Фотодинамическая очистка воды в системах городского и локального водоснабжения, бассейнах и замкнутых водоемах

Проведены исследования по поиску эффективных красителей для фотодинамической очистки воды с широким спектром действия. С этой целью при использовании  различных мольных соотношений исходных красителей, были  получены  конъюгаты пиридинио(холино)метилфталоцианинов Zn  и  Al с 2-диметиламиноэтиловым эфиром родамина 4С с различной степенью замещения n. Красители со степенью замещения n>4 теряют растворимость в воде. Осуществлен синтез коньюгата безметального фталоцианина и его алюминевого комплекса со спиролактамом родамина 6Ж. Полученные конъюгаты обладают хорошей растворимостью в таких органических растворителях как толуол, хлороформ, но, даже находясь в ионной форме, не растворимы в воде. В конъюгатах фталоцианинов с родаминами наблюдается внутримолекулярный перенос энергии возбуждения от родаминовой части молекулы (донор) к фталоцианиновой (акцептор). Перенос энергии проявляется в том, что при возбуждении  молекулы коньюгата светом в максимуме полосы поглощения донора (558, 528 нм) наблюдается двухполосная люминесценция и донорной (560-570 нм) и акцепторной (690-705 нм) частей молекулы.

В процессе разработки технологии получения профлавина ацетата на двух видах сырья показано, что очистка основания профлавина переосаждением из 5%-ной уксусной кислоты позволяет не только избежать расхода этилового спирта, но также увеличивает выход профлавина ацетата в ~ 1.5 раза. Разработана технология и составлена лабораторная пропись «Получение профлавина ацетата» с исключением растворителя этанола.

Разработана лабораторная методика получения фталоцианина цинка. Выход фталоцианина цинка по методике составляет 69.2% относительно ацетата цинка и 54.7% относительно фталонитрила. Полученный по разработанной методике фталоцианин цинка отличается высокой степенью чистоты.

Проведена наработка 12 экспериментальных образцов сенсибилизаторов акридинового и фталоцианинового ряда.

Определены значения рКа и проведена оценка относительного содержания кислотно-основных форм акридиновых красителей при рН, наиболее характерных для воды р. Москвы. Установлено, что при рН 8 и 8.5 в водном растворе акридиновые красители присутствуют главным образом в монопротонированной форме. Однако при рН 8.5 равновесное содержание основной формы для некоторых красителей уже сопоставимо с содержанием монокатиона.

Изучено влияние рН на растворимость и спектры поглощения профлавина ацетата. Растворимость катионной формы профлавина ацетата в воде (~5·10^-3 моль/л) на порядок выше, чем растворимость нейтрального основания (~ 2·10^-4 моль/л).

Изучено совместное влияние концентрации красителя  и рН водных растворов на электронные спектры поглощения метиленового голубого и катионных фталоцианинов (ZnPcCholm₈  и ZnPcPym₈). Показано, что при концентрациях выше 10^-3 Моль/л в широком интервале рН для всех трех красителей в буферных растворах наблюдается рост их ассоциации (димеризации).

Исследована относительная активность ряда водорастворимых фталоцианинов цинка и алюминия в процессе фотосенсибилизированного окисления триптофана. Установлено, что катионные окта-замещенные фталоцианины цинка и алюминия обладают более высокой сенсибилизирующей активностью по сравнению с соответствующими фталоцианинами, содержащими отрицательно заряженные заместители. Исследованные фталоцианины сенсибилизируют окисление триптофана главным образом по механизму типа II с участием синглетного кислорода.

Механизм фотодеструкции акридиновых красителей зависит от их концентрации, о чем свидетельствует зависимость от концентрации эффективности фотодеструкции и состава продуктов фотолиза. Установлено, что квантовый выход фотодеструкции профлавина ацетата в воде при изменении концентрации от 1´10^-5 до 6´10^-4 увеличивается в ~ 4 раза. При концентрациях 5´10^-6 - 1´10^-5 моль/л, используемых для фотодинамической очистки воды, первичными продуктами фотоокисления акридиновых красителей являются  пероксиды, которые в отсутствии облучения устойчивы в течение нескольких суток. Получена зависимость квантового выхода фотоокисления профлавина от рН. При переходе к рН > 8 фотостабильность профлавина резко снижается вследствие существенно более низкой устойчивости его основания.

