Хімія, фізика та технологія поверхні, 2019, 10 (4), 327-339.

Бактерицидні адсорбенти, одержані йонообмінною модифікацією природного філліпсіту



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.04.327

V. G. Tsitsishvili, N. M. Dolaberidze, M. O. Nijaradze, N. A. Mirdzveli, Z. S. Amiridze

Анотація


Цеолітові адсорбенти і йонообмінники на основі катіонобмінних форм, що знижують концентрацію забруднюючих речовин у водному середовищі, містять біоактивні метали і мають бактерицидні властивості, є перспективними для застосування в захисті навколишнього середовища та медицині. Філліпсіт має високу іонообмінну ємність і може бути використаний для отримання подібних матеріалів. Мікро-мезопористі матеріали, що містять срібло, мідь або цинк, були отримані на основі природного філліпсіту родовища Шухутi, Західна Грузія, за допомогою іонообмінних реакцій між подрібненим і промитим розведеним розчином соляної кислоти цеолітом і сіллю відповідного перехідного металу в твердій фазі при кімнатній температурі з подальшим промиванням дистильованою водою. Отримані таким шляхом адсорбент-іонообмінники охарактеризовані даними хімічного аналізу, сорбції азоту при низьких температурах і парів води при кімнатній температурі, даними рентгенівської діфрактометрії, iнфра-червоними спектрами, зображеннями зі скануючого електронного мікроскопа. Отримані матеріали зберігають кристалічну мікропористу структуру і загальні властивості філліпсіту, вони містять до 230 мг/г срібла, до 66 мг/г міді або до 86 мг/г цинку, що в кілька разів вище, ніж вміст біоактивних металів в описаних в літературі зразках катіонобмінних форм кліноптілоліту і синтетичних цеолітів, отриманих іонним обміном в рідкій фазі. Отримані срібло-, мідь- і цинк-вмісні філліпсіти проявляють бактерицидну і бактеріостатичну активність відносно кишкової палички незалежно від того, чи досягає кількість іонів біологічно активного металу, що виділяється, мінімальної інгібуючої концентрації в розчині. Процедура «сухого» іонообмінного синтезу призводить до збільшення дисперсності матеріалу, але не впливає на розвинену мезопористу систему філліпсіту і загальний об’єм пор, в середньому становить 0.285 см3/г. Відповідність запропонованого методу отримання катіонобмінних форм філліпсіту високим екологічним стандартам підтверджується його низьким коефіцієнтом Р.А. Шелдона E в порівнянні з аналогічними показниками зеленої хімії для традиційних методів іонного обміну в розчинах.


Ключові слова


срібло-; мідь-; цинк-вмісні цеоліти; твердофазний іонний обмін; кишкова паличка

Повний текст:

PDF (English)

Посилання


1. Roque-Malhebre R.M.A. Applications of Natural Zeolites in Pollution Abatement and Industry. In: Handbook of Surfaces and Interfaces of Materials. V. 5. (San Diego, CA: Academic Press, 2001). https://doi.org/10.1016/B978-012513910-6/50069-4

2. Wang S., Peng Y. Natural zeolites as effective adsorbents in water and wastewater treatment. Chem. Eng. J., 2010. 156(1): 11. https://doi.org/10.1016/j.cej.2009.10.029

3. Fu F., Wang Q. Removal of heavy metal ions from wastewaters: A review. J. Environ. Manag. 2011. 92(3): 407. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2010.11.011

4. Misaelides P. Application of natural zeolites in environmental remediation: A short review. Microporous Mesoporous Mater. 2011. 144(1-3): 15. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2011.03.024

5. Margeta K., Zabukovec Logar N., Šiljeg M., Farkas A. Natural Zeolites in Water Treatment - How Effective is Their Use. In: Water Treatment. (London: IntechOpen, 2013). https://doi.org/10.5772/50738

6. Steffin J.E., Dilson B.S., Manikandan P.M. An overview on activated carbon and zeolites in water treatment. Imperial Journal of Interdisciplinary Research. 2016. 2(11): 6.

7. Semmens M.J., Seyfard M. The Selectivity of Clinoptilolite for Certain Heavy Metals. In: Natural Zeolites: Occurrence, Properties and Use. (New York: Pergamon, 1978).

