Новый сверхбыстрый метод обеззараживания воды более экологичен.
Наличие безопасной питьевой воды жизненно важно для здоровья населения, но традиционные методы дезинфекции создают свои экологические проблемы. Хлор дешев и прост в использовании в централизованных системах водоснабжения, но за счет вредных химических побочных продуктов.
Исследователи Технологического института Джорджии нашли способ использовать небольшие разряды электричества для дезинфекции воды, снижая потребление энергии, стоимость и воздействие на окружающую среду. Технология может быть интегрирована в электрическую сеть или даже питаться от батарей.
«Это довольно новая технология дезинфекции, и мы хотим сначала продемонстрировать ее в небольшом масштабе, а затем улучшить ее применение в реальных условиях для очистки воды в точках использования или в автономном режиме», — сказал Син Се, представитель Carlton S. Уайлдер, ассистент профессора Школы гражданского и экологического строительства.
Се и его научный сотрудник Тинг Ван опубликовали статью «Наносекундная инактивация бактерий, реализованная с помощью локально усиленной обработки электрическим полем» в журнале Nature Water в январе.
Локализация электричества
Хотя обычная обработка электрическим полем (CEFT) применяется для пастеризации пищевых продуктов, она не получила широкого распространения для дезинфекции питьевой воды из-за относительно высокой стоимости. Когда вода и бактерии подвергаются воздействию электричества, клеточная мембрана бактерий действует как конденсатор в цепи. Как правило, в CEFT низкая проводимость воды означает, что наносекундные импульсы не заряжают мембрану достаточно быстро, чтобы убить бактерии.
Исследователи создали локально усиленное электрическое поле (LEEFT), которое доставляло электричество непосредственно к бактериям. Электроды имеют золотые наноконцы, которые мгновенно создают концентрированные заряды при подключении к электричеству, что позволяет зарядам перемещаться к мембране и намного быстрее убивать бактерии.
«Эта сверхбыстрая инактивация бактерий только с помощью наносекундных импульсов является неожиданностью, потому что теоретически наносекундные импульсы слишком короткие, чтобы убить бактерии при обычной обработке электрическим полем, потому что для зарядки мембраны требуется время», — сказал Ван. «Но с наноклиньями и наноструктурами LEEFT клетки бактерий могут заряжаться непосредственно нанометаллом, быстро дезинфицируя воду».
Электрические инновации
Чтобы проверить технологию, они изготовили золотые наноклинья на краю электрода чипа. Затем они добавили в чип модельные бактерии Staphylococcus, широко используемые в лабораториях и часто встречающиеся в системах водоснабжения. Затем они применяли электрические импульсы и наблюдали за реакцией бактерий в режиме реального времени под микроскопом.
При подаче электричества напряжением 40 киловольт на сантиметр в течение 200 наносекунд 95% наноклиньев успешно убивали бактерии. По сравнению с обычной EFT, LEEFT снижает напряженность приложенного эклектического поля в восемь раз и сокращает время лечения в 1 миллион раз.
«Мы обнаружили, что даже наносекундные импульсы могут убить бактерии в LEEFT, а не в других обстоятельствах», — сказал Ван. Это почти мгновенное обеззараживание снижает количество электроэнергии, необходимой для дезинфекции воды, что делает его доступным вариантом санитарии и указывает на будущее, в котором производство чистой воды может наносить меньший урон окружающей среде.
