ES2288015T3 - Metodo de purificacion de agua. - Google Patents

Abstract

Método que es para eliminar los microorganismos del género Cryptosporidium del agua y comprende el paso de poner al agua en contacto con un medio que consta esencialmente de alúmina particulada que tiene un diámetro que está situado dentro de la gama de valores que va desde 15 mm hasta 0, 05 mm, conteniendo dicha alúmina grupos Al-OH superficiales que están presentes en una proporción media de 1 grupo hidroxilo por cada 0, 25 nm2 a 1 grupo hidroxilo por cada 0, 18 nm2 de área superficial, por espacio de un periodo de tiempo de 5 segundos a 1 hora, para efectuar al menos una reducción dos log de los Cryptosporidium presentes en el agua por adsorción de los mismos en dicha alúmina.

Description

Método de purificación de agua.

Ámbito técnico

La presente invención se refiere a un método de purificación de agua. Más en particular, la presente invención se refiere a la eliminación de Cryptosporidium del agua.

Antecedentes de la técnica

La presencia de patógenos microbianos en las aguas tales como las de los ríos, los embalses y las piscinas y el agua de mar, donde es probable que se produzca contacto con los seres humanos, o en el agua destinada a entrar en contacto con los seres humanos o los animales y/o a ser consumida por los seres humanos o los animales, constituye un riesgo potencial con la posibilidad de redundar en enfermedad, discapacidad o incluso la muerte cuando estos patógenos son fortuitamente ingeridos por humanos o animales. En consecuencia, existe una variedad de métodos para su eliminación a fin de hacer que el agua contaminada se convierta en inocua para el contacto con y/o el consumo por los
humanos.

Los métodos conocidos para eliminar los patógenos del agua contaminada incluyen la filtración mecánica, o sea la exclusión física basada en el tamaño de los contaminantes microbianos, el tratamiento químico tal como la cloración y la ozonización, y la electrólisis, que genera oxidantes que son fatales para los patógenos.

Los microorganismos del género Cryptosporidium pueden sobrevivir hasta seis meses en un ambiente húmedo, y se ha sabido de los mismos que contaminan las piscinas públicas. Han sido descritos varios brotes de criptosporidiosis debidos a piscinas contaminadas. La contaminación se debe habitualmente a accidentes fecales en la piscina, y puede ser rápida la propagación de la infección entre los usuarios de la piscina. Esto se debe en parte a la ineficacia de los actuales procedimientos de desinfección. Al no supervisarse normalmente en las piscinas la presencia de Cryptosporidium, la evidencia epidemiológica incriminadora es invariablemente la que hace que se llegue a tener consciencia de la existencia del problema. En muchos casos la criptosporidiosis se manifiesta en forma de diarrea infecciosa con riesgos de complicación en la población inmunocomprometida o que sufre de inmunosupresión, como son por ejemplo los muy jóvenes, los de muy avanzada edad, los receptores de trasplantes y los sometidos a inmunoterapia.

En el caso del agua sucia, los oocistos de Cryptosporidium pueden ser eliminados mediante procesos de tratamiento de agua convencionales durante la producción de agua potable. Estos procesos suponen una coagulación con coagulantes tales como cloruro férrico o alumbre seguida por una adición de polielectrólitos como adyuvantes de los coagulantes y en algunos casos adyuvantes a la filtración orgánicos poliméricos de alto peso molecular. El material coagulado es retirado ya sea por sedimentación o bien mediante filtración a través de filtros de arena.

Los procesos de tratamiento de agua no son completamente fiables para la eliminación de los oocistos de Cryptosporidium, y en muchos casos los oocistos se abren paso a través de la instalación pasando al sistema de reticulación. En consecuencia, se procede a añadir al agua filtrada desinfectantes convencionales tales como cloro u ozono antes de la reticulación como precaución a fin de destruir algunos microorganismos patogénicos comunes de los que van en el agua y que puedan haberse abierto paso a través de la instalación de tratamiento de agua. Sin embargo, los oocistos de Cryptosporidium no se ven afectados por estos desinfectantes.

Por añadidura, siempre es posible que entre la instalación de tratamiento de agua y el usuario doméstico sean introducidos microorganismos viables. Esto puede producirse debido a la infiltración de aguas cloacales.

Por consiguiente, los oocistos de Cryptosporidium que entran en el sistema de reticulación constituyen una extremadamente seria preocupación en el terreno de la salud pública puesto que no hay cura para la criptosporidiosis.

Además del agua potable, el agua de las piscinas y las piscinas de balnearios y otras aguas recreativas pueden contener Cryptosporidium principalmente debido a la contaminación fecal introducida por los usuarios de las piscinas, así como posiblemente al agua potable que se usa en las piscinas.

Normalmente en las piscinas y en los balnearios el agua es filtrada continuamente a través de filtros de arena para retirar el material particulado, y es desinfectada mediante adición de cloro seguida por recirculación. En algunos casos se añaden bajas concentraciones de coagulantes inorgánicos para optimizar la eliminación de sólidos. Sin embargo, si se produce contaminación por Cryptosporidium, puede no ser completamente eficaz la eliminación mediante filtración o coagulación/filtración a través de filtros de arena. La detección de oocistos redunda en el cierre de la piscina para el tratamiento del agua, por ejemplo mediante supercloración a un nivel de 3-5 mg/l. No está garantizada la eficacia de la supercloración como tratamiento para desactivar los microorganismos del género Cryptosporidium. Ha sido también puesto ha prueba con éxito variable el uso de otros desinfectantes más fuertes tales como el ozono, el óxido de cloro o mezclas de fuertes oxidantes.

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La Solicitud de Patente FR Nº 2 245 407 describe un método de purificación de agua de piscina o de agua de un sistema de suministro municipal de agua potable. Este método comprende el uso de un llamado biocatalizador que comprende óxido de plata y alúmina finamente divididos.

