Запропоновано швидкий спосіб стерилізації води • Юрій Ерін • Новини науки на "Елементи" • Нанотехнології

Запропоновано швидкий спосіб стерилізації води

Мал. 1. Схема, приготування і пристрій фільтра з бавовни, срібних нанодротів і вуглецевих нанотрубок. (A) Схематичний малюнок запропонованого приладу. (B) Просочення бавовни вуглецевими нанотрубками. (C) Збагачення фільтра нанодротами зі срібла. (D) Впровадження приготовленого фільтра в воронку. (E) Зображення великомасштабної структури бавовняних ниток, отримане сканирующим електронним мікроскопом (СЕМ). (F) СЕМ-зображення срібних нанодротів. (G) СЕМ-зображення, яке демонструє переплетення вуглецевих нанотрубок з бавовняними нитками. Малюнок з обговорюваної статті в Nano Letters

Очищення води від бактерій та інших мікроорганізмів є, незважаючи на свою буденність, дуже важливу і серйозну наукову проблему. Існуючі способи її вирішення або занадто дорогі, або займають тривалий час. Колектив вчених з Стенфордського університету США, використовуючи мікроскопічні нитки з шовку, вуглецеві нанотрубки і нанопроволочкі зі срібла, створив принципово новий фільтр для видалення мікробів з води. Фільтр стерилізує водне середовище за кількох секунд з ефективністю більше 98% і при цьому володіє високою пропускною здатністю (близько 100 000л / год · м2).

Ефективне очищення води від різноманітних видів забруднень залишається однією з головних завдань людства. На жаль, ця проблема досі актуальна. Зараз звільнення води від домішок здійснюється комбінованим чином, починаючи з механічного етапу очищення, коли відбувається позбавлення води від макроскопічних домішок, і закінчуючи фізико-хімічними методами, призначеними для ліквідації токсичних речовин і елементів. Проміжний, біологічний, етап очищення – це стерилізація води (знищення містяться в рідині бактерій та інших небезпечних мікроорганізмів). Існуючі механізми біологічної очистки води мають ряд недоліків. По-перше, їх тривалість складає кілька годин, а то і більше. По-друге, деякі з них засновані на технології пропускання води через спеціальні дорогі мембранні фільтри, які досить швидко забиваються і приходять в непридатність.

Колектив вчених з Стенфордського університету запропонував нову систему позбавлення води від бактерій і мікроорганізмів. Вона деактивує бактерії за кілька секунд з ефективністю більше 98%, має високу пропускну здатність – близько 100 000 л / год · м2, Легко може бути інтегрована в існуючі системи очищення і, за словами першовідкривачів, значно дешевше використовуваних зараз фільтраційних технологій. Результати досліджень опубліковані в статті High Speed ​​Water Sterilization Using One-Dimensional Nanostructures в журналі Nano Letters.

Для створення свого фільтра американські вчені використовували бавовна, нанопроволоки срібла і вуглецеві нанотрубки (рис. 1). Пристрій фактично являє собою трирівневу, якщо говорити про масштаб, конструкцію. Найбільшу деталь фільтра утворюють нитки. Вони тісно переплетені між собою, формуючи порожнини з характерним розміром в інтервалі від 10 до 100 мікрометрів, і служать для запобігання засмічення пристрої предметами, які якимось чином не були затримані на механічному етапі очищення.

Наступний, більш дрібний компонент фільтра, – зволікання срібла з діаметрами, що варіюються від 40 до 100 нм і довжиною до 40 мкм, розташовані в порожнинах, утворених бавовняними нитками. Вчені зупинили свій вибір на цьому благородному металі з двох причин. По-перше, це добре відомі бактерицидні властивості нанометрових часток срібла (див., Наприклад, статтю The Role of Antimicrobial Silver Nanotechnology в журналі Medical Device & Diagnostic Industry). По-друге, як показали недавні експерименти, антибактеріальну дію срібних нанодротів, посилюється, якщо до них прикласти електричне поле (див. Рис. 2). Тому, щоб максимально підвищити ефективність роботи фільтра, автори статті вирішили використовувати нанопроволоки зі срібла, а потім підключити їх до джерела електричного струму (рис. 1А).