8. Semmens M.J., Martin W.P. The influence of pretreatment on the capacity and selectivity of clinoptilolite for metal ions. Water Res. 1988. 22(5): 537. https://doi.org/10.1016/0043-1354(88)90052-8

9. Zamzow M.J., Murphy J.E. Removal of metal cations from water using zeolites. Sep. Sci. Technol. 1992. 27(14): 1969. https://doi.org/10.1080/01496399208019459

10. Langella A., Pansini M., Cappelletti P., de Gennaro B., de Gennaro M., Colella C. NH4+, Cu2+, Zn2+, Cd2+, and Pb2+ exchange for Na+ in a sedimentary clinoptilolite, North Sardinia, Italy. Microporous Mesoporous Mater. 2000. 37(6): 337. https://doi.org/10.1016/S1387-1811(99)00276-0

11. Hui K.S., Chao C.Y.H., Kot S.C. Removal of mixed heavy metal ions in wastewater by zeolite 4A and residual products from recycled coal fly ash. J. Hazard. Mater. 2005. 127(12): 89. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2005.06.027

12. Yadanaparthi S.K.R., Graybill D., Wandruszka R. Adsorbents for the removal of arsenic, cadmium, and lead from contaminated waters. J. Hazard. Mater. 2009. 171(1): 1. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.05.103

13. Taamneh Y., Sharadqah S. The removal of heavy metals from aqueous solution using natural Jordanian zeolite. Appl. Water Sci. 2017. 7(7): 2021. https://doi.org/10.1007/s13201-016-0382-7

14. Yanovska E.S., Savchenko I., Polonska Y., Ol'khovik L., Sternik D., Kichkiruk O.Y. Sorption properties for ions of toxic metals of carpathian clinoptilolite (Ukraine), in situ modified by poly[N-(4-carboxyphenyl)methacrylamide. New Materials, Compounds and Applications. 2017. 1(1): 45.

15. Ali I., Asim M., Khan T.A. Low cost adsorbents for the removal of organic pollutants from wastewater. J. Environ. Manag. 2012. 113(12): 170. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2012.08.028

16. Kawahara K., Tsuruda K., Morishita M., Uchida M. Antibacterial effect of silver-zeolite on oral bacteria under anaerobic conditions. Dent. Mater. J. 2000. 16(6): 452. https://doi.org/10.1016/S0109-5641(00)00050-6

17. Rivera-Garza M., Olguin M.T., Garcia-Sosa I., Alcantara D., Rodriguez-Fuentes G. Silver supported on natural Mexican zeolite as an antibacterial material. Microporous Mesoporous Mater. 2000. 39(3): 431. https://doi.org/10.1016/S1387-1811(00)00217-1

18. Top A., Ülkü S. Silver, zinc, and copper exchange in Na-clinoptilolite and resulting effect on antibacterial activity. Appl. Clay Sci. 2004. 27(1-2): 13. https://doi.org/10.1016/j.clay.2003.12.002

19. De la Rosa-Gomez I., Olguin M.T., Alcantara D. Bactericides of coliform microorganisms from wastewater using silver-clinoptilolite rich tuffs. Appl. Clay Sci. 2008. 40(1-4): 45. https://doi.org/10.1016/j.clay.2007.07.001

20. Ferreira L., Fonseca A.M., Botelho G., Almeida-Aguiar C., Neves I.C. Antimicrobial activity of faujasite zeolites doped with silver. Microporous Mesoporous Mater. 2012. 160(9): 126. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2012.05.006

21. Hrenovic J., Milenkovic J., Ivankovic T., Rajic N. Antibacterial activity of heavy metal-loaded natural zeolite. J. Hazard. Mater. 2012. 201-202(1): 260. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2011.11.079

22. Guerra R., Lima E., Viniegra M., Guzman A., Lara V. Growth of Escherichia coli and Salmonella typhi inhibited by fractal silver nanoparticles supported on zeolite. Microporous Mesoporous Mater. 2012. 147(1): 267. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2011.06.031

23. Hrenovic J., Milenkovic J., Goic-Barisic I., Rajic N. Antibacterial activity of modified natural zeolite against clinical isolates of Acinetobacter baumannii. Microporous Mesoporous Mater. 2013. 169(3): 148. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2012.10.026

24. Akhigbe L., Ouki S., Saroj D., Min Lim X. Silver-modified clinoptilolite for the removal of Escherichia coli and heavy metals from aqueous solutions. Environ. Sci. Pollut. Res. 2014. 21(18): 10940. https://doi.org/10.1007/s11356-014-2888-6

25. Demirci S., Ustaoğlu Z., Yılmazer G.A., Sahin F., Baç N. Antimicrobial properties of zeolite-X and zeolite-A ion-exchanged with silver, copper, and zinc against a broad range of microorganisms. Appl. Biochem. Biotechnol. 2014. 172(3): 1652. https://doi.org/10.1007/s12010-013-0647-7

26. Rossainz-Castro L.G., De la Rosa-Gomez I., Olguín M.T., Alcantara-Díaz D. Comparison between silver- and copper-modified zeolite rich tuffs as microbicidal agents for Escherichia coli and Candida albicans. J. Environ. Manag. 2016. 183(3): 763. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2016.09.034

27. Milenkovic J., Hrenovic J., Matijasevic D., Niksic D., Rajic N. Bactericidal activity of Cu-, Zn-, and Ag-containing zeolites toward Escherichia coli isolates. Environ. Sci. Pollut. Res. 2017. 24(6): 20273. https://doi.org/10.1007/s11356-017-9643-8

28. Dolaberidze N., Tsitsishvili V., Khutsishvili B., Mirdzveli N., Nijaradze M., Amiridze Z., Burlanadze M. Silver- and zinc-containing bactericidal phillipsites. New Materials, Compounds and Applications. 2018. 2(3): 247.