Проведены испытания хранением в твёрдом состоянии (в инертной атмосфере и в присутствии воздуха) при комнатной и пониженной (~8°) температурах, а также в водных растворах  сенсибилизаторов для фотодинамической очистки воды: пиридиниометил - замещённых фталоцианинов цинка и алюминия, метиленового голубого и профлавина ацетата. Установлено, что при хранении сенсибилизаторов в разбавленных водных растворах (~10^‑5 моль/л) в темноте в течение двух недель интенсивность их поглощения снижается, максимально на~18 % для профлавина ацетата. Хранение пиридинио-метилзамещённого фталоцианина цинка, метиленового голубого и профлавина ацетата в течение семи месяцев в концентрированных растворах (~10^‑3 моль/л) в темноте практически не приводит к уменьшению их экстинкции. В сухом состоянии исследуемые сенсибилизаторы можно хранить не только в инертной атмосфере и при пониженных температурах, но и при комнатной температуре в присутствии воздуха в герметично закрытых ёмкостях.

Синтезирован ряд образцов гетерогенного сенсибилизатора AlPcPym₆ на катионообменной смоле КУ-2-8, различающихся степенью нанесения активной фазы на носитель. Испытания в процессе обеззараживания воды показали, что эффективность гетерогенного сенсибилизатора зависит от степени нанесения активной фазы (AlPcPym₆) на носитель. Установлено, что оптимальная степень нанесения составляет около 0.15 мг AlPcPym₆ на 1 г КУ-2 - 8. Синтезированы экспериментальные образцы гетерогенных сенсибилизаторов с оптимальной степенью нанесения активной фазы: метиленовый голубой на КУ-2-8-4С; акридиновый желтый на КУ-2-8-4С; акридиновый желтый на алюмосиликате АС-230Ш. Исследована фотоустойчивость сенсибилизаторов на носителях. Установлено, что фотостабильность гетерогенизированных на смоле КУ 2 – 8 катионных фталоцианинов цинка и алюминия увеличивается в 2 раза  в сравнении с гомогенным вариантом. Гетерогенизация акридинового желтого на алюмосиликат АС-230Ш не влияет на его фотодеструкцию. Исследована активность полученных сенсибилизаторов в отношении обеззараживания воды реки Москвы. Установлено, что при отсутствии перемешивания на солнечном свету исследованные гетерогенные сенсибилизаторы не проявляют выраженной активности  в процессе фотообеззараживания воды р. Москвы. С использованием биолюминесцентного теста установлено, что акридиновый желтый на носителе АС-230Ш, а также ZnPcPym₈ и ClAlPcPym₈ на КУ-2-8-4С  не проявляют антибактериальную фотоактивность по отношению к грамотрицательным бактериям E. Coli pXen7.

Катионные производные фталоцианинов в субмикромолярных концентрациях (0.5-1 мкМ) проявляют высокую эффективность в фотодинамической инактивации грамотрицательных бактерий (по тесту биолюминесценции) и дрожжей. Установлена низкая эффективность анионного сенсибилизатора Фотосенса (сульфированный фталоцианин алюминия) по сравнению с катионными фталоцианинами в отношении  условно-патогенных, патогенных микроорганизмов и дрожжей. На примере фотодинамического обеззараживания бактериального биосенсора и дрожжей установлено, что количество катионных заместителей (пиридиниометил- , β-гидрокси - этилдиметиламмониометил-) оказывает существенное влияние на фототоксичность катионных фталоцианинов алюминия. Получен следующий ряд фототоксичности: AlPcPym₈ > АlPcCholm₈ > AlPcCholm₆ >AlPcPym₆ >AlPcPym₄. Установлена концентрация ZnPcHolm₈ 2 мг/л, которая при температуре 23⁰С эффективна (100%) в отношении воздействия на  неферментирующие грамотрицательные палочки  (Pseudomonas aeruginosa), эшерихии, сальмонеллы и энтерококки. Подтверждена высокая (снижение уровня на 3-4 порядка, за исключением спор сульфитредуцирующих клостридий) фотодинамическая активность ZnPcPym₈ в отношении микроорганизмов естественного микробиоценоза сточных вод. Обнаружено снижение фотобактерицидной активности ZnPcPym₈ при длительном хранении.

С целью использования для фотодинамической обработки естественного солнечного света был обоснован выбор двух композиций сесибилизаторов - профлавин ацетат с метиленовым голубым и профлавин ацетат с октакиспиридиниометил-фталоцианином цинка. Лабораторные испытания показали фотобактерицидную эффективность смесей сенсибилизаторов вплоть до субмикромолярных концентраций. На музейных культурах микроорганизмов проведены сравнительные исследования фотодинамической эффективности смесей сенсибилизаторов профлавина ацетата  (0.5 мг/л) и метиленового голубого (0.5 мг/л), профлавина ацетата (1 мг/л) и метиленового голубого (1 мг/л), профлавин ацетат (0.5 мг/л) и ZnPcPym₈ (1 мг/л). В условиях эксперимента все смеси были эффективны на 100 % в отношении Е сoli 1257 и кишечных энтерококков, снизили на один порядок уровень Pseudomonas aeruginosa. В отношении Salmonella enteritidis и Staphilococcus aureus из исследованных композиций наиболее эффективна смесь профлавин ацетат (0.5 мг/л) и ZnPcPym₈ ( 1 мг/л). Смесь сенсибилизаторов профлавин ацетат (0.5 мг/л) и ZnPcCholm₈ (1 мг/л) проявляет 100%-ю фотобактерицидную эффективность по отношению к условно-патогенным и патогенным музейным культурам и не дает реактивацию.