Мал. 2. Залежність концентрації бактерій кишкової палички Escherichia coli від часу в середовищі, що містить срібні нанопроволочкі. Дані наведені для різних значень напруженості електричного поля, прикладеного до середовища: (a) 0, (b) 10, (c) 20, (d) 30, (e) 40 і (f) 50 В / см. Графік (g) Демонструє зростання числа бактерій під час відсутності срібла і електричного поля. Малюнок зі статті Omid Akhavan & Elham Ghaderi Enhancement of antibacterial properties of Ag nanorods by electric field в журналі Science and Technology of Advanced Materials

Однак, щоб електричне поле добралося до срібних нанодротів і не екранувати бавовняними діелектричними нитками, необхідно було знайти такий компонент фільтра, який, крім хорошої електричної провідності, повинен підходити за розмірами і може бути легко вбудований в фільтр.

В якості такого компонента дослідники задіяли вуглецеві нанотрубки, які були вплетені в нитки з бавовни.Весь поетапний процес створення фільтра зображений на малюнку 2 В-G.

Далі автори статті перейшли до апробації пристрою. Для цього дослідники помістили його в звуження спеціальної воронки (рис. 1D), в яку подавалася вода зі швидкістю потоку 1 літр на годину (або 80 000 Л / ч · м2). Сама рідина попередньо була інфікована різновидом кишкової палички Escherichia coli з концентрацією бактерій 107 на мілілітр. Прикладаючи електрична напруга до фільтра, вчені виміряли ефективність роботи пристрою – кількість деактивовано бактерій по відношенню до їх первісного значення (рис. 3).

Мал. 3. Ефективність (відношення кількості убитих бактерій до їх первісного значення) деактивації кишкової палички фільтром (бавовна + срібні нанопроволоки + вуглецеві нанотрубки) при додатку до нього різних напруг (блакитна крива) В порівнянні з аналогічним пристроєм, в якому не міститься срібло. Результати наведені для фільтра циліндричної форми діаметром 4 мм і довжиною 2,5 см. Малюнок з обговорюваної статті в Nano Letters

З графіка видно, що найбільший ККД роботи фільтра досягається при напрузі -20 і +20 В: 89 і 77% відповідно.Ці показники, за твердженням авторів статті, можна поліпшити до 98% і навіть більше, якщо використовувати три поспіль фільтра. Вчені також підкреслюють той факт, що процес стерилізації води займає всього кілька секунд – значно менше, ніж у що використовуються зараз методик біологічної очистки.

Правда, повного розуміння механізмів деактивації бактерій поки що немає. У своїй статті дослідники висунули гіпотезу, згідно з якою, крім антибактеріальної дії срібла, відповідальність за загибель кишкової палички несе також колосальне електричне поле, що виникає в нанометровій околиці срібних зволікань. Проведене чисельне моделювання показало, що на перший погляд невинне напруга в 20 В генерує електричне поле напруженістю близько 1000 кВ / см. Така величезна напруженість, ймовірно, породжує сильну Електропорація – освіту в оболонках бактерій "дірок". Швидше за все, спільна дія цих двох чинників і призводить до загибелі бактерій.

Автори статті обговорюють і недоліки пристрою. Перш за все, очевидно, що при протіканні через конструкцію води в ній залишаються нехай і незначні, але все-таки сліди від вуглецевих нанотрубок і наноскопіческіх срібних дротів.Тому в ході подальших експериментів належить упевнитися в тому, що комбінація цих речовин, нехай і в дуже невеликій кількості, для людини абсолютно нетоксичний. Крім того, ефективність роботи конструкції була продемонстрована лише для бактерій Escherichia coli, І неясно, чи буде так само ефективно даний фільтр працювати з іншими мікроорганізмами. І хоча бактерицидний ефект срібла не є виборчим по відношенню до видів мікробів, автори статті усвідомлюють, що цей факт також потребує ретельного вивчення.

У будь-якому випадку, фільтр з такими характеристики, безумовно, перспективний, а тому нам залишається лише чекати розвитку ситуації в вигляді нових публікацій.

джерело: David T. Schoen, Alia P. Schoen, Liangbing Hu, Han Sun Kim, Sarah C. Heilshorn, Yi Cui. High Speed ​​Water Sterilization Using One-Dimensional Nanostructures // Nano Letters. Publication Date (Web): August 20, 2010. DOI: 10.1021 / nl101944e.

Юрій Ерін


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: