Vandrensende kop laver drikkevand fra åer og vandløb

Et udslæt af storme i Texas i de seneste år – fra orkanen Harvey i 2017 til dybfrysningen i 2021 – har sat store bidder af befolkningen i fare og efterladt millioner uden elektricitet eller vand i lange perioder.

Disse ulykker har også tjent som motivation for en forsker ved University of Texas i Austin til at fokusere sit arbejde på nyskabelser, der kan hjælpe samfund med at reagere på alvorlige vejrbegivenheder. Hendes seneste projekt er en enhed på størrelse med en krus, der hurtigt kan rense vand ved hjælp af et lille stød af elektricitet til at fiske bakterieceller ud. I laboratorieeksperimenter var enheden i stand til at fjerne 99,997 % af E. coli-bakterier fra 2- til 3-ounce prøver taget fra Waller Creek i Austin på cirka 20 minutter, med kapacitet til at gøre mere.

"Vi er i stand til at rense vand med meget lidt energi, fordi vi styrer bakteriecellerne med elektriske felter, og de fleste bakterieceller er naturlige svømmere, der driver sig selv til elektroder og blev fanget levende," siger D. Emma Fan, en lektor i Cockrell School of Engineerings Walker Department of Mechanical Engineering, der ledede forskningen offentliggjort for nylig i ACS Nano .

Nøglen til enheden er en "forgrenet" elektrode, som forskerholdet tidligere har oprettet. Den patenterede elektrodes struktur er baseret på et rodsystem i et træ med grene, der bevæger sig i flere retninger.

Når den er elektrificeret, skaber enheden et felt, hvortil E. coli-cellerne tiltrækkes. De "svømmer" villigt ind i elektrodegrenene.

Elektroden er lavet af grafitskum, kompatibel og holdbar i elektriske felter, og kan kontinuerligt arbejde i mange timer. Ud over dens effektivitet er enheden billig - det koster mindre end $2 at skabe den skumindkapslede elektrode.

Det er også nemt at bruge. Dyp først den elektrodefyldte kop i vand. Giv den derefter et elektrisk stød, vent, og lad elektroderne fiske bakterier ud. Vent derefter og fjern vandet, som nu kan drikkes.

Forskerne undersøger nu måder at kommercialisere det og vil dernæst strømline designet af koppen. Den, der bruges til at rense vand fra Waller Creek, er en 3D-printet prototype. Teamet ønsker yderligere at forenkle processen med at indsætte og fjerne elektroderne.

Af de mange forskellige nuværende metoder til enkel, kommerciel vandfiltrering har hver en væsentlig fejl. Desinficerende piller kan frigive oxidanter, der kan være skadelige, hvis de indtages. Omvendt osmose-systemer kræver højt vandtryk, og soldampning kræver konstant sollys, hvilket er upålideligt midt i naturkatastrofer.

Desuden tillader brugen af ​​elektrisk strøm integration med batterier til lagret energi og kan nemt bruges derhjemme, på kontoret eller i en bil. Energiomkostningerne er også meget mindre end for forskellige nye teknologier, f.eks. en tusindedel så meget som for soldampning.

Elektroden, der blev brugt i enheden, blev oprindeligt skabt til superkondensatorer. Estimerer, at Texas' befolkning ville fordobles inden 2050, og behovet for forskning for at adressere modstandsdygtighed, efter at Harvey motiverede Fan til at fokusere sit arbejde på naturkatastrofer.

I tilfælde af en strømafbrydelse eller en meddelelse om kogende vand, kunne en person, der ejede en enhed med denne teknologi, køre til en å eller et vandløb, tilslutte det til bilbatteriet gennem en simpel DC-AC-konverter og rense vand at tage med hjem som drikkevare. Den kan også drives ved hjælp af solpaneler med samme princip.

"Når vores vandinfrastruktur er nede - intet vand, ingen gas og ingen elektricitet - har vi brug for point-of-use enheder til at rense vand, vi kan komme ud af damme, vandløb eller floder," sagde Fan. "Vi tror på, at vores enhed en dag kan opfylde det behov."

Flere oplysninger: Xianfu Luo et al., Bærbar bulkvandsdesinfektion ved levende indfangning af bakterier med divergent forgrenet porøs grafit i elektriske felter, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.2c12229

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af University of Texas i Austin