Højhastighedsfilter bruger elektrificerede nanostrukturer til at rense vand til lave omkostninger

(PhysOrg.com)-Ved at dyppe almindelig bomuldsklud i en højteknologisk bouillon fuld af sølv nanotråde og kulstof nanorør, Stanford-forskere har udviklet en ny højhastigheds- lavprisfilter, der let kunne implementeres til at rense vand i udviklingslandene.

I stedet for fysisk at fange bakterier, som de fleste eksisterende filtre gør, det nye filter lader dem strømme igennem med vandet. Men da patogenerne er passeret, de er også gået videre, fordi enheden dræber dem med et elektrisk felt, der løber gennem den meget ledende "nano-coated" bomuld.

I laboratorietest, over 98 procent af Escherichia coli -bakterier, der blev udsat for 20 volt elektricitet i filteret i flere sekunder, blev dræbt. Flere lag stof blev brugt til at gøre filteret 2,5 tommer tykt.

"Dette giver virkelig en ny vandbehandlingsmetode til at dræbe patogener, "sagde Yi Cui, en lektor i materialevidenskab og teknik. "Det kan let bruges i fjerntliggende områder, hvor folk ikke har adgang til kemiske behandlinger såsom klor."

Kolera, tyfus og hepatitis er blandt de vandbårne sygdomme, der er et fortsat problem i udviklingslandene. Cui sagde, at det nye filter kunne bruges i vandrensningssystemer fra byer til små landsbyer.

Hurtigere filtrering ved at slippe bakterier igennem

Filtre, der fysisk fanger bakterier, skal have porerum, der er små nok til at forhindre, at patogenerne glider igennem, men det begrænser filtrernes strømningshastighed.

Da det nye filter ikke fanger bakterier, det kan have meget større porer, tillader vandet at køre hurtigere igennem.

"Vores filter er omkring 80, 000 gange hurtigere end filtre, der fanger bakterier, "Sagde Cui. Han er seniorforfatter af et papir, der beskriver forskningen, der vil blive offentliggjort i et kommende nummer af Nano bogstaver . Avisen er tilgængelig online nu.

De større porerum i Cuis filter forhindrer også, at det bliver tilstoppet, hvilket er et problem med filtre, der fysisk trækker bakterier ud af vandet.

Cuis forskningsgruppe gik sammen med Sarah Heilshorn, en adjunkt i materialevidenskab og teknik, hvis gruppe bragte sin ekspertise inden for bioingeniør til design af filtrene.

Sølv har længe været kendt for at have kemiske egenskaber, der dræber bakterier. "I dagene før pasteurisering og nedkøling, nogle gange ville folk smide sølvkroner ned i mælkeflasker for at bekæmpe bakterier, eller endda sluge det, "Sagde Heilshorn.

Cuis gruppe vidste fra tidligere projekter, at carbon nanorør var gode elektriske ledere, så forskerne begrundede, at de to materialer i fællesskab ville være effektive mod bakterier. "Denne fremgangsmåde tager virkelig sølv ud af folkemedicinområdet og ind i en højteknologisk ramme, hvor det er meget mere effektivt, "Sagde Heilshorn.

Brug af det almindelige holder omkostningerne nede

Men forskerne ønskede også at designe filtrene til at være så billige som muligt. Mængden af ​​sølv, der blev brugt til nanotråde, var så lille, at omkostningerne var ubetydelige, Sagde Cui. Stadig, de havde brug for et grundmateriale, der var "billigt, bredt tilgængelig og kemisk og mekanisk robust. "Så de gik med almindeligt vævet bomuldsstof.

"Vi fik det på Wal-mart, "Sagde Cui.

For at gøre deres discountbutik bomuld til et filter, de dyppede det i en opløsning af carbon nanorør, lad det tørre, derefter dyppet det i sølv nanowire løsning. De forsøgte også at blande begge nanomaterialer sammen og lave en enkelt dunk, som også virkede. De lader bomuldet trække i mindst et par minutter, nogle gange op til 20, men det var alt, hvad der skulle til.

Den store fordel ved nanomaterialerne er, at deres lille størrelse gør det lettere for dem at holde sig til bomuld, Sagde Cui. Nanotrådene spænder fra 40 til 100 milliarder af en meter i diameter og op til 10 milliontedele af en meter i længden. Nanorørene var kun et par milliontedele af en meter lange og så smalle som en enkelt milliarddel af en meter. Fordi nanomaterialerne klistrer så godt, nanorørene skaber en glat, kontinuerlig overflade på bomuldsfibrene. De længere nanotråde har generelt den ene ende fastgjort med nanorørene og den anden ende forgrener sig, stikker ind i hulrummet mellem bomuldsfibre.

"Med en kontinuerlig struktur langs længden, du kan flytte elektronerne meget effektivt og virkelig gøre filteret meget ledende, "sagde han." Det betyder, at filteret kræver mindre spænding. "

Minimal strøm kræves

Den elektriske strøm, der hjælper med at dræbe, er kun få milliamper stærk - knap nok til at forårsage en prikkende fornemmelse hos en person og let forsynet af et lille solpanel eller et par 12 -volts bilbatterier. Den elektriske strøm kan også genereres fra en stationær cykel eller af en håndsvinget enhed.

Det lave filterbehov for det nye filter er en anden fordel i forhold til dem, der fysisk filtrerer bakterier, som bruger elektriske pumper til at tvinge vand gennem deres små porer. Disse pumper tager meget elektricitet at køre, Sagde Cui.

I nogle af laboratorietestene af nanofilteret, den elektricitet, der var nødvendig for at føre strøm gennem filteret, var kun en femtedel af, hvad en filtreringspumpe ville have haft brug for for at filtrere en tilsvarende mængde vand.

Porerne i nanofilteret er store nok til, at der ikke er behov for pumpning - tyngdekraften er nok til at sende vandet i fart.

Selvom det nye filter er designet til at lade bakterier passere igennem, en ekstra fordel ved at bruge sølv nanotråden er, at hvis nogen bakterier skulle blive hængende, sølvet ville sandsynligvis dræbe det. Dette undgår bioforurening, hvor bakterier danner en film på et filter. Biofouling er et almindeligt problem i filtre, der bruger små porer til at filtrere bakterier ud.

Cui sagde, at elektriciteten, der passerer gennem det ledende filter, også kan ændre vandets pH nær filteroverfladen, hvilket kan øge dens dødelighed over for bakterierne.

Cui sagde, at de næste trin i forskningen er at prøve filteret på forskellige typer bakterier og køre tests ved hjælp af flere på hinanden følgende filtre.

"Med et filter, vi kan dræbe 98 procent af bakterierne, "Sagde Cui." Til drikkevand, du vil ikke have levende bakterier i vandet, så vi bliver nødt til at bruge flere filtertrin. "

Cuis forskergruppe har fået opmærksomhed for nylig for at bruge nanomaterialer til at bygge batterier af papir og klud.