Предложен быстрый способ стерилизации воды

Рис. 1. Схема, приготовление и устройство фильтра из хлопка, серебряных нанопроволок и углеродных нанотрубок. (A) Схематический рисунок предложенного прибора. (B) Пропитка хлопка углеродными нанотрубками. (C) Обогащение фильтра нанопроволоками из серебра. (D) Внедрение приготовленного фильтра в воронку. (E) Изображение крупномасштабной структуры хлопковых нитей, полученное сканирующим электронным микроскопом (СЭМ). (F) СЭМ-изображение серебряных нанопроволок. (G) СЭМ-изображение, демонстрирующее переплетение углеродных нанотрубок с хлопковыми нитками. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nano Letters

Очистка воды от бактерий и других микроорганизмов представляет собой, несмотря на свою обыденность, очень важную и серьезную научную проблему. Существующие способы ее решения либо слишком дорогостоящи, либо занимают продолжительное время. Коллектив ученых из Стэндфордского университета США, используя микроскопические нити из шелка, углеродные нанотрубки и нанопроволочки из серебра, создал принципиально новый фильтр для удаления микробов из воды. Фильтр стерилизует водную среду за нескольких секунд с эффективностью более 98% и при этом обладает высокой пропускной способностью (порядка 100 000 л/ч·м²).

Эффективная очистка воды от разнообразных видов загрязнений остается одной из главных задач человечества. К сожалению, эта проблема до сих пор актуальна. Сейчас освобождение воды от примесей осуществляется комбинированным образом, начиная с механического этапа очистки, когда происходит избавление воды от макроскопических примесей, и заканчивая физико-химическими методами, предназначенными для ликвидации токсичных веществ и элементов. Промежуточный, биологический, этап очистки — это стерилизация воды (уничтожение содержащихся в жидкости бактерий и других опасных микроорганизмов). Существующие механизмы биологической очистки воды обладают рядом недостатков. Во-первых, их длительность составляет несколько часов, а то и больше. Во-вторых, некоторые из них основаны на технологии пропускания воды через специальные дорогостоящие мембранные фильтры, которые довольно быстро забиваются и приходят в негодность.

Коллектив ученых из Стэндфордского университета предложил новую систему избавления воды от бактерий и микроорганизмов. Она деактивирует бактерии за несколько секунд с эффективностью более 98%, обладает высокой пропускной способностью — порядка 100 000 л/ч·м², легко может быть интегрирована в существующие системы очистки и, по словам первооткрывателей, значительно дешевле используемых сейчас фильтрационных технологий. Результаты исследований опубликованы в статье High Speed Water Sterilization Using One-Dimensional Nanostructures в журнале Nano Letters.

Для создания своего фильтра американские ученые использовали хлопок, нанопроволоки серебра и углеродные нанотрубки (рис. 1). Устройство фактически представляет собой трехуровневую, если говорить о масштабе, конструкцию. Самую крупную деталь фильтра образуют нити. Они тесным образом переплетены между собой, формируя полости с характерным размером в интервале от 10 до 100 микрометров, и служат для предотвращения засорения устройства предметами, которые каким-то образом не были задержаны на механическом этапе очистки.

Следующий, более мелкий компонент фильтра, — проволочки серебра с диаметрами, варьирующимися от 40 до 100 нм и длиной до 40 мкм, располагающиеся в полостях, образованных хлопковыми нитями. Ученые остановили свой выбор на этом благородном металле по двум причинам. Во-первых, это хорошо известные бактерицидные свойства нанометровых частиц серебра (см., например, статью The Role of Antimicrobial Silver Nanotechnology в журнале Medical Device & Diagnostic Industry). Во-вторых, как показали недавние эксперименты, антибактериальное действие серебряных нанопроволок, усиливается, если к ним приложить электрическое поле (см. рис. 2). Поэтому, чтобы максимально повысить эффективность работы фильтра, авторы статьи решили использовать нанопроволоки из серебра, а затем подключить их к источнику электрического тока (рис. 1А).

