Це може врятувати мільйони: нова технологія дозволяє очищати воду як ніколи раніше

Глобальний дефіцит безпечної води змушує науковців шукати радикально нові методи боротьби з патогенами та промисловими токсинами. Інноваційна розробка обіцяє очищення стічних вод від складних забруднювачів без використання дорогих реагентів чи рідкісних металів.

У чому суть відкриття

Сьогодні понад 3,6 мільярда людей у всьому світі відчувають брак доступу до безпечної питної води. Прогнозується, що до 2050 року ця цифра може перевищити 5,7 мільярда осіб. Традиційні методи очищення часто покладаються на хлорування чи використання складних хімічних окислювачів, які можуть залишати по собі шкідливі побічні продукти або вимагати значних енергетичних витрат. У відповідь на цей виклик група дослідників представила в журналі Nature Communications революційну систему на основі полімерної наногубки (PNS).

Дивіться також У Японії створили фотополімер для 3D-друку, відходи якого можна використовувати повторно

Основу нової технології становить контактний електрокаталіз (CEC). Це перспективна методика, що поєднує контактну електризацію, механохімію та каталіз. На відміну від класичних методів, CEC не потребує використання благородних або рідкоземельних металів, що робить його значно дешевшим і екологічнішим.

Це закладає основу для передових каталітичних застосувань у виробництві перекису водню та пропонує стійке, ефективне й економічно вигідне рішення для видалення мікрозабруднювачів,
– прокоментували своє дослідження автори.

Якщо оперативні новини для вас важливі Додайте 24 Канал у вибрані в Google Додати

Конструкція наногубки PNS є багатошаровою. Учені взяли за основу комерційну мідну губку з порами розміром близько 90 пор на дюйм. Спочатку її піддали піролізу при температурі 500 градусів Цельсія протягом 5 годин, що стимулювало ріст нанодротів оксиду міді на її поверхні. На другому етапі отриману структуру покрили політетрафторетиленом (PTFE), відомим як тефлон, і закріпили покриття при температурі 350 градусів Цельсія.

Така структура дозволяє матеріалу бути надзвичайно стабільним: він не руйнується під впливом ультразвуку і не забруднює воду іонами міді, оскільки полімерне покриття надійно захищає метал.

Як це працює

Принцип роботи системи базується на впливі ультразвуку з потужністю близько 0,1 вата на сантиметр кубічний. Коли наногубку занурюють у воду і вмикають ультразвук, виникають кавітаційні бульбашки, які при колапсі створюють потужні мікрострумені. Це провокує часті цикли контакту та розділення між водою та полімером, створюючи сильне міжфазне електричне поле інтенсивністю до 5 – 10 в 7-му степені вольт на метр. Це поле викликає електропорацію – процес створення мікропор у мембранах бактерій, що призводить до їхньої загибелі.

Нанотрубки, які відіграють головну роль у процесі очищення / Зображення Ген-Шен Лінь та інших авторів дослідження

Паралельно з фізичним руйнуванням клітин система генерує активні форми кисню (ROS), такі як гідроксильні радикали та супероксид-іони. Швидкість виробництва перекису водню цією системою досягає 20,2 мікромоля на годину з погрішністю в 0,1 мікромоля, що значно перевищує показники попередніх аналогів, які використовували фото- чи п'єзокаталіз.

Комбінація електричного шоку та хімічного окислення дозволяє знищити понад 99% бактерій, таких як кишкова паличка (E. coli) та золотистий стафілокок (S. aureus), лише за 3 хвилини.

Хімічні забурдники

Окрім дезінфекції, наногубка PNS продемонструвала вражаючу ефективність у видаленні хімічних забруднювачів. Під час експериментів система за 60 хвилин майже повністю (понад 99%) видалила органічні барвники, такі як кристалічний фіолетовий і метиловий синій.

Також технологія впоралася з важкими металами, зокрема з відновленням токсичного хрому, та розклала 6PPD-хінон – небезпечну речовину, що вимивається зі старих автомобільних шин і отруює водойми.

Технологія демонструє чудову довговічність

Практична цінність винаходу підкріплюється його довговічністю. Дослідники провели 60 циклів очищення в реакторі періодичної дії, і наногубка не втратила своєї ефективності.

Ми передбачаємо масштабну систему, придатну для безперервного потокового оброблення промислових стічних вод,
– наголошують науковці.

Собівартість виробництва такого матеріалу становить приблизно 37,4 долара за кілограм, причому основні витрати припадають на сировину, а витрати на енергію є мінімальними.

Дивіться також Температурний парадокс: чому парникові гази водночас гріють і охолоджують планету

Випробування та перспективи

Випробування на реальних зразках води з річок та озер поблизу Національного університету Тайваню підтвердили універсальність методу. Навіть у природних умовах система забезпечувала видалення понад 99% мікроорганізмів.

Така технологія може стати ідеальним рішенням як для невеликих побутових фільтрів, так і для централізованих станцій очищення, відкриваючи шлях до сталого управління водними ресурсами планети.