Siūlomas greitas būdas sterilizuoti vandenį • Jurijus Yerinas • Mokslo naujienos apie "elementus" • Nanotechnologijos

Siūlomas greitas vandens sterilizavimo metodas.

Pav. 1. Filtro, pagamintos iš medvilnės, sidabrinių nanovamzdelių ir anglies nanovamzdelių, konstrukcija, paruošimas ir išdėstymas. (A) Siūlomo prietaiso schema. (B) Medvilnės impregnavimas anglies nanovamzdeliais. (C) Filtro praturtėjimas sidabro nanovamzdžiais. (D) Paruošto filtro įdėjimas į piltuvą. (E) Plastinės medvilnės siūlų struktūros vaizdas, gaunamas nuskaitymo elektroniniu mikroskopu (SEM). (F) SEM sidabrinių nanovamzdelių atvaizdas. (G) SEM vaizdas, rodantis anglies nanovamzdelių su medvilnės sriegiais susipynimą. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Nano raidės

Vandens iš bakterijų ir kitų mikroorganizmų valymas, nepaisant jo paprastumo, yra labai svarbi ir rimta mokslinė problema. Esami būdai tai išspręsti yra per brangu arba užtrunka ilgai. Stanfordo universiteto (JAV) mokslininkų komanda, naudojanti mikroskopinius šilko siūlus, anglies nanovamzdelius ir sidabrines nanoviras, sukūrė iš esmės naują filtrą, kuris pašalina mikrobus iš vandens. Filtras sterilizuoja vandeninę terpę per kelias sekundes, kai efektyvumas yra didesnis nei 98%, tuo pačiu metu jis turi didelę našumą (maždaug 100 000l / h · m2).

Veiksmingas vandens valymas iš įvairių rūšių taršos lieka vienas pagrindinių žmonijos uždavinių. Deja, ši problema vis dar aktuali. Dabar vanduo yra išlaisvintas iš priemaišų kombinuotu būdu, pradedant nuo mechaninio valymo etapo, kai vanduo yra išlaisvintas iš makroskopinių priemaišų ir baigiant fizikiniais ir cheminiais metodais, kuriais siekiama pašalinti toksiškas medžiagas ir elementus. Tarpinis, biologinis, valymo etapas – vandens sterilizavimas (bakterijų ir kitų skystų mikroorganizmų sunaikinimas). Esami biologinio vandens valymo mechanizmai turi tam tikrų trūkumų. Pirma, jų trukmė yra kelios valandos arba dar daugiau. Antra, kai kurie iš jų yra pagrįsti pratekėjimo vandens technologija per specialius brangus membraninius filtrus, kurie greitai užsikemša ir tampa netinkami.

Stanfordo universiteto mokslininkų komanda pasiūlė naują sistemą, skirtą atsikratyti vandens iš bakterijų ir mikroorganizmų. Jis deaktyvuoja bakterijas per kelias sekundes, kai efektyvumas yra didesnis nei 98%, turi didelį našumą – apie 100 000 l / h · m2, gali būti lengvai integruotos į esamas valymo sistemas ir, atradėjų nuomone, yra daug pigiau nei šiuo metu naudojamos filtravimo technologijos. Tyrimo rezultatai skelbiami straipsnyje "Spartus vandens sterilizavimas naudojant vienmatę nanostruktūrą" žurnale Nano raidės.

Amerikos mokslininkai, siekdami sukurti savo filtrą, naudojo medvilnę, sidabrines nanovamzdeles ir anglies nanovamzdelius (1 pav.). Įrenginys iš tiesų yra trijų lygių, jei mes kalbame apie skalę, dizainą. Didžioji dalis filtro sudaro sriegis. Jie yra glaudžiai tarpusavyje suformuojantys ertmes, kurių charakteristika yra nuo 10 iki 100 mikrometrų, ir padeda užkirsti kelią įrenginio užblokavimui objektuose, kurie mechaniniu valymo etapu kažkaip nebuvo uždelsti.

Kitas, mažesnis filtro komponentas – sidabriniai laidai, kurių skersmuo yra nuo 40 iki 100 nm, o ilgis iki 40 mikronų, kurie yra medvilnės siūlų pavidale. Mokslininkai pasirinko šį brangus metalą dėl dviejų priežasčių. Pirma, tai žinomos nanometro dydžio sidabro dalelių baktericidinės savybės (žr., Pvz., Straipsnį "Antimikrobinio sidabro nanotechnologijų vaidmuo žurnale" Medicinos prietaisų ir diagnostikos pramonė) Antra, kaip rodo neseniai atlikti eksperimentai, sidabro nanovamzdelių antibakterinis poveikis padidėja, jei joms taikomas elektrinis laukas (žr. 2 pav.). Todėl, norint maksimaliai padidinti filtro efektyvumą, autoriai nusprendė naudoti sidabrines nanoviras ir prijungti juos prie elektros srovės šaltinio (1A pav.).