La Publicación de Patente JP Nº 4158865 menciona la alúmina como ejemplo de sustancia activa que es adecuada para eliminar microorganismos tales como virus y bacterias del agua en la que viven peces y mariscos o crustáceos.

La Publicación de Patente JP Nº 02102780 se refiere a la purificación de agua usando una bolsa permeable al agua y que contiene un adsorbente poroso tal como carbón activo o alúmina en polvo, que es insoluble en el agua.

Así, mientras que hay una serie de procesos que están perfectamente reconocidos para el tratamiento de los recursos hídricos para producir agua potable o para tratar las aguas recreativas, sigue habiendo un importante problema en cuanto a la capacidad de estos procesos para producir agua, y en particular agua potable, que cumpla con las estrictas exigencias legales relativas al contenido de microorganismos patogénicos. Lamentablemente, los procesos de tratamiento de agua convencionales han resultado no ser fiables para la eliminación de dichos microorganismos de los recursos hídricos.

Los presentes inventores han reconocido la decisiva importancia de contar con un método por medio del cual los microorganismos, y en particular los del género Cryptosporidium, que puedan quedar después de los procesos de tratamiento de agua convencionales puedan ser eliminados antes de la distribución del agua potable a los usuarios finales.

Descripción de la invención

Los presentes inventores han descubierto ahora que un medio basado en aluminio y que posea grupos Al-OH superficiales proporciona una manera de eliminar los Cryptosporidium que estén presentes en el agua.

En consecuencia, en un primer aspecto, la presente invención aporta un método que es para la eliminación de los microorganismos del género Cryptosporidium del agua y comprende el paso de poner el agua en contacto con alúmina particulada que contiene grupos Al-OH superficiales por espacio de un periodo de tiempo y en condiciones tales que los de una proporción de los microorganismos del género Cryptosporidium quedan adsorbidos en dicho medio y eliminados del agua.

En un segundo aspecto, la invención contempla el uso de alúmina particulada que contiene grupos Al-OH superficiales en la eliminación de los microorganismos del género Cryptosporidium del agua.

Los presentes inventores creen que por primera vez esta invención aporta una práctica manera de eliminar el peligroso patógeno Cryptosporidium propagado por las aguas usando un proceso que es fácilmente adaptable a los procesos de tratamiento de agua existentes.

Muchos patógenos poseen grupos superficiales activos tales como grupos carboxilato y fosfato asociados a glicoproteínas celulares y que están disponibles para la interacción por ejemplo por medios químicos o electrostáticos al entrar en contacto con grupos superficiales activos de un medio externo. Un patógeno en particular es el Cryptosporidium, del que los presentes inventores han comprobado que posee un valor pk_{a} de 2,5, que sugiere la presencia de grupos cargados negativamente (tales como grupos carboxilato o fosfato) en la superficie del organismo. Estudios adicionales indicaron que se alcanzaba un potencial superficial negativo máximo de alrededor de -27 mV a un pH de más de 5,7 en solución acuosa.

El estrecho contacto entre superficies puede redundar en la formación de enlaces químicos entre sitios superficiales de las superficies que se aproximan. Esto recibe el nombre de quimiosorción y se produce típicamente entre carboxilato, fosfato y los de una amplia de gama de cationes metálicos tales como los de aluminio, calcio, hierro, etc. en los sistemas naturales. La precisa naturaleza de estas interacciones químicas es a menudo compleja pero puede suponer el enlace de ligandos a grupos carboxilato y fosfato en la superficie de los microorganismos. Adicionalmente, las fuerzas de van der Waals generalmente actúan haciendo que los coloides se atraigan uniéndose para quedar en contacto por fuerte adherencia.

Así, en el sentido en el que se les utiliza en la presente, los vocablos "adsorber" y "adsorción" pueden hacer referencia a la quimiosorción o a la adsorción electrostática.

En la invención la alúmina (Al_{2}O_{3}) es hidratada en la superficie para formar grupos Al-OH superficiales. Este material constituye un sustrato químicamente activo para la adsorción directa de adecuadas especies biológicas. Sorprendentemente, los presentes inventores han descubierto que la alúmina hidratada superficialmente tiene la capacidad de fijar fuertemente los microorganismos del género Cryptosporidium. Es sin embargo decisivamente importante que la alúmina esté en la forma adecuadamente hidratada.

La alúmina puede presentarse en las de una serie de formas físicas tales como polvos, granulados, sólidos cristalinos u obleas o discos comprimidos y puede existir en el estado amorfo o bien en forma de \alpha-Al_{2}O_{3} o \gamma-Al_{2}O_{3}.

La alúmina particulada, tal como la que está en las formas en polvo y granuladas, presenta una incrementada área superficial por unidad de volumen y es adecuada para ser puesta en forma de relleno en cartuchos que pueden ser usados en solitario o en conjunción con otros sistemas de filtración. La alúmina en polvo y granular puede ser fácilmente obtenida en distintas gamas de tamaños con diámetros de por ejemplo 15 mm hasta 50 micras (0,05 mm). El tamaño de la alúmina particulada que se use puede variar en dependencia de la aplicación. Solamente a título de ejemplo, una gama de tamaños del particulado que contempla la invención es la que va desde 5 mm hasta 1 mm, como por ejemplo la de 3-2 mm, y más preferiblemente, la de 3 mm a 0,05 mm. Otras gamas de tamaños del particulado son las que van desde 1,5 mm hasta 0,5 mm y desde 1,5 mm hasta 0,05 mm. Aún otra gama de tamaños del particulado que contempla la presente invención es la que va desde 0,5 mm hasta 0,05 mm, y por ejemplo la que va desde 0,3 mm hasta 0,1 mm.

En dependencia de la aplicación, los tamaños de partículas serán en general de entre 500 micras (0,5 mm) y 13 mm. La gama de tamaños más adecuada será seleccionada según el tamaño eficaz y el coeficiente de unifor-
midad.

