Новая технология использует обычный солнечный свет для дезинфекции питьевой воды

May 01, 2023

Недорогой перерабатываемый порошок может убивать тысячи передающихся через воду бактерий в секунду под воздействием солнечного света. Ученые Стэнфорда и SLAC говорят, что сверхбыстрое дезинфицирующее средство может стать революционным достижением для 2 миллиардов человек во всем мире, не имеющих доступа к безопасной питьевой воде.

По меньшей мере 2 миллиарда человек во всем мире регулярно пьют воду, зараженную болезнетворными микробами.

Дезинфицирующий порошок размешивают в загрязненной бактериями воде (вверху слева). Смесь подвергается воздействию солнечного света, который быстро убивает все бактерии (вверху справа). Магнит собирает металлический порошок после дезинфекции (внизу справа). Затем порошок перезагружают в другой стакан с загрязненной водой, и процесс дезинфекции повторяется (внизу слева). (Изображение предоставлено: Тонг Ву/Стэнфордский университет)

Теперь ученые из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC изобрели недорогой перерабатываемый порошок, который убивает тысячи передающихся через воду бактерий в секунду под воздействием обычного солнечного света. По мнению команды Стэнфорда и SLAC, открытие этого сверхбыстрого дезинфицирующего средства может стать значительным достижением для почти 30 процентов населения мира, не имеющего доступа к безопасной питьевой воде. Их результаты опубликованы в исследовании от 18 мая в журнале Nature Water.

«Заболевания, передающиеся через воду, являются причиной 2 миллионов смертей ежегодно, большинство из которых приходится на детей в возрасте до 5 лет», — сказал соавтор исследования Тонг Ву, бывший постдокторант в области материаловедения и инженерии (MSE) в Стэнфордской инженерной школе. «Мы верим, что наша новая технология будет способствовать революционным изменениям в дезинфекции воды и вдохновит на новые инновации в этой захватывающей междисциплинарной области».

Обычные технологии очистки воды включают химические вещества, которые могут производить токсичные побочные продукты, и ультрафиолетовое излучение, дезинфекция которого занимает относительно много времени и требует источника электричества.

Новое дезинфицирующее средство, разработанное в Стэнфорде, представляет собой безвредный металлический порошок, который поглощает как УФ-излучение, так и видимый свет высокой энергии. Порошок состоит из наноразмерных чешуек оксида алюминия, сульфида молибдена, меди и оксида железа.

«Мы использовали лишь небольшое количество этих материалов», — сказал старший автор Йи Цуй, профессор-основатель Fortinet MSE и кафедры энергетических наук и инженерии в Стэнфордской школе устойчивого развития Дорра. «Материалы недорогие и их довольно много. Ключевым нововведением является то, что при погружении в воду все они функционируют вместе».

После поглощения солнечных фотонов катализатор сульфид молибдена/меди действует как соединение полупроводник/металл, позволяя фотонам вытеснять электроны. Освободившиеся электроны затем вступают в реакцию с окружающей водой, образуя перекись водорода и гидроксильные радикалы – одну из наиболее биологически разрушительных форм кислорода. Вновь образовавшиеся химические вещества быстро убивают бактерии, серьезно повреждая их клеточные мембраны.

Микроскопические изображения кишечной палочки до (слева) и после дезинфекции. Бактерии быстро погибли после того, как солнечный свет произвел химические вещества, которые вызвали серьезное повреждение мембран бактериальных клеток, как показано красными кружками. (Изображение предоставлено: Тонг Ву/Стэнфордский университет)

Для исследования команда Стэнфорда и SLAC использовала стакан емкостью 200 миллилитров [6,8 унций] с водой комнатной температуры, загрязненной примерно 1 миллионом бактерий E. coli на мл [0,03 унции].

«Мы размешали порошок в загрязненной воде», — рассказал соавтор исследования Бофей Лю, бывший постдок MSE. «Затем мы провели тест на дезинфекцию в Стэнфордском кампусе при реальном солнечном свете, и в течение 60 секунд не было обнаружено ни одной живой бактерии».

Порошкообразные нанохлопья могут быстро перемещаться, вступать в физический контакт с множеством бактерий и быстро их убивать, добавил он.

Химические побочные продукты, образующиеся под воздействием солнечного света, также быстро рассеиваются.

«Время жизни перекиси водорода и гидрокси-радикалов очень короткое», — сказал Цюй. «Если они сразу не обнаружат бактерии, которые можно окислить, химические вещества распадаются на воду и кислород и выбрасываются в течение нескольких секунд. Так что вы можете сразу же выпить воду».