211service.com
Używanie światła do dezynfekcji wody
Dostęp do czystej wody pitnej jest stałym problemem mieszkańców krajów rozwijających się. Nawet miasta, które mają dobre systemy uzdatniania wody, szukają lepszych sposobów dostarczania bezpieczniejszej i czystszej wody. Teraz międzynarodowy zespół badawczy opracował fotokatalizator, który obiecuje szybką i skuteczną dezynfekcję wody za pomocą światła słonecznego lub sztucznego. Co więcej, fotokatalizator działa nawet po zgaszeniu światła, dezynfekując wodę nawet w ciemności.
W porządku: Mikrografia pokazuje powierzchnię katalizatora aktywowanego światłem, który dezynfekuje wodę nawet w ciemności. Nanocząsteczki palladu na powierzchni domieszkowanego azotem tlenku tytanu pomagają wydłużyć działanie dezynfekcyjne katalizatora do 24 godzin.
Od dawna wiadomo, że napromieniowanie wody światłem ultrafioletowym o wysokim natężeniu zabija bakterie. Niektóre filtry do wody przeznaczone na przykład dla wczasowiczów i turystów pieszych wykorzystują tę technologię. Naukowcy pracują nad zwiększeniem skuteczności metody poprzez dodanie fotokatalizatora, który jest aktywowany przez światło UV i generuje reaktywne związki chemiczne, które rozkładają drobnoustroje na dwutlenek węgla i wodę.
Nowy fotokatalizator poprawia to, wykorzystując światło widzialne, a nie UV. Zsyntetyzowany przez Jian-Ku Shang , profesor inżynierii materiałowej na University of Illinois, Urbana-Champaign, wraz z kolegami, fotokatalizator pracuje ze światłem w zakresie widzialnym o długości fal od 400 do 550 nanometrów. Składa się z włókien tlenku tytanu – powszechnego materiału używanego jako biały pigment – domieszkowanego azotem w celu pochłaniania światła widzialnego. Sam tlenek tytanu domieszkowany azotem zabija bakterie, choć nie skutecznie. Naukowcy dodali nanocząsteczki palladu do powierzchni włókien, znacznie zwiększając skuteczność dezynfekcji. On i jego koledzy z Narodowego Laboratorium Materiałoznawstwa Shenyang w Chinach opublikowali swoje prace online w Czasopismo Chemii Materiałowej .
Byłoby bardzo miło przenieść aktywność tradycyjnych materiałów [fotokatalizatorów], które były aktywowane tylko przez promieniowanie ultrafioletowe, na widzialne, mówi Alexander Orłow, adiunkt inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Stony Brook w Nowym Jorku. Jeśli spojrzysz na widma słoneczne, zawiera tylko 5 procent ultrafioletu i około 46 widzialnego. Takie fotokatalizatory umożliwiłyby bardziej efektywne wykorzystanie energii słonecznej, a także wykorzystanie jej w pomieszczeniach, ponieważ oświetlenie fluorescencyjne zawiera bardzo mało światła ultrafioletowego.
Shang i jego koledzy przetestowali fotokatalizator umieszczając go w roztworze o wysokim stężeniu E coli bakterie, a następnie świecenie halogenową lampą biurkową na roztwór przez różne okresy czasu. Po godzinie stężenie bakterii spadło z 10 milionów komórek na litr do zaledwie jednej komórki na 10 000 litrów.
Naukowcy przetestowali również zdolność fotokatalizatora do dezynfekcji w ciemności. Oświetlali włókna światłem przez 10 godzin, aby symulować ekspozycję na światło dzienne, a następnie przechowywali je w ciemności przez różne czasy. Nawet po 24 godzinach fotokatalizator nadal zabijał bakterie. W rzeczywistości wystarczyło zaledwie kilka minut świecenia, aby fotokatalizator był aktywny przez ten czas.
Zazwyczaj, gdy masz fotokatalizator, aktywność zatrzymuje się niemal natychmiast po wyłączeniu światła, mówi Shang. Wygenerowane przez ciebie związki chemiczne będą trwać tylko kilka nanosekund. Jest to nieodłączna wada systemu fotokatalitycznego, ponieważ zasadniczo przez cały czas wymagana jest aktywacja światłem.
Nanocząstki palladu zwiększają moc fotokatalizatora na dwa sposoby. Kiedy fotony uderzają w materiał, tworzą pary ładunków dodatnich i ujemnych – dziury i elektrony. Dodatnio naładowane dziury na powierzchni domieszkowanego azotem tlenku tytanu reagują z wodą, tworząc rodniki hydroksylowe, które następnie atakują bakterie. To, co robią nanocząstki palladu, to wychwytywanie elektronów, dzięki czemu większość wytwarzanych dziur będzie w stanie przetrwać bez neutralizacji przez elektrony, mówi Shang.
Gdy tylko przejmą elektrony, nanocząstki przechodzą w inny stan chemiczny i przechowują ładunki ujemne. Kiedy światło jest wyłączone, ładunek jest powoli uwalniany i to powolne uwalnianie daje nam efekt pamięci, mówi Shang. Ładunek ten może reagować z cząsteczkami wody, ponownie wytwarzając środki utleniające. Mówi, że nanocząsteczki innych metali przejściowych, takich jak srebro, również zwiększają skuteczność fotokatalizatora.
Fotokatalizator oferuje możliwość dezynfekcji z pełną mocą w ciągu dnia, a następnie kontynuowania pracy w nocy lub podczas przerw w dostawie prądu. Ponadto, ponieważ dezynfekcja przebiega szybko, systemy można zaprojektować tak, aby czyściły duże ilości wody poprzez wystawienie jej na działanie światła, gdy woda przepływa przez rury, mówi Shang.