En el caso del tratamiento de las aguas municipales se preferirían habitualmente los mayores tamaños de partículas, típicamente de más de 1 mm, a fin de alcanzar unos apropiados caudales totales de agua tratada. Sin embargo, pueden hacerse pruebas en instalaciones experimentales para establecer la óptima relación entre el espesor del lecho de alúmina y el tamaño de partículas para asegurar una máxima eliminación manteniendo al mismo tiempo unos altos caudales totales de agua tratada.

Análogamente, en el caso del tratamiento de aguas con finalidades industriales, tal como en la preparación de agua para su uso en la fabricación de comestibles y productos farmacéuticos, se tratarán relativamente grandes volúmenes de agua. En consecuencia, habitualmente se adoptará un enfoque similar al que se adopta en el caso de las aguas municipales. Hay que tener sin embargo presente que en algunas instalaciones de fabricación puede ser deseable el uso de cartuchos de filtro que contengan la alúmina hidratada.

En las aplicaciones tanto de las piscinas municipales como de las piscinas privadas puede ser apropiado usar partículas más finas, de digamos entre 0,5 y 2 mm, para maximizar la colisión y captura de los microorganismos del género Cryptosporidium por parte de las partículas.

En la purificación del agua doméstica sería apropiado usar los tamaños de partículas más pequeños tanto para minimizar el tamaño del dispositivo de filtración como para alcanzar la máxima superficie específica asegurando al mismo tiempo que se vean minimizadas las caídas de presión a través del cartucho de filtro que contiene la alúmina.

Queda dentro del alcance de esta invención la utilización de la alúmina hidratada como parte de un lecho filtrante mixto. En esta forma, la alúmina hidratada es generalmente dispuesta en el lado de aguas abajo del agua entrante. De esta manera, el agua habrá sido preferiblemente tratada de manera convencional antes de establecer contacto con la alúmina tratada. El experto en la materia comprenderá que el lecho filtrante mixto puede incluir lechos discretos de alúmina hidratada de distintas gamas de tamaños de partículas.

Es también importante comprender que en algunas aplicaciones puede ser permisible utilizar lechos de alúmina hidratada que sean alimentados por gravedad.

A fin de maximizar la capacidad adsortiva de la alúmina hidratada para los microorganismos del género Cryptosporidium, el lecho de alúmina será preferiblemente usado como filtro de segunda filtración. Así, en algunas realizaciones de la presente invención se contempla que la alúmina hidratada será usada como "monofiltro" de segunda filtración aparte después de los filtros convencionales que retiran los flóculos del agua sucia floculada. En esta configuración es más fácil quitar el filtro de la tubería al estar el mismo agotado a fin de regenerar químicamente la alúmina. Hay que tener presente que puede haber algunas aplicaciones en las que pueda usarse la alúmina con poco o ningún tratamiento previo del agua entrante.

Antes de poner al agua en contacto con la alúmina hidratada, en el caso del tratamiento de las aguas municipales tanto la turbidez como el color se eliminan habitualmente mediante la adición de adecuados coagulantes inorgánicos y polielectrólitos orgánicos. Si el agua municipal es dura, preferiblemente el agua será ablandada mediante ablandamiento con cal, ablandamiento con sosa comercial y cal o tratamiento con exceso de cal.

Además, la alúmina hidratada puede ser usada para el tratamiento del supernatante del agua de barrido en la preparación de agua municipal, asegurando así que sean eliminados los microorganismos del género Cryptosporidium. El agua de barrido es generada en las instalaciones de tratamiento de aguas al invertir el flujo de agua a través de un filtro a fin de eliminar el material atrapado. El agua de barrido es normalmente decantada y el supernatante puede ser enviado de regreso a la entrada de la instalación.

En una situación de tratamiento de agua doméstica, el agua habrá sido ya tratada mediante los procesos normales que han sido descritos anteriormente. Sin embargo, siempre es posible que puedan quedar en la corriente de suministro de agua o puedan ser introducidos entre la instalación de tratamiento de agua y el usuario doméstico microorganismos viables. Esto puede ocurrir si por ejemplo se da una infiltración de aguas cloacales en el sistema de reticulación.

Si bien el agua de piscina no está clasificada como agua potable, es importante mantener dentro de límites normalizados su contenido de microorganismos. Esto es particularmente importante en el caso de las piscinas públicas y los balnearios. A fin de mantener la calidad del agua, el agua de las piscinas es convenientemente sometida a filtración y desinfección. Al ser el cloro ineficaz como desinfectante contra Cryptosporidium, es importante poder retirar estos microorganismos del agua de piscina al ser el agua filtrada antes de la recirculación.

Una ventaja de la presente invención es la de que la misma puede ser fácilmente utilizada como elemento adjunto a las existentes instalaciones de tratamiento de agua. Como se ha mencionado anteriormente, en las de la mayoría de las aplicaciones el lecho de alúmina hidratada será usado como filtro final de segunda filtración. Esto permite mejorar una instalación de tratamiento de agua ya existente acoplándole posteriormente una etapa adicional después de las actuales etapas de tratamiento de agua.

El medio basado en aluminio, y preferiblemente la alúmina hidratada, puede ser dispuesto como relleno en el interior de un adecuado cartucho de filtración de gran caudal, y puede ser por ejemplo usado como etapa final en un grupo de filtración y bombeo de una piscina. Como alternativa, tales cartuchos pueden ser usados directamente en conjunción con un sistema de recirculación de agua doméstica. En esta forma, el cartucho puede ser acoplado al grifo o a los grifos del cual o de los cuales deba sacarse agua potable, o a la entrada del sistema de suministro de agua municipal.

