Solrenser skaber sit eget desinfektionsmiddel fra vand og sollys

En vandrer bliver desorienteret, mens hun er på en ørkenvandring, da hun støder på en tørre vandpyt efterladt af en nylig regn.

Fortæret af tørst, miles hjemmefra, vandreren skal beslutte, om han vil drikke og risikere infektion fra de bakterier, der er i vandpytten, eller udholde dehydrering. Men den vandrer vil måske en dag være i stand til at drikke uden bekymringer, takket være en ny slags vandrenser, der bruger sollys og vand til at producere brintoverilte, et kraftfuldt og almindeligt antiseptisk middel.

Den eksperimentelle vandrenser, udviklet i laboratoriet hos Xiaolin Zheng, lektor i maskinteknik, er en variant af den mere kendte proces med at bruge solenergi til at spalte vand til brint, et rent brændende brændstof, og ilt, et livsopretholdende element. Men, som teamet beskriver i journalen Avancerede energimaterialer , i stedet for fuldt ud at spalte ilt og brint, den nye proces reducerer ilt og oxiderer vand for at producere hydrogenperoxid, eller H ₂ O ₂ .

Selv kun en lille mængde vil rense vandet, hun siger. Hydrogenperoxid desinficerer vand i et niveau på titusinder af ppm. Det er omkring to spiseskefulde i 25 liter vand. I test med postevand, Stanford-systemet nåede let langt over 400 dele pr. million af H ₂ O ₂ på fem timer.

Zheng siger, at holdet bliver nødt til at ændre nogle af materialerne i processen for at gøre dets blanding af almindeligt vand og hydrogenperoxid sikker at drikke. Men de tror, ​​at en dag, en person i desperat tørst kunne trække deres lette solrenser frem, hæld noget mistænkeligt H2O i og, givet nok tid, producere nok H ₂ O ₂ gennem den solaktiverede proces for at gøre alt ferskvand til en sand oase.

Ud over fremtidige drikkevandsanvendelser, Zheng og Xinjian Shi, den kandidatstuderende, der leder projektet, Forestil dig også, at deres system kan tilpasses til selvopretholdende svømmebassiner, der er renset med solcelle-skabt brintoverilte i stedet for klor, eller solcelledrevne vandrensningsstationer til brug i udviklingsområder, hvor ferskvand er en værdifuld vare.

Rigelige råvarer

Prototypen bestod af to elektroder, en anode og en katode, stikkes i vand. Anoden var lavet af vismutvanadat (BiVO4), en lysfølsom halvleder. Simpelt kul tjente som katode. Når de udsættes for sollys, vismutvanadat-halvlederen sendte negativt ladede elektroner, der strømmer mod katoden, mens positivt ladede bærere - eller "huller", som de er kendt i fysik - strømmede tilbage mod anoden. Strømmen af ​​elektroner forvandlede ilt til brintoverilte, mens hullerne omdannede vand til brintoverilte, danner den rensende forbindelse ved begge elektroder.

Det er et nyt bud på, hvad der i ingeniørkredse er kendt som et fotoelektrokemisk (PEC) system. PEC-systemer er blevet undersøgt meget siden 1970'erne for deres evne til at omdanne sollys til brændstof og andre nyttige kemikalier, som brint og ilt. Tidligere PEC-eksperimenter har produceret hydrogenperoxid, men ingen af ​​disse tidligere eksperimenter har været så succesfulde som den nuværende forskning.

"Vores er et uassisteret system, "Shi siger, "Det kræver ingen energitilførsel og kun lys, vand og ilt til at arbejde. Vand er 'brændstoffet' i vores system. Faktisk, det virker med postevand."

Spændende nok, systemet producerer hydrogenperoxid på begge sider af reaktionen, ved anoden og katoden. I slutningen af ​​det hele, der er endda en lille mængde elektricitet tilbage, på grund af effektiviteten af ​​de kemiske reaktioner. Selvom det ikke er et stort beløb, at yderligere energi kan bruges til at tænde en LED-pære som en indikator for, at systemet fungerer korrekt, siger forskerne, lader den tørstige ejer drikke med selvtillid.

"Vi tror, ​​at dette er en ny retning i PEC-vandspaltning, som normalt kræver ekstra energitilførsel for at virke, " siger Zheng.

Arbejd fremad

Forskerne betragter dette papir som et proof of concept og siger, at der er meget arbejde tilbage, før hydrogenperoxid-producerende renseapparater kan blive almindelige. Mest vigtigt, vismutvanadat - anoden - er i sig selv giftig og skal erstattes af et andet lige så lysfølsomt materiale.

Dr. Samira Siahrostami, en medforfatter på undersøgelsen og en forskningsingeniør ved SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis i Stanford, valgt vismutvanadat som anode for denne prototype på grund af dets effektivitet og evne til at generere hydrogenperoxid. Fremadrettet, forskerne planlægger at identificere andre anodematerialer, der er stabile, effektiv og sikker til vandrensning.

Zheng og Shi foreslår også, at de måske erstatter kulstofkatoden med et andet materiale, der også er lysfølsomt (kulstof er det ikke). Et sådant design ville udnytte et større udvalg af sollys for yderligere at forbedre effektiviteten af ​​systemet.