения (Иркутская область); монтмориллонитовой глины (нонтронит), модифицированной хитозаном; цеолита Чугуевского месторождения (Приморский край). В качестве адсорбатов выбраны антибиотики: левомицетин, тетрациклин, цефазолин и ципрофлоксацин. Исследована возможность концентрирования и сорбции антибиотиков в статическом и динамическом режимах. Проведено исследование сорбционного равновесия антибиотиков при их совместном присутствии в растворе. Показано, что наиболее эффективными сорбентами для очистки сточных вод является вермикулит, модифицированный 12% соляной кислотой и нонтронит, модифицированный хитозаном. Найдены зависимости величин сорбции антибиотиков от состава и структуры сорбентов. При сорбции смеси антибиотиков основную роль играет величина удельной поверхности, а емкость в динамических условиях определяется величиной удельного объема сорбента. Также исследована сорбция эндотоксинов на природном и модифицированном хитозаном цеолите Чугуевского месторождения. Показано, что модификация хитозаном приводит к получению эффективного сорбента для очистки медицинских растворов от эндотоксинов

Литература

Barenboim G.M., Chiganova M.A. (2012). Pollution of surface and wastewater with drugs. Water: chemistry and ecology, 10, 40–46 (in Russ).

Gelman M.A., Narkevich I.A. (2013). Medicines in the environment. Journal about the Russian market of medicines and medical equipment, 2, 50–54 (in Russ).

Davydov A.S., Aleshina N.I., Sheptalov V.B. (2010). Wastewater treatment of the slaughterhouse of a poultry farm and a residential village. Bulletin of the Altai State Agrarian University, 3(65), 44–48 (in Russ).

Zueva S.B., Il'ina N.M., Semenikhin O.A., Epifanova A.A., Petukhova L.G. (2009). Technological schemes for wastewater treatment of meat processing enterprises. Bulletin of the Voronezh State Technical University, 1(5), 51–53 (in Russ).

Inyinbor A.A., Bello O.S., Fadiji A.E., Inyinbor H.E. (2018). Threats from antibiotics: A serious environmental concern. Journal of Environmental Chemical Engineering, 6, 784–794. https://doi.org/10.1016/j.jece.2017.12.056

Mukhundinova N.A., Rychkova M.I., Tyumina E.A., Vikhareva E.V. (2015). Pharmaceutical compounds based on nitrogen-containing heterocycles – a new class of environmental pollutants (review). Bulletin of the Perm University. Series: Biology, 1, 65–76 (in Russ).

Balcioglu I.A., & Otker M. (2003). Treatment of pharmaceutical wastewater containing antibiotics by O3 and O3/H2O processes. Chemosphere, 50, 85–95.

Wu C., Zhou Y., Sun X., & Fu L. (2018). The recent development of advanced wastewater treatment by ozone and biological aerated filter. Environmental Science and Pollution Research, 25, 8315–8329. https://doi.org/10.1007/s11356-018-1393-8

Qiang Z., Macauley J.J., Mormile M.R., Surampalli R., & Adams C.D. (2006). Treatment of Antibiotics and Antibiotic Resistant Bacteria in Swine Wastewater with Free Chlorine. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 54, 8144–8156.

Proia L., Anzil A., Subirats J., Dorrego C., Farre M., Llorca M., Balcazar J.L., & Servais Priere P. (2018). Antibiotic resistance in urban and hospital wastewaters and their impact on a receiving freshwater ecosystem. Chemosphere, 206, 70–82. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.04.163

Sorokina I.D., & Dresvyannikov A.F. (2009). Obtaining, physical and chemical operational properties of iron-aluminum coagulant for the treatment of natural and wastewater. Water: chemistry and ecology, 9, 16–21 (in Russ).

Song Z., Ma Y., & Li C. (2019). The residual tetracycline in pharmaceutical wastewater was effectively removed by using MnO2/graphene nanocomposite. Science of the Total Environment, 651, 580–590. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.09.240

Zheng W., Wen X., Zhang B., & Oiu Y. (2019). Selective effect and elimination of antibiotics in membrane bioreactor of urban wastewater treatment plant. Science of the Total Environment, 6, 1293–1303. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.07.400

Gao X.J., Fan X.J., Chen X.P., & Ge Z.Q. (2018). Immobilized β-lactamase on Fe2O4 magnetic nanoparticles for degradation of β-lactam antibiotics in wastewater. International Journal of Environment Science and Technology,15, 2203–2212. https://doi.org/10.1007/s13762-017-1596-4.

Yin K., Deng L., Luo J., Crittenden J., Liu C., Wei Y., & Wang L. (2018). Destruction of phenicol antibiotics using the UV/H2O2 process: Kinetics, byproducts, toxicity evaluation and trichloromethane formation potential. Chemical Engineering Journal, 351, 867–877. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.06.164.