En una situación doméstica, puede ser también apropiado usar un lecho de alúmina hidratada contenido dentro de un cartucho en el que la alimentación se efectúa por gravedad. En esta situación, el agua es simplemente aportada por gravedad pasando a través de un cartucho que está abierto para recibir el agua por un extremo y que en el otro extremo deja salir el agua para que la misma pase al interior de un recipiente receptor. Como alternativa, la alúmina hidratada puede estar contenida en una bolsa permeable al agua. En esta situación, la bolsa que tiene la alúmina hidratada es sumergida en un recipiente de agua a tratar por espacio de un adecuado periodo de tiempo de contacto.

Para las de la mayoría de las aplicaciones, será mínimo el tiempo de contacto entre el medio basado en aluminio y el agua a tratar. Típicamente serán suficientes para lograr una eliminación normal unos tiempos de contacto de entre aproximadamente 5 segundos y 1 hora. Sin embargo, el tiempo de contacto es dependiente de una variedad de factores que son aplicables a cada situación de uso, tales como el grado de contaminación, la superficie específica disponible en la alúmina para el contacto con el agua, es decir, el tamaño de partículas y el volumen de la alúmina, la densidad superficial de grupos hidroxilo y el caudal de agua que pasa por sobre la alúmina o a través de la misma. El experto en la mate-
ria comprenderá que mediante apropiadas pruebas y evaluaciones puede establecerse un adecuado tiempo de contacto.

Cuando la superficie de la Al_{2}O_{3} está en esencia plenamente hidratada, la proporción media de grupos Al-OH superficiales por nm^{2} de área superficial es de 1 grupo hidroxi por cada 0,18 nm^{2} a 1 grupo hidroxi por cada 0,25 nm^{2}. La alúmina plenamente hidratada es sumamente eficaz para la eliminación de especies biológicas.

Debido a la naturaleza de la superficie de la alúmina, la alúmina activada (alúmina deshidratada) aún contiene algunos sitios hidroxilados, como por ejemplo menos de 1 grupo hidroxi por cada 10 nm^{2}. Sin embargo, este material es ineficaz para la eliminación de Cryptosporidium del agua contaminada. La introducción de grupos Al-OH superficiales en la alúmina activada se ve favorecida termodinámicamente y puede lograrse mediante métodos de hidratación que son conocidos para los expertos en la materia, siendo así que por ejemplo la alúmina activada puede ser impregnada con agua por espacio de un prolongado periodo de tiempo. Un segundo método supone un tratamiento con hidróxido sódico (NaOH) donde la superficie superior de la alúmina es disuelta permitiendo así que se formen otros grupos hidroxilo. En un tercer método, la alúmina activada puede ser tratada mediante exposición a luz ultravioleta en presencia de vapor de agua. Este proceso produce ozono que rompe el enlace Al-O-Al permitiendo la formación de Al-OH. En un cuarto método la alúmina activada es tratada con peróxido, el peróxido produce un radical hidroxilo que ataca al enlace Al-O-Al permitiendo la formación de Al-OH. Estos métodos pueden ser controlados para introducir la deseada frecuencia de grupos Al-OH en el área superficial. Tan sólo a título de ejemplo, la superficie de la alúmina puede ser hidroxilada mediante tratamiento de la alúmina en 1 x NaOH 10^{-2}M o en H_{2}O_{2} al 30% en peso/volumen por espacio de más de una hora o mediante tratamiento con ozono en presencia de vapor de agua.

En términos generales, el funcionamiento de la invención redundará en al menos una reducción 2 log de la especie biológica presente en el agua. En el contexto de esta memoria descriptiva, una reducción log se refiere a una reducción de 10 veces. Por ejemplo, si hubiese 1000 microorganismos por ml en una muestra de agua, una reducción 2 log redundaría en que quedarían 10 microorganismos. Preferiblemente habrá una reducción 3 log, y con la máxima preferencia habrá una reducción 4 log. Se prefiere especialmente que la invención funcione de forma tal que haya al menos una reducción 5 log, y en particular una reducción 6 log. La eliminación de la proporción de la especie biológica puede lograrse en un tratamiento, o bien opcionalmente puede repetirse el proceso de poner el agua contaminada en contacto con la superficie con Al-OH para lograr el deseado nivel de eliminación de la especie biológica del agua.

Como describen los Ejemplos siguientes, se comprueba que los oocistos de Cryptosporidium quedan fuertemente adsorbidos en las superficies de alúmina que contienen grupos Al-OH superficiales. Los resultados indican que una vez que tiene lugar la adsorción en la alúmina, los oocistos son muy resistentes a la desorción incluso en soluciones de elevados valores pH, donde las superficies quedarán más negativamente cargadas. Tal independencia con respecto al pH constituye una salvaguarda del proceso porque los oocistos no serán liberados al agua debido a pequeñas variaciones del pH.

Parece que la alúmina es un sustrato específico para la adsorción de los oocistos de Cryptosporidium. La capa de oocistos adsorbidos parece ser estable y resistente a la desorción con el pH y el tratamiento con EDTA (EDTA = ácido etilendiaminotetraacético). Sin pretender que la invención quede limitada por la teoría, la adsorción de Cryptosporidium puede ser debida a una quimiosorción específica entre la superficie de la alúmina y los grupos carboxilato o fosfato o algunos otros grupos que están presentes en la superficie de los oocistos.

Modos de realizar la invención

Se describe a continuación la invención haciendo referencia a los siguientes Ejemplos no limitativos y Figuras. En estos ejemplos se describe la eliminación de Cryptosporidium del agua.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 representa una micrografía electrónica de un oocisto de Cryptosporidium.

La Figura 2 es una representación gráfica de la variación del potencial zeta de los oocistos de Cryptosporidium en NaCl 10^{-3}M en función del pH.

La Figura 3 es una fotografía de oocistos de Cryptosporidium adsorbidos sobre obleas de alúmina pulida.

La Figura 4 representa esquemáticamente una comparación de tamaños entre los oocistos de Cryptosporidium y esferas de sílice o alúmina individuales.