Детально исследовано влияние сенсибилизаторов и продуктов их фотолиза на санитарный режим водоема. Экспериментально показано, что профлавин ацетат, метиленовый голубой и фталоцианин цинка вызывают торможение процессов биохимического потребления кислорода и не оказывают существенного влияния на процессы минерализации азотсодержащих соединений. Пороговая концентрация профлавина ацетата по общесанитарному признаку вредности составляет 0,1 мг/л, метиленового голубого – 0,05 мг/л, фталоцианина цинка – 0,05 мг/л. Продукты фототрансформации сенсибилизаторов оказывают более выраженное влияние на процессы самоочищения водоемов. Пороговая концентрация продуктов фотолиза профлавина ацетата по общесанитарному признаку вредности установлена на уровне 0,025 мг/л, метиленового голубого – 0,01 мг/л, фталоцианина цинка – 0,01 мг/л.

Профлавин ацетат, метиленовый голубой и октакиспиридиниометилфталоцианин цинка при перкутанном воздействии не обладает местным раздражающим действием. Не выявлено кожно-резорбтивное действие по смертельным эффектам и накоплению в органах. LD₅₀ при нанесении на кожу для профлавина ацетата >> 2000 мг/кг, метиленового голубого - >> 6000 мг/кг, октакиспиридиниометилфталоцианина цинка - >> 6000 мг/кг. Согласно классификации токсичности веществ по смертельным эффектам  исследованные сенсибилизаторы относятся к 4 классу токсичности.

Метиленовый голубой не оказывает цитогенетического или цитотоксического действия в клетках костного мозга, толстой кишки и мочевого пузыря крыс при введении в дозах 0.01, 0.05 и 0.25 мг/кг в течение 4-х месяцев. Выявлено цитотоксическое действие продуктов фототрансформации метиленового голубого в дозах 0.01 и 0.05 мг/кг и цитогенетическое действие в дозе 0.05 мг/кг на эпителий толстой кишки крыс. Профлавин ацетат в дозах 0.01, 0.05 и 0.25 мг/кг и продукты его фототрансформации в дозах 0.01 и 0.05 мг/кг не вызывают цитогенетического действия в клетках костного мозга, толстой кишки и мочевого пузыря крыс при воздействии в течение месяца.

По структурно – функциональным показателям воздействие метиленового голубого в дозах 0.25 и 0.05 мг/кг оказывает выраженное вредное воздействие на печень и 12 – перстную кишку, тогда как его действие на почку расценивается как минимально  обнаруживаемый вредный эффект. Доза метиленового голубого, равная 0.01 мг/кг – недействующая.

Проведен эксперимент по изучению хронической токсичности профлавина ацетата и продуктов его фотолиза на лабораторных животных длительностью 4 месяца. Оценка хронического действия препаратов произведена по 12 показателям. Доза профлавина ацетата, равная 0.01 мг/кг – пороговая.

Октакиспиридиниометилфталоцианин цинка по острой токсичности (ЛД₅₀ ~ 3500  мг/кг)  и по способности к кумуляции (индекс кумуляции I _кум = 0.07) относится к 3 классу опасности.

Методом ЭПР изучена возможность образования долгоживущих радикалов при фотовозбуждении пяти фотосенсибилизаторов  - октакис(пиридиниометил) фталоцианина хлор­алюминия октахлорида, октакис(N‑2‑гидроксиэтил)-N,N‑диметиламмонио)метил)­фталоцианина цинка октахлорида, метиленового голубого и профлавин ацетата - в воде реки Москвы. Установлено, что образование стабильных радикалов при фотодинамической обработке воды не наблюдается (концентрация радикалов менее ~5´10^‑8моль/л).

Анализ данных литературы показал, что метиленовый голубой и ряд других красителей в ходе фотохимической реакции могут вызывать трансформацию не только биомолекул, но и промышленных веществ, находящихся в воде. Обоснован перечень модельных веществ для экспериментального изучения закономерностей  трансформации веществ  под действием фотосенсибилизаторов при освещении, в который входят циклогексен, этилбензол и ДДТ.

