美研發新型水消毒方法 更快和更環保

【2023年03月21日訊】(大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導)工業污染造成的水污染是個全球性問題。目前世界上採用的傳統的消毒方法又對環境和人體產生二次傷害,為解決這一問題,美國佐治亞理工學院找到一種利用小電流對水進行快速消毒的方法,不僅節省大量成本,還能將該方法用於電網中,更能使用電池的電源對水源進行消毒工作。該方法在今年被發表到《科學》雜誌上。

傳統的水消毒通常使用強氧化劑(氯離子或臭氧)或其它化學藥劑,以破壞微生物的細胞結構,但化學消毒方法容易產生致癌的消毒副產物,或細菌出現抗藥性等問題。為此又有了紫外光(UV)、熱處理、電場處理或使用光催化劑二氧化鈦等殺菌方法,但這些所需要的條件較高或處理時間較長。

對此,科學家尋找那些能在最短時間內達到滅菌的方法,並加以改良。首先他們想到傳統電場處理(CEFT)。這種方法是水中的細菌接觸到電,細菌的細胞膜就變成電路中的電容器一樣累積電能,最終被電流殺死。但水的低電導率意味著該種方法無法快速殺死細菌,在成本上高於傳統化學消毒法,同時需要施加極高的電壓(通常為幾十千伏)才能完成消毒,有著高能耗和安全方面的問題。

因此,研究人員想到使用局部增強電場(LEEFT)方法達到快速殺菌。他們在該方法上使用一種鍍上金的納米電極(含納米楔),並對電極進行通電,當通電時電荷(電子)會集中,加大電場的強度,最終把電流快速傳至細菌的細胞膜上,達到快速殺死細菌的目的。

為了測試該技術,他們在方形晶片嵌入鍍金納米的電極(含納米楔),再把實驗室和供水系統中常見的葡萄球菌添加到晶片上,並對晶片的電擊施加電脈衝,最後觀察葡萄球菌在顯微鏡下的實際反應情況。

首先,他們對晶片上金電極間隙上施加138伏特(V)電壓時,得到的電場為55 kV/cm-1,並每隔20納秒(ns,十億分之一秒)進行一次脈衝,發現電擊附近只有26.6%的細菌被消滅。為此將電場調至40kV/cm-1,並進行十個20納秒的脈衝後,有95.1%的細菌成功被殺死。

另外,他們對LEEFT與CEFT(無納米楔)進行殺菌速度性比較。發現CEFT在2,000納秒長時間脈衝中,能以40kV/cm-1電場實現大於95%的細菌滅活效果,但在LEEFT中只需12kV/cm-1電場就能達到該效果,其原因是納米楔尖端處增強了電場效果。

另外,在更短的脈衝LEEFT的優勢更加明顯。當CEFT使用短脈衝寬度進行殺菌時,發現殺菌效果會急劇下降,而LEEFT只有輕微下降。因此與傳統的CEFT相比,該種LEEFT將殺菌時間縮短了100萬倍。

該實驗研究員王婷(音譯,Ting Wang)博士對佐治亞理工學院新聞室表示,「從理論上講納秒脈衝太短,無法在傳統電場處理中殺死細菌,因為破壞細菌的外層需要時間,但這種新的納秒脈衝卻能超快速殺菌。這歸功於LEEFT的納米楔和納米結構,讓細菌細胞膜直接接觸到電荷後被破壞。」

她還表示,「我們發現一般的納秒脈衝跟LEEFT一樣也可以殺細菌,但LEEFT對水進行消毒去污時,所需的電力較少,使得它成為一種大家能負擔得起的選擇,也預示著未來生產清潔的水時,對環境造成的影響會更小。」

該大學土木與環境工程學院助理教授謝星(音譯,Xing Xie)也表示,「這是一項非常新的消毒技術,我們希望先進行小規模示範,最後再進行大規模的淨水。」◇

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