Это может спасти миллионы: новая технология позволяет очищать воду как никогда раньше

В чем суть открытия

Сегодня более 3,6 миллиарда людей во всем мире испытывают недостаток доступа к безопасной питьевой воде. Прогнозируется, что к 2050 году эта цифра может превысить 5,7 миллиарда человек. Традиционные методы очистки часто полагаются на хлорирование или использование сложных химических окислителей, которые могут оставлять после себя вредные побочные продукты или требовать значительных энергетических затрат. В ответ на этот вызов группа исследователей представила в журнале Nature Communications революционную систему на основе полимерной нанорезинки (PNS).

Смотрите также В Японии создали фотополимер для 3D-печати, отходы которого можно использовать повторно

Основу новой технологии составляет контактный электрокатализ (CEC). Это перспективная методика, сочетающая контактную электризацию, механохимию и катализ. В отличие от классических методов, CEC не требует использования благородных или редкоземельных металлов, что делает его значительно дешевле и экологичнее.

Это закладывает основу для передовых каталитических применений в производстве перекиси водорода и предлагает устойчивое, эффективное и экономически выгодное решение для удаления микрозагрязнителей, 
– прокомментировали свое исследование авторы.

Конструкция наногубки PNS является многослойной. Ученые взяли за основу коммерческую медную губку с порами размером около 90 пор на дюйм. Сначала ее подвергли пиролизу при температуре 500 градусов Цельсия в течение 5 часов, что стимулировало рост нанопроводов оксида меди на ее поверхности. На втором этапе полученную структуру покрыли политетрафторэтиленом (PTFE), известным как тефлон, и закрепили покрытие при температуре 350 градусов Цельсия.

Такая структура позволяет материалу быть чрезвычайно стабильным: он не разрушается под воздействием ультразвука и не загрязняет воду ионами меди, поскольку полимерное покрытие надежно защищает металл.

Как это работает

Принцип работы системы базируется на воздействии ультразвука с мощностью около 0,1 ватта на сантиметр кубический. Когда наногубку погружают в воду и включают ультразвук, возникают кавитационные пузырьки, которые при коллапсе создают мощные микроструи. Это провоцирует частые циклы контакта и разделения между водой и полимером, создавая сильное межфазное электрическое поле интенсивностью до 5 – 10 в 7-й степени вольт на метр. Это поле вызывает электропорацию – процесс создания микропор в мембранах бактерий, что приводит к их гибели.

Нанотрубки, которые играют главную роль в процессе очистки / Изображение Ген-Шен Линь и других авторов исследования

Параллельно с физическим разрушением клеток система генерирует активные формы кислорода (ROS), такие как гидроксильные радикалы и супероксид-ионы. Скорость производства перекиси водорода этой системой достигает 20,2 микромоля в час с погрешностью в 0,1 микромоля, что значительно превышает показатели предыдущих аналогов, которые использовали фото- или пьезокатализ.

Комбинация электрического шока и химического окисления позволяет уничтожить более 99% бактерий, таких как кишечная палочка (E. coli) и золотистый стафилококк (S. aureus), всего за 3 минуты.

Химические забурдники

Кроме дезинфекции, наногубка PNS продемонстрировала впечатляющую эффективность в удалении химических загрязнителей. Во время экспериментов система за 60 минут почти полностью (более 99%) удалила органические красители, такие как кристаллический фиолетовый и метиловый синий.

Также технология справилась с тяжелыми металлами, в частности с восстановлением токсичного хрома, и разложила 6PPD-хинон – опасное вещество, вымывается из старых автомобильных шин и отравляет водоемы.

Технология демонстрирует превосходную долговечность

Практическая ценность изобретения подкрепляется его долговечностью. Исследователи провели 60 циклов очистки в реакторе периодического действия, и наногубка не потеряла своей эффективности.

Мы предполагаем масштабную систему, пригодную для непрерывной потоковой обработки промышленных сточных вод, 
– отмечают ученые.

Себестоимость производства такого материала составляет примерно 37,4 доллара за килограмм, причем основные расходы приходятся на сырье, а затраты на энергию являются минимальными.

Смотрите также Температурный парадокс: почему парниковые газы одновременно греют и охлаждают планету

Испытания и перспективы

Испытания на реальных образцах воды из рек и озер вблизи Национального университета Тайваня подтвердили универсальность метода. Даже в естественных условиях система обеспечивала удаление более 99% микроорганизмов.

Такая технология может стать идеальным решением как для небольших бытовых фильтров, так и для централизованных станций очистки, открывая путь к устойчивому управлению водными ресурсами планеты.