Mansour F., Al-Hindi M., Yahfoufi R., Ayoub G.M., & Ahmad M.N. (2018). The use of activated carbon for the removal of pharmaceutical from aqueous solutions: a review. Reviews in Environment Science and Biotechnology, 17, 109–145. https://doi.org/10.1007/s11157-017-9456-8

Kormosh E.V., Alyabyeva T.M., & Pogorelova A.G. (2011). Chemical and mineralogical aspects of the possibility of using clays of the Belgorod region in the development of sorbents for wastewater treatment. Basic Research: Engineering Sciences, 8, 131–135 (in Russ).

Pavlyuchenko Yu.A., Sokolova L.I., & Shapkin N.P. (2015). Investigation of the possibility of using natural aluminosilicates for the treatment of wastewater from fish factories from antibiotics. National Association of Scientists, 2(7), 160–161 (in Russ).

Shapkin N.P., Papynov E.K., Khalchenko I.G., Zhamskaya N.N., Katkova S.A., Apanasenko O.A., & Shkuratov A.L. (2010). Development of an integrated method for wastewater treatment. Biotechnosphere, 5-6(11-12), 12–14 (in Russ).

Shapkin N.P., Kolesnikov A.B., Apanaskevich A.A., & Skobun A.S. (2001). Organomineral sorbents of a new generation. Proceedings of the VI International Conference “New Perspectives in the Study of Chitin and Chitosan”. M. S. 259–263 (in Russ).

Shapkin, N.P., Khal'chenko, I.G., Ermak, I.M., Razov, V.I., & Leont'ev, L.B. (2016). Organic-inorganic composites of different purposes on the basis of natural silicates and biopolymers. Journal of Bionanoscience, 9(5), 430–434. https://doi.org/10.1166/jbns.2016.1398

Shapkin N.P., Razov V.I., Mayorov V.I., Khal’cheko I.G., Shkuratov A.L., & Korochentsev V.V. (2016). Studies of natural kaolinite and its modified forms. Russian Journal of Inorganic Chemistry, 61(11), 1519–1528. https://doi.org/10.1134/S003602361611019X

Shapkin N.P., Polyakov V.Yu., Shapkina V.Ya., Sibirtsev Yu.T., & Rasskazov V.A. (2002). Chemical modification of the surface of natural zeolites. News of higher educational institutions. Chemistry and chemical technology series, 45(2), 101–106 (in Russ).

Shapkin N.P., Maiorov V.I., Leont’ev L.B., Shkuratov A.L., Shapkina V.Ya., & Khal’chenko I.G. (2014). A Study of the Adsorption Properties of Modified Layered Silicate. Colloid Journal, 76, 746–752. https://doi.org/10.1134/S1061933X14060155

Shapkin N.P., Leont’ev L.B., Khal’chenko I.G., Panasenko A.E., Maiorov V.Y., Razov V.I., Kaidalova T.A., & Papynov E.K. (2017). Chemical modification of natural clays. Russian Journal of Inorganic Chemistry, 62(9), 1209–1214. https://doi.org/10.1134/S0036023617090121

Sokolova L.I., Belyustova K.O., Prvar Yu.O., Shapkin N.P., &. Razov, V.I (2015). Determination of antibiotics (levomycetin and tetracycline) in food products with various matrices. Technique and technology of food production, 38(3), 146–152 (in Russ).

Dyer A., & Jozefowicz L.C. (1992). The removal of thorium from aqueous solutions using zeolites. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 159(1), 47–62.

Lukas P., Hlozek P., Foldesova M. (1992). Sorption ability of chemically treated clinoptilolites with regard to cobalt and cesium. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 164(4), 241–246. https://doi.org/10.1007/BF02165279

Hlozek P., Foldesova M., & Lukas P. (1992). Study of sodium hydroxide-treated clinoptilolites and their physical and ion-exchange characteristics with regard to cesium(1+) and cobalt(2+). Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 165(3), 175–183. https://doi.org/10.1007/BF02172240

Ovcharenko F.D., Bobonich F.M., Volkov A.A. (1987). Acid activation of mordenite-bearing tuff. Ukrainian Chemical Journal, 53(12), 1267–1271 (in Russ).

Davydova V. N., Bratskaya S. Yu., Gorbach V. I., Solov’eva T. F., Kaca W., & Yermak I. M. (2008). Comparative study of electrokinetic potentials and binding affinity of lipopolysaccharides-chitosan complexes. Biophysical Chemistry, 136(1), 1–6.

Ermak I.M., Gorbach V.I. Polyakova A.M., Astrinan O.S., Lukyanov P.A., Solovieva T.F., Maleev V.V., & Ovodov Yu.S. (1994). Water-soluble lipopolysaccharide-chitosan complex and its effect on platelet aggregation. Biological membranes, 11(5), 496–500 (in Russ).

Pat. 2184607 RF. 2002.

Pat. 2612294 RF. 2017.

Shapkin N.P., Ermak I.М., Razov V.I., Davydova V.N., Khalchenko I.G., & Shkuratov A.L. (2013). Derivation of organo-modified aluminosilicates for clearing of biosolutions. International Journal of Latest Research in Science and technology, 2(5), 37–41.