Použití světla k dezinfekci vody

Přístup k čisté pitné vodě je pro lidi v rozvojových zemích trvalým problémem. A dokonce i města, která mají dobré systémy úpravy vody, hledají lepší způsoby, jak dodávat bezpečnější a čistší vodu. Nyní mezinárodní výzkumný tým vyvinul fotokatalyzátor, který slibuje rychlou a účinnou dezinfekci vody pomocí slunečního nebo umělého světla. A co víc, fotokatalyzátor funguje i po zhasnutí světla a dezinfikuje vodu i ve tmě.

Přichází čisté: Mikrofotografie ukazuje povrch světlem aktivovaného katalyzátoru, který dezinfikuje vodu i ve tmě. Nanočástice palladia na povrchu oxidu titaničitého dopovaného dusíkem pomáhají prodloužit dezinfekční sílu katalyzátoru až na 24 hodin.

Již dlouho je známo, že ozařování vody ultrafialovým světlem o vysoké intenzitě zabíjí bakterie. Tuto technologii využívají například některé vodní filtry vyrobené pro táborníky a turisty. Výzkumníci pracovali na zvýšení účinnosti metody přidáním fotokatalyzátoru, který se aktivuje UV světlem a vytváří reaktivní chemické sloučeniny, které rozkládají mikroby na oxid uhličitý a vodu.

Nový fotokatalyzátor to vylepšuje tím, že místo UV světla používá viditelné světlo. Syntetizoval Jian-Ku Shang , profesor materiálové vědy a inženýrství na University of Illinois, Urbana-Champaign, a jeho kolegové, fotokatalyzátor pracuje se světlem ve viditelném spektru – vlnové délky mezi 400 a 550 nanometry. Skládá se z vláken oxidu titaničitého – běžného materiálu používaného jako bílý pigment – ​​dopovaného dusíkem, aby absorboval viditelné světlo. Samotný oxid titaničitý dopovaný dusíkem zabíjí bakterie, i když ne účinně. Vědci přidali nanočástice palladia na povrch vláken, čímž výrazně zvýšili účinnost dezinfekce. On a jeho kolegové z Shenyang National Laboratory for Materials Sciences v Číně publikovali svou práci online na webu Journal of Materials Chemistry .

Bylo by velmi pěkné přesunout aktivitu tradičních [fotokatalyzátorových] materiálů, které byly aktivovány pouze ultrafialovým zářením, na viditelné, říká Alexander Orlov, odborný asistent materiálové vědy a inženýrství na Stony Brook University v New Yorku. Pokud se podíváte na sluneční spektra, obsahuje pouze 5 procent ultrafialového záření a asi 46 procent viditelného. Takové fotokatalyzátory by umožnily efektivnější využití solární energie i využití uvnitř budov, protože fluorescenční osvětlení obsahuje velmi málo ultrafialového světla.

Shang a jeho kolegové testovali fotokatalyzátor jeho umístěním do roztoku obsahujícího vysokou koncentraci E-coli bakterií a poté na roztok po různou dobu posvítit halogenovou stolní lampou. Po hodině klesla koncentrace bakterií z 10 milionů buněk na litr na pouhou jednu buňku na 10 000 litrů.

Vědci také testovali schopnost fotokatalyzátoru dezinfikovat ve tmě. Svítili na vlákna po dobu 10 hodin, aby simulovali vystavení dennímu světlu, a poté je uložili na různé doby ve tmě. I po 24 hodinách fotokatalyzátor stále zabíjel bakterie. Ve skutečnosti stačilo jen několik minut osvětlení, aby fotokatalyzátor zůstal aktivovaný po tuto dobu.

Obvykle, když máte fotokatalyzátor, aktivita se zastaví téměř okamžitě, když se světlo vypne, říká Shang. Chemický druh, který vytvoříte, bude trvat jen několik nanosekund. To je podstatná nevýhoda fotokatalytického systému, protože potřebujete aktivaci světla v podstatě pořád.

Nanočástice palladia zvyšují výkon fotokatalyzátoru dvěma způsoby. Když fotony dopadnou na materiál, vytvoří dvojice kladných a záporných nábojů – díry a elektrony. Kladně nabité otvory na povrchu dusíkem dopovaného oxidu titaničitého reagují s vodou za vzniku hydroxylových radikálů, které pak napadají bakterie. Nanočástice palladia dělají to, že zachytávají elektrony pryč, takže většina děr, které vytvoříte, bude schopna přežít, aniž by byly neutralizovány elektrony, říká Shang.

Jakmile nanočástice uchopí elektrony, vstoupí do jiného chemického stavu a uloží negativní náboje. Když je světlo vypnuté, náboj se pomalu uvolňuje a toto pomalé uvolňování nám dává ten paměťový efekt, říká Shang. Tento náboj může reagovat s molekulami vody a znovu produkovat oxidační činidla. Říká, že nanočástice jiných přechodných kovů, jako je stříbro, také zvyšují účinnost fotokatalyzátoru.

Fotokatalyzátor nabízí možnost dezinfikovat na plný výkon během dne a poté pokračovat v práci v noci nebo při výpadcích proudu. Také, protože k dezinfekci dochází rychle, systémy by mohly být navrženy tak, aby čistily velké objemy vody vystavením světlu, když voda protéká potrubím, říká Shang.

skrýt