美研发新型水消毒方法 更快和更环保

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來源:大纪元


美国佐治亚理工学院新开发的晶片嵌入镀金纳米，能够对水实现快速消毒杀菌。图为佐治亚理工学院其中一个校区大楼。（维基百科）


【大纪元2023年03月21日讯】（大纪元专题部记者吴瑞昌编译报导）工业污染造成的水污染是个全球性问题。目前世界上采用的传统的消毒方法又对环境和人体产生二次伤害，为解决这一问题，美国佐治亚理工学院找到一种利用小电流对水进行快速消毒的方法，不仅节省大量成本，还能将该方法用于电网中，更能使用电池的电源对水源进行消毒工作。该方法在今年被发表到《科学》杂志上。
传统的水消毒通常使用强氧化剂（氯离子或臭氧）或其它化学药剂，以破坏微生物的细胞结构，但化学消毒方法容易产生致癌的消毒副产物，或细菌出现抗药性等问题。为此又有了紫外光（UV）、热处理、电场处理或使用光催化剂二氧化钛等杀菌方法，但这些所需要的条件较高或处理时间较长。
对此，科学家寻找那些能在最短时间内达到灭菌的方法，并加以改良。首先他们想到传统电场处理（CEFT）。这种方法是水中的细菌接触到电，细菌的细胞膜就变成电路中的电容器一样累积电能，最终被电流杀死。但水的低电导率意味着该种方法无法快速杀死细菌，在成本上高于传统化学消毒法，同时需要施加极高的电压（通常为几十千伏）才能完成消毒，有着高能耗和安全方面的问题。
因此，研究人员想到使用局部增强电场（LEEFT）方法达到快速杀菌。他们在该方法上使用一种镀上金的纳米电极（含纳米楔），并对电极进行通电，当通电时电荷（电子）会集中，加大电场的强度，最终把电流快速传至细菌的细胞膜上，达到快速杀死细菌的目的。
为了测试该技术，他们在方形晶片嵌入镀金纳米的电极（含纳米楔），再把实验室和供水系统中常见的葡萄球菌添加到晶片上，并对晶片的电击施加电脉冲，最后观察葡萄球菌在显微镜下的实际反应情况。
首先，他们对晶片上金电极间隙上施加138伏特（V）电压时，得到的电场为55 kV/cm-1，并每隔20纳秒（ns，十亿分之一秒）进行一次脉冲，发现电击附近只有26.6%的细菌被消灭。为此将电场调至40kV/cm-1，并进行十个20纳秒的脉冲后，有95.1%的细菌成功被杀死。
另外，他们对LEEFT与CEFT（无纳米楔）进行杀菌速度性比较。发现CEFT在2,000纳秒长时间脉冲中，能以40kV/cm-1电场实现大于95%的细菌灭活效果，但在LEEFT中只需12kV/cm-1电场就能达到该效果，其原因是纳米楔尖端处增强了电场效果。
另外，在更短的脉冲LEEFT的优势更加明显。当CEFT使用短脉冲宽度进行杀菌时，发现杀菌效果会急剧下降，而LEEFT只有轻微下降。因此与传统的CEFT相比，该种LEEFT将杀菌时间缩短了100万倍。
该实验研究员王婷（音译，Ting Wang）博士对佐治亚理工学院新闻室表示，“从理论上讲纳秒脉冲太短，无法在传统电场处理中杀死细菌，因为破坏细菌的外层需要时间，但这种新的纳秒脉冲却能超快速杀菌。这归功于LEEFT的纳米楔和纳米结构，让细菌细胞膜直接接触到电荷后被破坏。”
她还表示，“我们发现一般的纳秒脉冲跟LEEFT一样也可以杀细菌，但LEEFT对水进行消毒去污时，所需的电力较少，使得它成为一种大家能负担得起的选择，也预示着未来生产清洁的水时，对环境造成的影响会更小。”
该大学土木与环境工程学院助理教授谢星（音译，Xing Xie）也表示，“这是一项非常新的消毒技术，我们希望先进行小规模示范，最后再进行大规模的净水。”