La Figura 5 representa esquemáticamente la retención de oocistos de Cryptosporidium en columnas de sílice y alúmina con relleno y sin relleno.

La Figura 6 es una fotografía de la superficie ópticamente lisa de una oblea de alúmina que tiene unas pocas partículas de polvo extrañas.

La Figura 7 representa gráficamente los niveles en el permeado de oocistos de Cryptosporidium adsorbidos tras repetidos lavados a través de una columna de sílice.

La Figura 8 representa gráficamente los niveles en el permeado de oocistos de Cryptosporidium adsorbidos tras repetidos lavados a través de una columna de alúmina.

Ejemplos Materiales y Métodos

Las muestras de oocistos de Cryptosporidium bovinos irradiados con radiación \gamma fueron suministradas por la Australian Water Technologies (AWT) a una concentración de 5 x 10^{6} y 3 x 10^{8} oocistos/ml en agua destilada que se tuvo almacenada a 4ºC antes de su uso.

El agua que fue usada en este estudio se hizo a partir de agua corriente que fue pasada a través de un dispositivo Memtec Krystal Kleen^{TM} (TM = marca de fábrica) que usa un proceso de purificación en tres etapas (prefiltro, ósmosis inversa y carbón vegetal activado) antes de ser destilada, recogida y almacenada en una cámara de flujo laminar exenta de polvo y a presión positiva para impedir la contaminación propagada por el aire.

La alúmina pura (\alpha-Al_{2}O_{3}) en forma de discos planos y ópticamente lisos de 10 cm fue obtenida de la Silica Source Technology, de Temple, Arizona, EE.UU.

La alúmina en polvo (de 63-200 \mum de diámetro) fue suministrada por la Merck (art. 1077). La muestra de alúmina fue fraccionada en agua para separar tan sólo las más grandes de las partículas para las investigaciones de separación en columna. La finalidad de seleccionar las partículas más grandes era la de preparar una columna rellena de alúmina en la cual los poros entre las esferas individuales fuesen grandes en comparación con el tamaño del oocisto de Cryptosporidium (véase la Figura 4). Por consiguiente, toda retención de Cryptosporidium sería solamente debida a la adsorción en lugar de a una retención física basada solamente en una exclusión de tamaño. La alúmina fue dispersada en solución acuosa y sacudida y se la dejó que se sedimentase rápidamente, y la fase fina dispersada fue separada por decantación y el material restante fue puesto de nuevo en dispersión. Este proceso fue repetido 20 veces, desechando cada vez el material dispersado hasta que quedaron retenidas solamente las partículas más grandes.

A fin de imitar a un filtro de arena convencional, fueron efectuados experimentos de filtración en columna paralelos usando esferas (de vidrio) Ballotini de diámetros de más de aproximadamente 150 \mum que fueron preparadas de manera similar a lo que se hizo en el caso de las partículas de alúmina. Esto permitió la preparación de columnas con poros suficientemente grandes que impedirían la captura de los oocistos por exclusión de tamaño (véase la Figura 4).

Estudios de Adsorción

Los sustratos de alúmina, inmediatamente tras su limpieza usando irradiación ultravioleta, fueron expuestos directamente a 100 \mul de una solución de 5 x 10^{6} oocistos/ml de Cryptosporidium. Los sustratos tratados fueron puestos en el interior de una cápsula de Petri tapada alojada dentro de otra cápsula de Petri húmeda mayor en un frigorífico por espacio de varias horas dejando que los oocistos quedasen adsorbidos en la superficie. Tras haber transcurrido este periodo de tiempo, el líquido fue separado por decantación y el sustrato fue enjuagado con agua destilada. Todo líquido residual fue retirado por medio de acción capilar usando papel de filtro. Los sustratos fueron luego examinados bajo un microscopio de luz Kombistereo Wild M32 que tenía una gama de aumentos de 162-1000 aumentos usando una fuente luminosa de fibra óptica Intralux 5000. La densidad de adsorción fue fotografiada con una película Kodak 400 flexi clear a una velocidad de película de 200 ASA usando una cámara Nikon.

Separaciones en Columna

(1) Una lechada de las partículas de alúmina del mayor tamaño (preparadas como se ha descrito anteriormente) fue transferida a una columna de cromatografía de vidrio (de un diámetro exterior de 28 mm) que contenía un sinterizado de vidrio del Nº 3 y el líquido sobrante se dejó salir de la columna, dejando una columna con relleno que tenía una profundidad de 5 mm (véase la Figura 5). 100 \mul de la muestra de Cryptosporidium con 3 x 10^{8} oocistos/ml fueron disueltos hasta 25 ml en un frasco graduado, 10 ml de esta solución fueron entonces transferidos a la columna con relleno de alúmina, y se dejó la solución en reposo por espacio de 15 minutos antes de dejarla percolar a través de la alúmina a razón de un caudal de (10 ml/h) al interior de viales de vidrio. Tras haber pasado todo el contenido, la columna fue lavada dos veces con 10 ml de agua destilada dejando que la misma percolase pasando a razón de un caudal similar al de la muestra de Cryptosporidium original. Cada fracción de 10 ml fue recogida, transferida a una célula de microelectroforesis y examinada usando iluminación de campo oscuro. Esto permitió la determinación de la densidad y carga de todas las partículas presentes.

(2) Una lechada de las esferas Ballotini de mayor tamaño fue transferida a una columna de cromatografía de vidrio (con un diámetro exterior de 28 mm) que contenía un sinterizado de vidrio del Nº 3 y se dejó que el líquido sobrante saliese de la columna, dejando una columna con relleno que tenía una profundidad de 5 mm (véase la Figura 5). 100 \mul de la muestra de Cryptosporidium con 3 x 10^{8} oocistos/ml fueron diluidos hasta 25 ml en un frasco graduado, y 10 ml de esta solución fueron entonces transferidos a la columna con relleno de sílice, y se dejó a la solución en reposo por espacio de 15 minutos antes de dejarla percolar a través de la sílice a razón de un caudal de (10 ml/h) al interior de viales de vidrio. Tras haber pasado todo el contenido, la columna fue lavada tres veces con 10 ml de agua destilada dejando que la misma percolase pasando a razón de un caudal similar al de la muestra de Cryptosporidium original. Cada fracción de 10 ml fue recogida, transferida a una célula de microelectroforesis y examinada usando iluminación de campo oscuro. Esto permitió la determinación de la densidad y carga de todas las partículas presentes.

