Очищение воды силой солнца

Oct 16, 2023

Опубликовано: 17 марта 2023 г.

Автор: Бретт Бисли

«Сегодня большими проблемами являются информационные технологии и энергетика, — говорит Ласло Форро, профессор физики сложной квантовой материи Университета Нотр-Дам Ласло Форро, профессор физики и астрономии Университета Нотр-Дам, — но завтра большой проблемой станет вода."

Всемирная организация здравоохранения сообщает, что сегодня почти два миллиарда человек регулярно потребляют загрязненную воду. По оценкам, к 2025 году половина населения мира может столкнуться с нехваткой воды. Многие из пострадавших проживают в сельских районах, где отсутствует инфраструктура, необходимая для эксплуатации современных водоочистителей, в то время как многие другие находятся в районах, пострадавших от войны, стихийных бедствий или загрязнения. Сейчас как никогда велика потребность в инновационных способах расширения доступа к воде для тех, кто живет без электричества, канализации и транспортных сетей.

Недавно лаборатория Форро разработала именно такое решение. Они создали очиститель воды, описанный в партнерском журнале Nature Clean Water, который работает на ресурсе, к которому имеют доступ почти все наиболее уязвимые люди в мире: солнце.

Ключевым компонентом системы Форро является диоксид титана. Диоксид титана — легкодоступный материал, известный своими светорассеивающими свойствами. В одной форме это пигмент, который придает некоторым краскам и зубным пастам характерный «титановый белый» цвет. Он также служит активным ингредиентом солнцезащитных кремов, поглощая свет еще до того, как он достигнет кожи.

Диоксид титана также может реагировать на свет другим способом: производя высокореактивные формы кислорода, называемые «свободными радикалами». Эти свободные радикалы способны уничтожать паразитов, бактерий и вирусов, обнаруженных в загрязненной воде.

Форро и его коллеги поняли, что если они смогут производить достаточно большое количество диоксида титана в форме нанопроволоки, они смогут найти способ использовать его для очистки воды. Нанопроволоки имели ширину около 10 нанометров, что составляет около 6000 ширины человеческого волоса. Загвоздка заключалась в том, что большинство лабораторий могли одновременно создавать только несколько граммов нанопроводов. Однако Форро и химик Эндре Хорват разработали новый процесс, позволяющий генерировать нанопроволоки диоксида титана в больших количествах. Новый процесс имел важное преимущество. Он мог бы производить килограмм (более двух фунтов) нанопроволок за раз.

Имея в своем распоряжении большее количество нанопроволок из диоксида титана, Форро и его коллеги смогли создать новые композитные материалы. Они смешали нанопроволоки с нанотрубками из углерода в суспензии, образовав своего рода сетку. Они осушили сетку и утончили ее лезвием, пока она не стала тоньше листа копировальной бумаги. Затем они нагревали материал до тех пор, пока его компоненты не соединились вместе, образовав мембрану, которую можно было использовать в качестве фильтра.

Чтобы построить систему очистки, команда Форро поместила фильтр между стеклами и создала вход в верхней части одного конца и выход в нижней части противоположного конца. Они предположили, что вода, поступающая в устройство, будет очищаться тремя различными процессами, протекающими параллельно друг другу. Один из них — механическая фильтрация. Фильтрующий материал будет блокировать прохождение более крупных частиц через бумагу. В то же время солнечный свет будет взаимодействовать с диоксидом титана, производя свободные радикалы и уничтожая любые микробы, присутствующие в воде. Одновременно солнечный свет нагревал фильтровальную бумагу и окружающую воду, пастеризуя ее и дополнительно гарантируя уничтожение любых вредных микроорганизмов. Затем очищенная вода могла выйти из устройства готовой к употреблению.

Когда прототип был полностью собран, Форро и его коллеги смогли подвергнуть его серии испытаний. В одном испытании использовалась вода из близлежащей реки. Они проверили воду на наличие кишечной палочки до и после фильтрации и обнаружили, что устройство способно полностью уничтожить любую кишечную палочку из воды. Они также протестировали устройство на воде, смешанной с «коктейлем» из девяти различных загрязнителей. В их число входили остатки лекарств, пестициды, средства по уходу, гормоны и косметика. Они обнаружили, что трехэтапный процесс очистки фильтра удаляет из воды значительную часть даже этих загрязняющих молекул.