美国科学家研发新型水消毒方法 更快和更环保_电场_细菌_消毒

工业污染造成的水污染是个全球性问题。目前世界上采用的传统的消毒方法又对环境和人体产生二次伤害,为解决这一问题,美国佐治亚理工学院找到一种利用小电流对水进行快速消毒的方法,不仅节省大量成本,还能将该方法用于电网中,更能使用电池的电源对水源进行消毒工作。该方法在今年被发表到《科学》杂志上。

传统的水消毒通常使用强氧化剂(氯离子或臭氧)或其它化学药剂,以破坏微生物的细胞结构,但化学消毒方法容易产生致癌的消毒副产物,或细菌出现抗药性等问题。为此又有了紫外光(UV)、热处理、电场处理或使用光催化剂二氧化钛等杀菌方法,但这些所需要的条件较高或处理时间较长。

对此,科学家寻找那些能在最短时间内达到灭菌的方法,并加以改良。首先他们想到传统电场处理(CEFT)。这种方法是水中的细菌接触到电,细菌的细胞膜就变成电路中的电容器一样累积电能,最终被电流杀死。但水的低电导率意味着该种方法无法快速杀死细菌,在成本上高于传统化学消毒法,同时需要施加极高的电压(通常为几十千伏)才能完成消毒,有着高能耗和安全方面的问题。

因此,研究人员想到使用局部增强电场(LEEFT)方法达到快速杀菌。他们在该方法上使用一种镀上金的纳米电极(含纳米楔),并对电极进行通电,当通电时电荷会集中,加大电场的强度,最终把电流快速传至细菌的细胞膜上,达到快速杀死细菌的目的。

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为了测试该技术,他们在方形晶片嵌入镀金纳米的电极(含纳米楔),再把实验室和供水系统中常见的葡萄球菌添加到晶片上,并对晶片的电击施加电脉冲,最后观察葡萄球菌在显微镜下的实际反应情况。

首先,他们对晶片上金电极间隙上施加138伏特电压时,得到的电场为55 kV/cm-1,并每隔20纳秒进行一次脉冲,发现电击附近只有26.6%的细菌被消灭。为此将电场调至40kV/cm-1,并进行十个20纳秒的脉冲后,有95.1%的细菌成功被杀死。

另外,他们对LEEFT与CEFT进行杀菌速度性比较。发现CEFT在2,000纳秒长时间脉冲中,能以40kV/cm-1电场实现大于95%的细菌灭活效果,但在LEEFT中只需12kV/cm-1电场就能达到该效果,其原因是纳米楔尖端处增强了电场效果。

另外,在更短的脉冲LEEFT的优势更加明显。当CEFT使用短脉冲宽度进行杀菌时,发现杀菌效果会急剧下降,而LEEFT只有轻微下降。因此与传统的CEFT相比,该种LEEFT将杀菌时间缩短了100万倍。

该实验研究员王婷博士对佐治亚理工学院新闻室表示,“从理论上讲纳秒脉冲太短,无法在传统电场处理中杀死细菌,因为破坏细菌的外层需要时间,但这种新的纳秒脉冲却能超快速杀菌。这归功于LEEFT的纳米楔和纳米结构,让细菌细胞膜直接接触到电荷后被破坏。”

她还表示,“我们发现一般的纳秒脉冲跟LEEFT一样也可以杀细菌,但LEEFT对水进行消毒去污时,所需的电力较少,使得它成为一种大家能负担得起的选择,也预示着未来生产清洁的水时,对环境造成的影响会更小。”

该大学土木与环境工程学院助理教授谢星也表示,“这是一项非常新的消毒技术,我们希望先进行小规模示范,最后再进行大规模的净水。”

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