211service.com
Brug af lys til at desinficere vand
At få adgang til rent drikkevand er et vedvarende problem for mennesker i udviklingslandene. Og selv byer, der har gode vandbehandlingssystemer, leder efter bedre måder at levere sikrere og renere vand på. Nu har et internationalt forskerhold udviklet en fotokatalysator, der lover hurtig, effektiv desinfektion af vand ved hjælp af sollys eller kunstigt lys. Desuden fortsætter fotokatalysatoren med at arbejde, efter at lyset er slukket, og desinficerer vand selv i mørke.
Kommer rent: Et mikrofotografi viser overfladen af en lysaktiveret katalysator, der desinficerer vand selv i mørke. Palladium-nanopartikler på overfladen af et nitrogen-doteret titaniumoxid hjælper med at forlænge katalysatorens desinfektionsevne op til 24 timer.
Det har længe været kendt, at bestråling af vand med høj-intensitet ultraviolet lys dræber bakterier. Nogle vandfiltre lavet til campister og vandrere bruger for eksempel denne teknologi. Forskere har arbejdet på at forbedre metodens effektivitet ved at tilføje en fotokatalysator, der aktiveres af UV-lys og genererer reaktive kemiske forbindelser, der nedbryder mikrober til kuldioxid og vand.
Den nye fotokatalysator forbedrer det ved at bruge synligt lys i stedet for UV. Syntetiseret af Jian-Ku Shang , professor i materialevidenskab og teknik ved University of Illinois, Urbana-Champaign, og hans kolleger, arbejder fotokatalysatoren med lys i det synlige spektrum – bølgelængder mellem 400 og 550 nanometer. Det består af fibre af titaniumoxid - et almindeligt materiale, der bruges som et hvidt pigment - dopet med nitrogen for at få det til at absorbere synligt lys. Alene dræber det nitrogen-doterede titaniumoxid bakterier, dog ikke effektivt. Forskerne tilføjede nanopartikler af palladium til overfladen af fibrene, hvilket i høj grad øgede effektiviteten af desinfektionen. Han og hans kolleger ved Shenyang National Laboratory for Materials Sciences i Kina offentliggjorde deres arbejde online i Journal of Materials Chemistry .
Det ville være meget rart at flytte aktiviteten af de traditionelle [fotokatalysator] materialer, som kun blev aktiveret af ultraviolet stråling, til synlige, siger Alexander Orlov, assisterende professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved Stony Brook University i New York. Hvis man ser på solspektrene, indeholder det kun 5 procent ultraviolet og omkring 46 af synligt. Sådanne fotokatalysatorer ville gøre det muligt at bruge solenergi mere effektivt såvel som indendørs, da fluorescerende belysning indeholder meget lidt ultraviolet lys.
Shang og hans kolleger testede fotokatalysatoren ved at placere den i en opløsning indeholdende en høj koncentration af E coli bakterier og derefter tænde en halogenbordslampe på løsningen i varierende længde. Efter en time faldt koncentrationen af bakterier fra 10 millioner celler per liter til blot én celle per 10.000 liter.
Forskerne testede også fotokatalysatorens evne til at desinficere i mørke. De skinnede lys på fibrene i 10 timer for at simulere eksponering for dagslys og opbevarede dem derefter i mørke i forskellige tidspunkter. Selv efter 24 timer dræbte fotokatalysatoren stadig bakterier. Faktisk var blot et par minutters belysning nok til at holde fotokatalysatoren aktiveret i op til det tidsrum.
Typisk, når du har en fotokatalysator, stopper aktiviteten næsten øjeblikkeligt, når lyset slukkes, siger Shang. Den kemiske art, du genererer, vil kun vare et par nanosekunder. Dette er en iboende ulempe ved et fotokatalytisk system, da du har brug for lysaktivering stort set hele tiden.
Palladium-nanopartiklerne øger fotokatalysatorens kraft på to måder. Når fotoner rammer materialet, skaber de par af positive og negative ladninger - huller og elektroner. De positivt ladede huller på overfladen af det nitrogen-doterede titaniumoxid reagerer med vand for at producere hydroxylradikaler, som derefter angriber bakterier. Hvad palladium-nanopartikler gør, er, at de griber elektroner væk, så de fleste af de huller, du producerer, vil være i stand til at overleve uden at blive neutraliseret af elektroner, siger Shang.
Så snart de griber elektronerne, går nanopartiklerne ind i en anden kemisk tilstand og lagrer de negative ladninger. Når lyset slukkes, frigives den ladning langsomt, og den langsomme frigivelse er det, der giver os den hukommelseseffekt, siger Shang. Den ladning kan reagere med vandmolekyler og producere oxidationsmidler igen. Han siger, at nanopartikler af andre overgangsmetaller, som sølv, også forbedrer fotokatalysatorens effektivitet.
Fotokatalysatoren giver mulighed for at desinficere ved fuld kraft i løbet af dagen og derefter fortsætte med at arbejde om natten eller under strømafbrydelser. Også fordi desinfektionen sker hurtigt, kan systemer designes til at rense store mængder vand ved at udsætte det for lys, når vandet strømmer gennem rør, siger Shang.