211service.com
Använder ljus för att desinficera vatten
Att få tillgång till rent dricksvatten är ett ständigt problem för människor i utvecklingsländer. Och även städer som har bra vattenreningssystem letar efter bättre sätt att leverera säkrare, renare vatten. Nu har ett internationellt forskarlag utvecklat en fotokatalysator som lovar snabb och effektiv vattendesinfektion med solljus eller artificiellt ljus. Dessutom fortsätter fotokatalysatorn att fungera efter att ljuset har släckts och desinficerar vatten även i mörker.
Kommer rent: Ett mikrofotografi visar ytan på en ljusaktiverad katalysator som desinficerar vatten även i mörker. Palladiumnanopartiklar på ytan av en kvävedopad titanoxid hjälper till att förlänga katalysatorns desinfektionskraft upp till 24 timmar.
Det har länge varit känt att bestrålning av vatten med högintensivt ultraviolett ljus dödar bakterier. Vissa vattenfilter gjorda för campare och vandrare använder till exempel denna teknik. Forskare har arbetat med att förbättra metodens effektivitet genom att lägga till en fotokatalysator som aktiveras av UV-ljus och genererar reaktiva kemiska föreningar som bryter ner mikrober till koldioxid och vatten.
Den nya fotokatalysatorn förbättrar det genom att använda synligt, snarare än UV, ljus. Syntetiseras av Jian-Ku Shang , professor i materialvetenskap och teknik vid University of Illinois, Urbana-Champaign, och hans kollegor, arbetar fotokatalysatorn med ljus i det synliga spektrumet – våglängder mellan 400 och 550 nanometer. Den består av fibrer av titanoxid – ett vanligt material som används som ett vitt pigment – dopat med kväve för att få det att absorbera synligt ljus. Ensam dödar den kvävedopade titanoxiden bakterier, men inte effektivt. Forskarna lade till nanopartiklar av palladium till fibrernas yta, vilket kraftigt ökade effektiviteten av desinfektionen. Han och hans kollegor vid Shenyang National Laboratory for Materials Sciences i Kina publicerade sitt arbete online i Journal of Materials Chemistry .
Det skulle vara väldigt trevligt att flytta aktiviteten hos de traditionella [fotokatalysator] materialen, som bara aktiverades av ultraviolett strålning, till synlig, säger Alexander Orlov, biträdande professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap vid Stony Brook University i New York. Om man tittar på solspektra så innehåller det bara 5 procent ultraviolett och cirka 46 av synligt. Sådana fotokatalysatorer skulle göra det möjligt för solenergi att användas mer effektivt såväl som inomhus, eftersom lysrör innehåller mycket lite ultraviolett ljus.
Shang och hans kollegor testade fotokatalysatorn genom att placera den i en lösning som innehöll en hög koncentration av E coli bakterier och sedan lysa en halogenbordslampa på lösningen under olika lång tid. Efter en timme sjönk koncentrationen av bakterier från 10 miljoner celler per liter till bara en cell per 10 000 liter.
Forskarna testade också fotokatalysatorns förmåga att desinficera i mörker. De lyste ljus på fibrerna i 10 timmar för att simulera exponering för dagsljus och lagrade dem sedan i mörker under olika tider. Även efter 24 timmar dödade fotokatalysatorn fortfarande bakterier. Faktum är att bara några minuters belysning räckte för att hålla fotokatalysatorn aktiverad upp till den tiden.
Vanligtvis, när du har en fotokatalysator, kommer aktiviteten att sluta nästan omedelbart när ljuset släcks, säger Shang. De kemiska arterna du genererar kommer bara att vara några nanosekunder. Detta är en inneboende nackdel med ett fotokatalytiskt system, eftersom du kräver ljusaktivering i princip hela tiden.
Palladiumnanopartiklarna ökar fotokatalysatorns kraft på två sätt. När fotoner träffar materialet skapar de par av positiva och negativa laddningar – hål och elektroner. De positivt laddade hålen på ytan av den kvävedopade titanoxiden reagerar med vatten för att producera hydroxylradikaler, som sedan attackerar bakterier. Vad palladiumnanopartiklar gör är att de tar bort elektroner så att de flesta av hålen du producerar kommer att kunna överleva utan att neutraliseras av elektroner, säger Shang.
Så fort de tar tag i elektronerna går nanopartiklarna in i ett annat kemiskt tillstånd och lagrar de negativa laddningarna. När ljuset släcks släpps den laddningen långsamt, och den långsamma släppningen är det som ger oss den minneseffekten, säger Shang. Den laddningen kan reagera med vattenmolekyler för att producera oxidationsmedel igen. Han säger att nanopartiklar av andra övergångsmetaller, som silver, också förbättrar fotokatalysatorns effektivitet.
Fotokatalysatorn erbjuder möjligheten att desinficera med full effekt under dagen och sedan fortsätta arbeta på natten eller under strömavbrott. Dessutom, eftersom desinfektionen sker snabbt, kan system utformas för att rengöra stora volymer vatten genom att utsätta det för ljus när vattnet strömmar genom rören, säger Shang.