快速、无堵塞纳米滤水器几乎不用电


  斯坦福大学正在研发的一种滤水器可快速消除水中细菌,且不会堵塞,这可能会为发展中国家带来一种简易、低廉的净水方法。该装置使用一块经纳米墨水处理过的棉胎,利用电场杀死细菌,但只使用压力驱动过滤器所需电力的20%。

  至少有十亿人只能使用被病原体或公害污染的水。“对于一种极其耐用、成本低廉、又不需要很多电的过滤材料来说,需求是巨大的,”马克?沙农(Mark Shannon)说,他在伊利诺伊大学厄本那-香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)先进净水材料中心担任主任,“需要这种装置的大多数地方根本没有通电,或者最多每天供电几小时,”沙农说,他没有参与此项研究。

  斯坦福大学研究人员们开发的这种过滤器试图在集中的水处理设备之外,对其他饮水点净水系统进行改进。有两种主要的化学方法:向水中加氯以杀死细菌,或者加铁,它可使细菌凝结成簇,从而易于消除。化学方法是困难的,因为它们需要培训和源源不绝的化学品供应。

  相反,过滤是有吸引力的,因为它简易。但是大多数饮水点净水过滤方法从水中移除细菌,是按大小来排除这种微生物。随着时间的推移,这种过滤器会阻塞,运行得非常慢,除非有耗能的水泵推着水通过。斯坦福大学的过滤器是由重力驱动的,它有足够大的气孔,允许很高的流速——大约每小时10万公升。它使用电脉冲在细菌细胞壁上刺孔,使它失去活性。这项研究是由斯坦福大学材料科学与工程教授崔伊(Yi Cui)和萨拉?海尔肖恩(Sarah Heilshorn)牵头的。

  为制作这种过滤器,研究人员们把一块棉胎浸泡在基于水的碳纳米管墨水中,随后把它晾干,再把它浸入基于酒精的银纳米线墨水中,然后再把它晾干。崔伊和其他研究人员使用类似浸渍方法制成纸纳米管电池电极和纳米管织物。又长又窄的纳米管和纳米线被卷在纤维中。

  到目前为止,研究人员们一直在测试这种过滤器,他们把过滤器塞进安装在烧杯上的玻璃漏斗里。过滤器连接电线提供一个电压,而水渗过漏斗。崔伊说,它可以用车用蓄电池或太阳能板供电。

  崔伊的团队已针对高浓度大肠杆菌测试了过滤器。在这些初步的试验中,根据《纳米通信》(Nano Letters)杂志网络版的描述,过滤器可使大约98%的细菌失去活性。即使一个单一的细菌也可以使你生病,所以,在实际使用中,这还不尽人意,但崔伊希望改进这种过滤器。

  崔伊不确定过滤是如何发挥作用的,但他知道这两种材料在一起会更好。银长期以来就被认为具有抗菌性能,而碳纳米管是高导电性的。一种猜测是,非常强大的局部电场在银纳米线端形成,刺穿细胞壁。当断电时,银可以阻止细菌在表面形成污垢,这是过滤器的一个常见问题。

  对于水中碳纳米管和银纳米线对人和较低级生物的影响,目前还没有确切的研究;对航空碳纳米管的实验表明,其对小鼠肺的影响类似于石棉。但是早期对上千加仑水的测试表明,纳米材料不溶于水。研究人员将进行进一步的测试,以确定纳米材料是否会一直停留在过滤器里,还是随着时间的推移溶解在水中。

  “我相信(它)有巨大的技术突破潜力,从而极大地改善对低成本水处理的选择,”卡拉?尼尔森(Kara Nelson)说,他是加州大学伯克利分校土木及环境工程教授。现在,重要的是把这个概念证明的设备推进到下一步,尼尔森说,通过提高过滤的功效,证明它可以对一系列广泛的水性病原体起作用,包括病毒、原生生物。

  乍得?维西提(Chad Vecitis)是哈佛大学环境工程教授,他说,过滤器让人印象最深的是其速度。许多大学的研究人员都在解决水净化问题,但是其他低耗能方案不是时间太长就是太复杂。举例来说,某些系统使用光激活催化剂杀死细菌,需要在置于日光下的清澈的盛水容器中进行。这要花几个小时,而且不容易确定何时杀菌已完成。