Рис. 2. Зависимость концентрации бактерий кишечной палочки Escherichia coli от времени в среде, содержащей серебряные нанопроволочки. Данные приведены для различных значений напряженности электрического поля, приложенного к среде: (a) 0, (b) 10, (c) 20, (d) 30, (e) 40 и (f) 50 В/см. График (g) демонстрирует рост числа бактерий в отсутствие серебра и электрического поля. Рисунок из статьи Omid Akhavan & Elham Ghaderi Enhancement of antibacterial properties of Ag nanorods by electric field в журнале Science and Technology of Advanced Materials

Однако, чтобы электрическое поле добралось к серебряным нанопроволокам и не экранировалось хлопковыми диэлектрическими нитями, необходимо было найти такой компонент фильтра, который, помимо хорошей электрической проводимости, должен подходить по размерам и может быть легко встроен в фильтр.

В качестве такого компонента исследователи задействовали углеродные нанотрубки, которые были вплетены в нити из хлопка. Весь поэтапный процесс создания фильтра изображен на рисунке 2 В–G.

Далее авторы статьи перешли к апробации устройства. Для этого исследователи поместили его в сужение специальной воронки (рис. 1D), в которую подавалась вода со скоростью потока 1 литр в час (или 80 000 Л/ч·м²). Сама жидкость предварительно была инфицирована разновидностью кишечной палочки Escherichia coli с концентрацией бактерий 10⁷ на миллилитр. Прикладывая электрическое напряжение к фильтру, ученые измерили эффективность работы устройства — количество деактивированных бактерий по отношению к их первоначальному значению (рис. 3).

Рис. 3. Эффективность (отношение количества убитых бактерий к их первоначальному значению) деактивации кишечной палочки фильтром (хлопок + серебряные нанопроволоки + углеродные нанотрубки) при приложении к нему различных напряжений (голубая кривая) по сравнению с аналогичным устройством, в котором не содержится серебро. Результаты приведены для фильтра цилиндрической формы диаметром 4 мм и длиной 2,5 см. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nano Letters

Из графика видно, что наибольший КПД работы фильтра достигается при напряжении –20 и +20 В: 89 и 77% соответственно. Эти показатели, по утверждению авторов статьи, можно улучшить до 98% и даже больше, если использовать три подряд идущих фильтра. Ученые также подчеркивают тот факт, что процесс стерилизации воды занимает всего несколько секунд — значительно меньше, чем у использующихся сейчас методик биологической очистки.

Правда, полного понимания механизмов деактивации бактерий пока что нет. В своей статье исследователи выдвинули гипотезу, согласно которой, помимо антибактериального действия серебра, ответственность за гибель кишечной палочки несет также колоссальное электрическое поле, возникающее в нанометровой окрестности серебряных проволочек. Проведенное численное моделирование показало, что на первый взгляд безобидное напряжение в 20 В генерирует электрическое поле напряженностью порядка 1000 кВ/см. Такая огромная напряженность, вероятно, порождает сильную электропорацию — образование в оболочках бактерий «дырок». Скорее всего, совместное действие этих двух факторов и приводит к гибели бактерий.

Авторы статьи обсуждают и недостатки устройства. Прежде всего, очевидно, что при протекании через конструкцию воды в ней остаются пускай и ничтожные, но всё-таки следы от углеродных нанотрубок и наноскопических серебряных проволок. Поэтому в ходе последующих экспериментов предстоит удостовериться в том, что комбинация этих веществ, пускай и в очень маленьком количестве, для человека совершенно нетоксична. Кроме того, эффективность работы конструкции была продемонстрирована лишь для бактерий Escherichia coli, и неясно, будет ли также эффективно данный фильтр работать с другими микроорганизмами. И хотя бактерицидный эффект серебра не является избирательным по отношению к видам микробов, авторы статьи осознают, что этот факт также нуждается в тщательном изучении.

В любом случае, фильтр с такими характеристики, безусловно, перспективен, а потому нам остается лишь ждать развития ситуации в виде новых публикаций.

Источник: David T. Schoen, Alia P. Schoen, Liangbing Hu, Han Sun Kim, Sarah C. Heilshorn, Yi Cui. High Speed Water Sterilization Using One-Dimensional Nanostructures // Nano Letters. Publication Date (Web): August 20, 2010. DOI: 10.1021/nl101944e.

Юрий Ерин

<< Назад