Ejemplo 1 Adsorción Directa sobre Alúmina

La muestra de oocistos de Cryptosporidium que fue suministrada por la AWT tenía 5 x 10^{6} oocistos/ml. Puesto que los oocistos son de aproximadamente 5 \mum de diámetro, el área por oocisto de 1,9 x 10^{-7} cm^{2} significa que el número de oocistos que se requiere para cubrir un sustrato de 1 cm^{2} es de 5 x 10^{6}. En estos estudios hemos usado muestras de 0,1 ml de la muestra original de 5 x 10^{6} oocistos/ml.

Obleas de alúmina pura (\alpha-Al_{2}O_{3}) fueron cortadas a un tamaño apropiado e irradiadas con radiación ultravioleta de (\lambda 185 y 254 mm) por espacio de 1 h en presencia de vapor de agua para eliminar toda contaminación orgánica. La irradiación ultravioleta en presencia de vapor de agua y oxígeno produce ozono y radicales hidroxilo que limpian las superficies de la alúmina convirtiéndolas en hidrofílicas. Tras la irradiación ultravioleta se puso una pequeña gutícula de agua destilada sobre los sustratos para asegurar que las superficies fuesen hidrofílicas, y luego se efectuó secado por soplado bajo una lenta corriente de nitrógeno.

Los sustratos vírgenes fueron examinados bajo un microscopio de luz Kombistereo Wild M32 que tenía una gama de aumentos de 162-1000 aumentos. La oblea de alúmina estaba muy pulida, y por consiguiente tan sólo la contaminación por polvo y la rugosidad del reverso de la oblea nos permitieron enfocar la superficie lisa. La Figura 6 es una fotografía hecha con el microscopio enfocado en la superficie ópticamente lisa que tenía unas pocas partículas extrañas de polvo adheridas a la misma. Esto indicaba que la oblea proporcionaría una excelente superficie ópticamente lisa para las investigaciones de adsorción usando microscopía de luz.

La oblea de alúmina hidratada fue expuesta directamente a 0,1 ml de una solución de 5 x 10^{6} oocistos/ml. El sustrato tratado fue puesto en el interior de una cápsula de Petri tapada y alojada dentro de otra cápsula de Petri húmeda de mayor tamaño en un frigorífico por espacio de varias horas, dejando que los oocistos quedasen adsorbidos en la superficie cargada positivamente. Tras haber transcurrido este periodo de tiempo el líquido fue separado del sustrato por decantación y todo líquido residual fue retirado por medio de acción capilar usando un papel de filtro. El sustrato fue examinado de manera similar a como lo fue el sustrato virgen. Al enfocar la superficie de la alúmina, se observaba una capa uniforme que constituía un revestimiento monocapa de aproximadamente 1/10 de oocistos (véase la Figura 3), lo cual está de acuerdo con la densidad de oocistos original (es decir, de 5 x 10^{6} oocistos), sugiriendo que todos o la mayoría de los oocistos fueron recuperados a partir de la solución por adsorción directa en el sustrato de alúmina.

Para comprobar si los oocistos adsorbidos podían ser fácilmente desorbidos, el sustrato de alúmina recubierto fue puesto en el interior de un vaso tapado que contenía agua destilada por espacio de aproximadamente 20 horas. Tras haber transcurrido este periodo de tiempo, se sacó el sustrato con ayuda de pinzas y todo líquido residual fue retirado mediante acción capilar usando un papel de filtro, y el sustrato fue luego examinado bajo el microscopio. La densidad de adsorción de oocistos no había experimentado variación, lo cual indicaba que los oocistos adsorbidos eran estables en agua a un pH de 5,7. Este resultado es coherente con la observación de que la alúmina está cargada positivamente a este pH. Además, dicho resultado también indica que los oocistos de Cryptosporidium tienen una alta afinidad para con la superficie de alúmina.

Para comprobar si los oocistos permanecerían adsorbidos en los sustratos de alúmina a más altos valores pH, la alúmina recubierta fue puesta en el interior de un tampón con un pH de 9,2. A este pH la alúmina queda cargada negativamente, lo cual podría ocasionar una desorción de los oocistos si la adsorción tuviese un origen puramente electrostático. Sin embargo, tras haber dejado el sustrato recubierto por espacio de 16 horas a este pH el sustrato fue examinado bajo el microscopio, y de nuevo se comprobó que no se producía desorción de los oocistos. Esto podría ser debido a que a este pH el potencial superficial (negativo) es aún demasiado débil como para superar la fuerte atracción de van der Waals, o bien puede ser debido a que una vez que los oocistos han sido adsorbidos quedan formados fuertes enlaces cortos de ligandos entre el aluminio superficial y los grupos carboxilato o fosfato que están presentes en la superficie de los oocistos. Para comprobar si el bajo potencial superficial podría ser la razón de que no se produjese desorción, pusimos el sustrato recubierto en un tampón de pH 10 (donde la alúmina debería adquirir un alto potencial superficial negativo) por espacio de varias horas, y de nuevo no se observó desorción de los oocistos. Esto constituye una adicional evidencia de que la adsorción de oocistos resultante era debida a una relativamente fuerte quimiosorción específica.

