Более чем каждый десятый человек в мире не имеет элементарного доступа к питьевой воде, а к 2025 году половина населения мира будет жить в районах с нехваткой воды, поэтому доступ к чистой воде является одной из национальных Большие задачи Инженерной академии. Инженеры Вашингтонского университета в Сент-Луисе разработали новую мембранную технологию, которая очищает воду, предотвращая биообрастание или накопление бактерий и других вредных микроорганизмов, которые уменьшают поток воды.
И они использовали бактерии для создания таких фильтрующих мембран.
Срикант Сингаманени, профессор машиностроения и материаловедения, и Янг-Шин Джун, профессор энергетики, экологии и химической инженерии, и их команды объединили свой опыт для разработки ультрафильтрационной мембраны с использованием оксида графена и бактериальной наноцеллюлозы, которую они признан высокоэффективным, долговечным и экологически безопасным. Если бы их метод был масштабирован до больших размеров, он мог бы принести пользу многим развивающимся странам, где не хватает чистой воды.
Результаты их работы были опубликованы на обложке номера журнала Environmental Science & Technology от 2 января.
На биообрастание приходится почти половина всего мембранного обрастания, и полностью его искоренить очень сложно. Сингаманени и Джун вместе решают эту задачу уже почти пять лет. Ранее они разрабатывали другие мембраны с использованием золотых нанозвезд, но хотели разработать мембрану, в которой использовались бы менее дорогие материалы.
Их новая мембрана начинается с кормления бактерий Gluconacetobacter hansenii сахаристым веществом, так что они образуют нановолокна целлюлозы в воде. Затем команда включила хлопья оксида графена (GO) в бактериальную наноцеллюлозу, пока она росла, по существу захватив GO в мембрану, чтобы сделать ее стабильной и долговечной.
После включения GO мембрана обрабатывается базовым раствором для уничтожения Gluconacetobacter. Во время этого процесса кислородные группы GO удаляются, что делает его восстановленным GO. Когда команда посветила на мембрану солнечным светом, восстановленные хлопья GO немедленно выработали тепло, которое рассеивается в окружающей воде и бактериальной наноцеллюлозе.
Как ни странно, мембрана, созданная из бактерий, также может убивать бактерии.
«Если вы хотите очистить воду от микроорганизмов, восстановленный оксид графена в мембране может поглощать солнечный свет, нагревать мембрану и убивать бактерии», - сказал Сингаманени.
Сингаманени и Джун и их команда подвергли мембрану воздействию бактерий кишечной палочки, а затем направили свет на поверхность мембраны. После облучения светом всего в течение 3 минут бактерии кишечной палочки погибли. Команда определила, что мембрана быстро нагревается до температуры выше 70 градусов Цельсия, необходимой для разрушения клеточных стенок бактерий кишечной палочки.
Несмотря на то, что бактерии уничтожены, исследователи получили чистую мембрану из высококачественных волокон наноцеллюлозы, способную фильтровать воду в два раза быстрее, чем имеющиеся в продаже ультрафильтрационные мембраны при высоком рабочем давлении.
Когда они провели тот же эксперимент на мембране из бактериальной наноцеллюлозы без восстановленного GO, бактерии E. coli остались живы.
«Это похоже на 3D-печать с микроорганизмами», - сказал Джун. «Мы можем добавлять все, что захотим, в наноцеллюлозу бактерий во время ее роста. Мы исследовали ее при различных условиях pH, аналогичных тем, с которыми мы сталкиваемся в окружающей среде, и эти мембраны намного более стабильны по сравнению с мембранами, полученными путем вакуумной фильтрации или центрифугирования. из оксида графена."
Хотя Сингаманени и Джун признают, что реализация этого процесса в обычных системах обратного осмоса требует больших затрат, они предлагают модульную систему со спиральной намоткой, похожую на рулон полотенец. Он может быть оснащен светодиодами или наногенератором, который использует механическую энергию потока жидкости для производства света и тепла, что снизит общую стоимость.