Nye materialer og processer til at rense patogene mikroorganismer fra vand

Det er især svært at fjerne patogener fra drikkevand, når bakterierne er for små til at blive fanget af konventionelle filtre. Forskere ved Empa og Eawag udvikler nye materialer og processer til at frigøre vand fra patogene mikroorganismer, såsom vira.

Vand er liv, biologi lærer os. Virkeligheden lærer os noget andet:Vand, der er forurenet med patogener, forårsager hvert år hundredtusinder af dødsfald på steder, hvor vandrensning mangler eller fungerer dårligt. For at gøre en ende på dette, tilgængeligheden af ​​rent vand for hele menneskeheden har været inkluderet i FN's globale bæredygtighedsagenda siden 2015. I overensstemmelse med dette mål har Empa -forskere, i samarbejde med deres kolleger på Eawag, udvikler nye materialer og teknologier til fjernelse af patogener fra drikkevand, som indtil nu næppe kunne elimineres med konventionelle foranstaltninger, eller kun med dyre og komplekse processer.

Små patogener

Forskerne sigter mod de mindste bakterier:Små patogener, der-i modsætning til den nuværende cirkulerende coronavirus SARS-Cov-2-spredes via forurenet vand og dermed forårsager forskellige vandbårne sygdomme som polio, diarré og hepatitis. Blandt disse patogener er rotavirus, som kun er omkring 70 nanometer i størrelse.

"Konventionelle vandfiltre er ineffektive mod rotavirus, "forklarer Empa -forsker Thomas Graule fra Empas High Performance Ceramics lab i Dübendorf. Dog, det er netop disse små bakterier, der er blandt de mest almindelige patogener, der forårsager gastrointestinale infektioner. Ifølge Verdenssundhedsorganisationen (WHO), i 2016 omkring 130, 000 børn verden over døde af rotavirusinfektioner. Forskerne har nu udviklet strategier for filtreringsteknologier baseret på nye materialer, der smart omgår problemet med minutitet. Dette skyldes, at en egenskab af viruspartiklerne kan bruges til en ny type filter:viruspartiklernes negative elektriske ladning.

Baseret på denne idé, forskerne begyndte at udvikle egnede materialer, der tillader adsorption af negativt ladede virusoverflader. Indtil nu, det har været svært at skabe let regenererede positivt ladede overflader med høj adsorptionskapacitet, og systematiske eksperimentelle undersøgelser har været knappe. Til deres undersøgelser, forskerne valgte derfor en modelvirus, der er endnu mindre end rotaviruset:bakteriofagen MS2, som kun er 27 nanometer store - en virus, der angriber bakterier, men er ufarlig for mennesker. Ved hjælp af denne modelvirus, forskerne var i stand til at vise, at vira i vand adsorberes til filteroverfladen i varierende grad afhængigt af vandets pH. "Dette skal tages i betragtning ved udvikling af nye vandrensnings- og filterteknologier, «siger Graule.

Porøs nanocoating

For at udvikle filterteknologier, der kan fange vira i nanometerskala, Graule fokuserer på kompositmaterialer, der er funktionaliserede på en sådan måde, at de specifikt binder vira. "I vand, overfladen af ​​viruspartiklerne er negativt ladet. Vi var i stand til at vise, hvordan viruspartiklerne fæstner sig til positivt ladede overflader, "forklarer han. F.eks. forskeren arbejder i et internationalt team om keramiske granulater fremstillet af aluminiumoxid, hvis fine granulat er belagt med nanometer-tynde lag af kobberoxid. "Sammen med keramikken, det meget porøse kobberlag danner et kompositmateriale med en positivt ladet og uhyre stor specifik overflade, "siger Graule. Forskerne var også i stand til at belægge små flerlags carbon nanorør med kobberoxid, hvilket muliggør eliminering af virus.

For at udvikle en omkostningseffektiv og bæredygtig filterteknologi, forskerne udnytter specifikt materialer, der kan genvindes efter brug i betydningen en lukket materialecyklus. Det er også vigtigt, at ingen filterkomponenter vaskes ud i det rensede vand. Til denne ende, analytiske metoder til nanosikkerhed mangler stadig at blive udviklet, så det mest egnede kompositmateriale kan bestemmes. Ved projektets afslutning, en filterteknologi forventes at være tilgængelig, som også er egnet til vandbehandling i udviklingslande med deres særligt høje antal rotavirus og andre vandbårne sygdomme.

I hele verden, omkring 3,4 millioner mennesker, for det meste børn i strukturelt underudviklede lande, dør hvert år af vandbårne sygdomme. Blandt patogenerne er encellede parasitter, såsom amøber og lamblia med en størrelse på op til 40 mikrometer. Bakterier såsom salmonella, som forårsager tyfus E. coli -bakterier og kolera -patogener er betydeligt mindre (0,5 til 6 mikrometer), men lige så potente patogener. Med en størrelse på 25 til 80 nanometer - cirka 100 til 1000 gange mindre - er vira de sværeste patogener at filtrere ud af vand. I udviklingslande er forureningen af ​​drikkevand med rotavirus særlig udbredt, efterfulgt af andre vira, såsom de patogener, der forårsager hepatitis og polio.