Ejemplo 2 Separadores de Columna

Fue elegida para las separaciones en columna (véase la Figura 5) una columna de cromatografía de vidrio (con un diámetro exterior de 28 mm) que contenía un sinterizado de vidrio del Nº 3. A fin de asegurar que los poros del sinterizado de vidrio fuesen lo suficientemente grandes como para permitir a los oocistos de Cryptosporidium pasar a través de los mismos, fue pasada a través del sinterizado de vidrio de la columna sin relleno una muestra de 10 ml de 1,5 x 10^{6} oocistos/ml.

El permeado de la columna fue recogido y transferido a una célula de microelectroforesis y examinado usando iluminación de campo oscuro. Al primer nivel estacionario fueron observadas aproximadamente 125 partículas (oocistos) cargadas negativamente. Esto demostró que los oocistos podían pasar fácilmente a través del sinterizado de vidrio.

(2.2) Sílice Virgen

Las esferas (Ballotini) de sílice fueron fraccionadas a un tamaño de aproximadamente 200 \mum de diámetro como se ha descrito anteriormente. La columna de vidrio fue rellenada hasta una profundidad de 5 mm con las grandes esferas Ballotini fraccionadas. Se dejó que 10 ml de agua destilada percolasen a través de la columna con relleno, y se recogió el permeado. El permeado fue transferido a una célula de microelectroforesis. Esto no tan sólo nos permitió comprobar si el sinterizado era de porosidad suficiente para retener el soporte de sílice, sino que también permitió la determinación de los niveles de fondo. Se comprobó que el sinterizado retenía adecuadamente el soporte de relleno, puesto que el permeado típicamente tenía unas 8 partículas cargadas negativamente en el campo de visión.

(2.3) Columna con Relleno de Sílice

Las esferas (Ballotini) de sílice fueron fraccionadas a un tamaño de aproximadamente 200 \mum de diámetro. Una lechada de estas esferas fue transferida a una columna de cromatografía de vidrio (de un diámetro exterior de 28 mm) que contenía un sinterizado de vidrio del Nº 3, y se dejó que el líquido sobrante saliese de la columna, dejando una columna con relleno que tenía una profundidad de 5 mm. Una muestra de 100 \mul de Cryptosporidium con 3 x 10^{8} oocistos/ml fue diluida hasta 25 ml en un frasco graduado, 10 ml de esta solución fueron entonces transferidos a la columna con relleno de sílice, y se dejó la solución en reposo por espacio de 15 minutos antes de dejarla percolar a través de la sílice a razón de un caudal de (10 ml/h) al interior de viales de vidrio. Tras haber pasado todo el contenido, la columna fue lavada tres veces con 10 ml de agua destilada dejando que la misma percolase a razón de un caudal similar al de la muestra de Cryptosporidium original. Cada fracción de 10 ml fue recogida, transferida a una célula de microelectroforesis y examinada usando iluminación de campo oscuro.

Antes de pasar a través del soporte de relleno, la muestra de Cryptosporidium contenía aproximadamente 75-78 partículas cargadas negativamente en un determinado plano de visión dentro de la célula. Se vio que el permeado que había pasado a través de la columna con relleno tenía aproximadamente 70 partículas cargadas negativamente. Se pasaron tres adicionales lavados de 10 ml a través de la columna para ver si los Cryptosporidium se desorberían o si intervenía un tiempo de retraso en la recuperación de "Cryptosporidium" totales. Se comprobó que los líquidos de lavado primero, segundo y tercero contenían 34, 13 y 8 partículas cargadas negativamente, respectivamente. En la Figura 7 se muestran gráficamente los resultados obtenidos. Esto demuestra que los Cryptosporidium no eran retenidos en el soporte de la columna (es decir que no había evidencia de adsorción), y que por consiguiente los oocistos podían pasar a través del gran espaciamiento intraporos entre las partículas de sílice adyacentes.

(2.4) Alúmina Virgen

La alúmina en polvo fue fraccionada a un tamaño de aproximadamente 200 \mum de diámetro como se describe en el apartado de materiales y métodos. La columna de vidrio fue rellenada hasta una profundidad de 5 mm con la alúmina en polvo fraccionada. Se dejó que 10 ml de agua destilada percolasen a través de la columna con relleno, y se recogió el permeado. El permeado fue transferido a una célula de microelectroforesis y ajustado al primer nivel estacionario. Esto permitió la determinación de si el sinterizado era de porosidad suficiente para retener el soporte de alúmina, así como de los niveles de fondo. Se comprobó que el sinterizado retenía adecuadamente el soporte de relleno, puesto que el permeado típicamente tenía unas 14 partículas cargadas negativamente en todo plano de visión.

(2.5) Columna con Relleno de Alúmina

La alúmina en polvo fue fraccionada a un tamaño de aproximadamente 200 \mum de diámetro como se ha descrito anteriormente. Una lechada de esta alúmina en polvo hidratada fue transferida a una columna de cromatografía de vidrio (de un diámetro exterior de 28 mm) que contenía un sinterizado de vidrio del Nº 3. Se dejó que el líquido sobrante saliese de la columna, dejando una columna con relleno que tenía una profundidad de 5 mm. Una muestra de 100 \mul de Cryptosporidium con 3 x 10^{8} oocistos/ml fue diluida hasta 25 ml en un frasco graduado, 10 ml de esta solución fueron luego transferidos a la columna con relleno de alúmina, y se dejó la solución en reposo por espacio de 15 minutos antes de dejarla percolar a través de la alúmina a razón de un caudal de (10 ml/h) al interior de viales de vidrio. Tras haber pasado todo el contenido, la columna fue lavada dos veces con 10 ml de agua destilada dejando que la misma percolase a razón de un caudal similar al de la muestra de Cryptosporidium original. Cada fracción de 10 ml fue recogida, transferida a una célula de microelectroforesis y examinada usando iluminación de campo oscuro. Esto permitió la determinación de la densidad y carga de todas las partículas presentes.