29. Klasen H.J. A historical review of the use of silver in the treatment of burns. I. Early uses. II. Renewed interest for silver. Burns: Journal of International Society for Burn Injuries. 2000. 26(2): 117. https://doi.org/10.1016/S0305-4179(99)00108-4

30. Kędziora A., Speruda M., Krzyżewska E., Rybka J., Łukowiak A., Bugla-Płoskońska G. Similarities and differences between silver ions and silver in nanoforms as antibacterial agents. Int. J. Mol. Sci. 2018. 19(2): 444. https://doi.org/10.3390/ijms19020444

31. Shi W.Y., Shao H.B., Li H., Shao M.A., Du S. Progress in the remediation of hazardous heavy metal-polluted soils by natural zeolite. J. Hazard. Mater. 2009. 170(1): 1. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2009.04.097

32. Martemianova I., Nadeina L., Plotnikov E., Martemianov D. Modification of natural sorbent for providing it with bactericidal and bacteriostatic properties. In: Chemistry and Chemical Technology in XXI Century (CCT-2016). MATEC Web of Conferences (November 17, 2016) P. 01030. https://doi.org/10.1051/matecconf/20168501030

33. Jiraroj D., Tungasmita S., Tungasmita D.N. Silver ions and silver nanoparticles in zeolite A composites for antibacterial activity. Powder Technol. 2014. 264(9): 418. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2014.05.049

34. Kwakye-Awuah B., Williams C., Kenward M.A., Radecka I. Antimicrobial action and efficiency of silver-loaded zeolite X. J. Appl. Microbiol. 2008. 104(5): 1516. https://doi.org/10.1111/j.1365-2672.2007.03673.x

35. Baerlocher Ch., McCucker L.B., Olson D.H. Atlas of zeolite framework types. 6th ed. (Amsterdam: Elsevier, 2007).

36. Kallo D. Applications of natural zeolites in water and wastewater treatment. Rev. Mineral. Geochem. 2001. 45(1): 519. https://doi.org/10.2138/rmg.2001.45.15

37. Tsitsishvili V., Alelishvili M., Dolaberidze N., Nijaradze M., Mirdzveli N. Surfactant-modified clinoptilolite and phillipsite. Bulletin of the Georgian Academy of Sciences. 2003. 167(3): 457.

38. Rawajfih Z., Al Mohammad H., Nsour N., Ibrahim K. Study of equilibrium and thermodynamic adsorption of α-picoline, β-picoline, and γ-picoline by Jordanian zeolites: Phillipsite and faujasite. Microporous Mesoporous Mater. 2010. 132(3): 401. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2010.03.019

39. Bhatnagar A. Application of adsorbents for water pollution control. (Sharjah, Bussum: Bentham Science Publishers, 2012). https://doi.org/10.2174/97816080526911120101

40. Tsitsishvili V., Dolaberidze N., Mirdzveli N., Nijaradze M., Amiridze Z., Gabunia V., Tsintskaladze G. Hydrothermal transformation of natural analcime and phillipsite. Bulletin of the Georgian National Academy of Sciences. 2019. 13(1): 66.

41. Jędrzejczyk R.J., Turnau K., Jodłowski P.L., Chlebda D.K., Łojewski T., Łojewska J. Antimicrobial properties of silver cations substituted to faujasite mineral. Nanomaterials (Basel). 2017. 7(9): 240. https://doi.org/10.3390/nano7090240

42. Persson I. Hydrated metal ions in aqueous solution: How regular are their structures? Pure Appl Chem. 2010. 82(10): 1901. https://doi.org/10.1351/PAC-CON-09-10-22

43. Mulley G., Jenkins A.T.A., Waterfield N.R. Inactivation of the antibacterial and cytotoxic properties of silver ions by biologically relevant compounds. PLoS ONE. 9(4): e94409. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0094409

44. Navarro C.A., von Bernath D., Jerez C.A. Heavy metal resistance strategies of acidophilic bacteria and their acquisition: Importance for biomining and bioremediation. Biol. Res. 2017. 46(4): 363. https://doi.org/10.4067/S0716-97602013000400008

45. Sheldon R.A. The E factor: fifteen years on. Green Chem. 2007. 9(12): 1273. https://doi.org/10.1039/b713736m

46. Tsitsishvili V., Dolaberidze N., Urotadze S., Alelishvili M., Mirdzveli N., Nijaradze M. Ion exchange properties of Georgian natural zeolites. Chemistry Journal of Moldova. 2017. 12(1): 95. https://doi.org/10.19261/cjm.2017.413




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp10.04.327

Copyright (©) 2019 V. G. Tsitsishvili, N. M. Dolaberidze, M. O. Nijaradze, N. A. Mirdzveli, Z. S. Amiridze