По влиянию на органолептические свойства воды пороговые концентрации составляют: для метиленового голубого – 0.012 мг/л, профлавина ацетата – 0.012 мг/л, продуктов фотодеструкции метиленового голубого – 0.024 мг/л, продуктов фотодеструкции профлавина ацетата – 0.047 мг/л.

Минимальные недействующие дозы для метиленового голубого, профлавина ацетата и продуктов их фотолиза не установлены. Дозы 0.002 мг/кг можно рассматривать как пороговые.

По санитарно – токсикологической принадлежности красителей и продуктов их фотодеструкции ориентировочные значения ПДК для метиленового голубого и профлавина ацетата рекомендованы на уровне 0.01 мг/л.

Проведенные исследования токсикологических свойств сенсибилизаторов и продуктов их фотодеструкции позволяют  рекомендовать проведение производственных испытаний метиленового голубого и профлавина ацетата как сенсибилизаторов для фотодинамической очистки воды.

Проведены натурные эксперименты по фотодинамическому обеззараживанию пруда в г. Москве по ул. Гончарова, д. 8. Эксперименты показали эффективность метода при солнечной инсоляции. Установлено увеличение бактериального загрязнения после дождя и поступления поверхностного стока. Целесообразно продолжить натурные эксперименты для оптимизации условий применения сенсибилизаторов и оценки перспективности использования фотодинамической обработки открытых водоемов с учетом экономических показателей и воздействия на окружающую среду.

Разработана новая технология получения углеродных сорбентов на основе Российских растительных и минеральных материалов, выбраны режимы карбонизации и активации активированных углей. Оптимизированы условия адсорбции сенсибилизаторов профлавина ацетата и метиленового голубого в статических и динамических условиях. Изучен процесс десорбции сенсибилизаторов физико-химическим методами. Установлено, что сорбенты можно регенерировать физическим методом. Лабораторные испытания сорбента серии АН-К показали его более высокую адсорбционную емкость по сравнению с углем марки Гидросорб – 5 по метиленовому голубому, профлавину ацетату и иоду. Наработано 5 кг угля АН-К для опытной установки для фотодинамической очистки воды.

Исследована относительная эффективность обработки воды в блоке освечивания опытной установки при разных режимах его работы. Установлено, что при переходе от периодического к проточному режиму обработки воды в блоке освечивания эффективность фотообеззараживания снижается. Проскок необработанной воды на выход установки в проточном режиме составляет около 5%.

Осуществлена модернизация блока освечивания опытной установки. Герметизация ламп термоусадочными рукавами заменена их размещением в пластиковых трубах. Предварительные испытания модернизированного блока показали более эффективное обеззараживание воды.

Проведены работы по автоматизации опытной установки для фотодинамической очистки воды:  изготовлен блок управления установкой от персонального компьютера. В составе блока управления созданы микроконтроллер, блок питания, блок коммутации, блок индикации, блок дискретных входов, блок счетных входов; разработано программное обеспечение для персонального компьютера и рабочий алгоритм для микроконтроллера. Проведены двухнедельные испытания круглосуточной работы опытной установки, которые показали работоспособность установки в автоматическом режиме. Испытания автоматизированной установки проведены по трем схемам:  с предварительным осветлением воды 1) коагулированием и фильтрацией через песок; 2) фильтрацией речной воды через песок без коагуляционной обработки; 3) фильтрацией речной воды через песок с меньшей скоростью. Установлено, что степень осветления воды перед подачей на фотодинамическую стадию имеет большое значение для надежности очистки воды как от химического, так и от бактериологического загрязнения. Из трех испытанных схем обработки воды только схема с предварительным коагулированием обеспечивает на выходе качество питьевой воды по всем показателям. С простой фильтрацией через песок цветность на выходе технологической схемы превышает норматив вследствие повышенного содержания в воде гуминовых и фульвокислот, иногда наблюдается проскок сульфитредуцирующих клостридий. При использовании в качестве исходной речной воды, отфильтрованной через песок, в большинстве случаев подтверждается улучшение при фотодинамической обработке общего микробного числа. Существенно улучшаются также такие бактериологические показатели, как общие колиформные бактерии, термотолерантные колиформные бактерии и колифаги. Использование песчаного и угольных фильтров совместно с фотодинамической стадией позволяет также практически избавиться от сульфитредуцирующих клостридий. Выявлено вторичное микробное обрастание емкостей установки. Намечены мероприятия для снижения микробного роста, включающие а) изменение конструкции установки; б) тщательную подготовку установки к работе, в том числе дезинфекцию емкостей и соединительных трубопроводов.

Создана экспериментальная установка для фотодинамической очистки воды непрерывного действия с протоком воды через три последовательных блока освечивания.

Окружающая среда,  ЖКХ

Преимущества перед аналогами