Antes de pasar a través del soporte de relleno, la muestra de Cryptosporidium contenía aproximadamente 70 partículas cargadas negativamente en un plano determinado dentro de la célula. Comparativamente, se vio que el permeado que había pasado a través de la columna con relleno tenía solamente 4 partículas cargadas negativamente (es decir, un nivel inferior al nivel de fondo) en el plano determinado. Se pasaron a través de la columna dos adicionales lavados de 10 ml para ver si los Cryptosporidium podían ser fácilmente desorbidos. Se comprobó que los líquidos de lavado segundo y tercero contenían solamente una partícula cargada negativamente (véase la Figura 8).

Esto demostró que los Cryptosporidium quedaban retenidos en la columna debido a adsorción, puesto que el espaciamiento intraporos entre las partículas de alúmina adyacentes no habría constituido una barrera tan sólo sobre la base de la exclusión de tamaño. Asimismo, los repetidos lavados proporcionaron una buena evidencia de que los oocistos no podían ser fácilmente desorbidos.

Ejemplo 3

Para investigar los varios métodos de rehidroxilación rápida, la columna fue calentada hasta 610ºC y el polvo fue tratado con H_{2}O_{2} o con NaOH. Este ejemplo constituye una importante contribución a las realizaciones de la presente invención y representa el estado de la técnica. Sin embargo, este ejemplo no forma parte de la presente invención que se reivindica. El polvo fue luego secado en la estufa a 110ºC para retirar el agua superficial, y se comprobó si los finos del polvo flotaban o se hundían. El método que se desarrolló suponía tomar una muestra del polvo sobre el extremo de una espátula, y entonces al aproximar las superficies a un ángulo de 45º el polvo era pasado lentamente a través de la zona interfacial entre el aire y el agua, y la espátula era luego retirada lentamente, y si el polvo no estaba plenamente hidroxilado los finos de polvo flotaban, mientras que si el polvo estaba plenamente hidroxilado se veía mojado y se escurría por el extremo de la espátula.

Alúmina tratada con NaOH

Sometimos a ensayo a los polvos tratados con NaOH 1 x 10^{-5}, 5 x 10^{-4} y 1 x 10^{-2}M por espacio de una hora. Los polvos tratados con NaOH 1 x 10^{-5} y 5 x 10^{-4}M flotaban, mientras que la muestra tratada con NaOH 1 x 10^{-2}M se hundía, indicando que las partículas de alúmina habían pasado a ser hidrofílicas.

Alúmina tratada con H_{2}O_{2}

Sometimos a ensayo a los polvos tratados con H_{2}O_{2} al 10% en peso/volumen por espacio de 1/2 h y 1 h y a los polvos tratados con H_{2}O_{2} al 30% en peso/volumen por espacio de 5, 10, 15, 30, 60, 120 y 225 minutos. Comprobamos que los polvos tratados por espacio de < 1 h flotaban, mientras que los tratados por espacio de periodos de tiempo de más de 1 h se hundían, indicando que estos experimentos demuestran que la hidroxilación de la alúmina puede ser llevada a cabo de manera rápida y eficaz usando el tratamiento con soluciones de hidróxido sódico o de peróxido de hidrógeno.

Dentro de toda esta memoria descriptiva y de las reivindicaciones siguientes y a no ser que el contexto requiera otra cosa, se entenderá que la palabra "comprenden" y variaciones tales como "comprende" y "que comprende(n)" implican la inclusión del paso o entero indicado o del grupo de pasos o de enteros que se indique, pero no la exclusión de cualesquiera otros pasos o enteros o grupos de pasos o enteros.

Claims (11)

1. Método que es para eliminar los microorganismos del género Cryptosporidium del agua y comprende el paso de poner al agua en contacto con un medio que consta esencialmente de alúmina particulada que tiene un diámetro que está situado dentro de la gama de valores que va desde 15 mm hasta 0,05 mm, conteniendo dicha alúmina grupos Al-OH superficiales que están presentes en una proporción media de 1 grupo hidroxilo por cada 0,25 nm^{2} a 1 grupo hidroxilo por cada 0,18 nm^{2} de área superficial, por espacio de un periodo de tiempo de 5 segundos a 1 hora, para efectuar al menos una reducción dos log de los Cryptosporidium presentes en el agua por adsorción de los mismos en dicha alúmina.

2. Método según la reivindicación 1, en el que la alúmina particulada tiene un diámetro que está situado dentro de la gama de diámetros que va desde 1,5 mm hasta 0,05 mm.

3. Método según la reivindicación 1, en el que el agua está destinada a entrar en contacto con los seres humanos.

4. Método según la reivindicación 3, en el que el agua está destinada a ser consumida por los seres humanos.

5. Método según la reivindicación 3, en el que el agua está destinada a ser usada en piscinas o piscinas de balneario.

6. Método según la reivindicación 1, en el que se efectúa al menos una reducción tres log, preferiblemente una reducción cuatro log, más preferiblemente una reducción cinco log y en particular una reducción seis log de los Cryptosporidium presentes en el agua por adsorción de los mismos en dicha alúmina.

7. Uso de una alúmina particulada que contiene Al-OH superficial y tiene un diámetro situado dentro de la gama de diámetros que va desde 15 mm hasta 0,05 mm, conteniendo dicha alúmina grupos Al-OH superficiales que están presentes en una proporción media de 1 grupo hidroxilo por cada 0,25 nm^{2} a 1 grupo hidroxilo por cada 0,18 nm^{2} de área superficial, en la eliminación de Cryptosporidium del agua.

8. Uso según la reivindicación 7, en el que la alúmina particulada tiene un diámetro que está situado dentro de la gama de diámetros que va desde 3 mm hasta 0,05 mm.

9. Uso según la reivindicación 7, en el que el agua está destinada a establecer contacto con los seres humanos.

10. Uso según la reivindicación 9, en el que el agua está destinada a ser consumida por los seres humanos.

11. Uso según la reivindicación 9, en el que el agua está destinada a ser usada en piscinas o piscinas de balnearios.