Pav. 2 Escherichia coli bakterijų koncentracijos priklausomybė Escherichia coli laikas nuo laiko vidutiniškai su sidabro nanovamzdžiais. Pateikiami duomenys apie įvairias į terpę įvedamo elektrinio lauko reikšmes: (a) 0, (b) 10, (c) 20, (d) 30, (e) 40 ir (f) 50 V / cm. Tvarkaraštis (g) rodo, kad bakterijų skaičius padidėja be sidabro ir elektrinio lauko. Sketch iš žurnalo žurnalo "Omid Akhavan & Elham Ghaderi" straipsnis Pažangiosios medžiagos mokslas ir technologijos

Tačiau norint, kad elektrinis laukas pasiektų sidabrines nanoviras ir nebūtų apsaugotas medvilnės dielektriniu sriegiu, reikėjo rasti filtrų sudedamąją dalį, kuri, be gero elektrinio laidumo, turi būti tokio dydžio ir lengvai integruota į filtrą.

Kaip tokį komponentą mokslininkai naudojo anglies nanovamzdelius, kurie buvo austi į medvilninius siūlus.Visas žingsnis po žingsnio filtro kūrimo procesas parodytas 2 brėžinyje b-g.

Be to, straipsnio autoriai kreipėsi į prietaiso aprobavimą. Mokslininkai tai padarė susiaurindami specialų piltuvą (1D pav.), Į kurį vanduo tiekiamas srautu 1 litras per valandą (arba 80 000 l / h · m2) Jau pats skystis buvo užkrėstas E. coli rūšimi. Escherichia coli su bakterijų koncentracija 107 viename mililitre Pritaikius elektros įtampą prie filtro, mokslininkai išmatavo prietaiso efektyvumą – deaktyvuotų bakterijų skaičių pagal jų pradinę vertę (3 pav.).

Pav. 3 Efektyvumas (mirusių bakterijų skaičiaus santykis su jų pradine verte) Escherichia coli dezaktyvavimas filtru (medvilnės ir sidabro nanovamzdeliai + anglies nanovamzdeliai), kai jam taikomos įvairios įtempties (mėlyna kreivė) palyginti su panašiu įtaisu, kurio sudėtyje nėra sidabro. Rezultatai pateikiami cilindriniam filtrui, kurio skersmuo yra 4 mm ir 2,5 cm ilgio. Aptariamo straipsnio paveikslėlis Nano raidės

Grafikas rodo, kad didžiausias filtro efektyvumas pasiekiamas, kai įtampa -20 ir +20 V: 89 ir 77%, atitinkamai.Šie skaičiai, kaip teigia straipsnio autoriai, gali būti patobulinti iki 98% ar dar daugiau, jei naudojate tris nuoseklius filtrus. Mokslininkai taip pat pabrėžia, kad vandens sterilizavimo procesas trunka tik kelias sekundes – žymiai mažesnis nei šiuo metu naudojamų biologinio valymo metodų.

Tiesa, nėra išsamios bakterijų deaktyvavimo mechanizmų supratimo. Savo straipsnyje mokslininkai hipotezė, kad, be antibakterinio sidabro poveikio, didžiulis elektrinis laukas, susidarantis sidabro laidų nanometruose, taip pat yra atsakingas už Escherichia coli mirtį. Atliktas skaitmeninis modeliavimas parodė, kad iš pirmo žvilgsnio nekenksminga 20 V įtampa generuoja elektrinį lauką, kurio stiprumas yra apie 1000 kV / cm. Toks milžiniškas įtempimas tikriausiai sukuria stiprią elektroporaciją – bakterijų membranų skylių susidarymą. Labiausiai tikėtina, kad bendras šių dviejų veiksnių poveikis sukelia bakterijų mirtį.

Straipsnio autoriai aptaria prietaiso trūkumus. Visų pirma akivaizdu, kad kai vanduo tekės per struktūrą, joje išliks net nereikšmingi anglies nanovamzdelių ir nanoskopinių sidabro laidų pėdsakai.Todėl vėlesnių eksperimentų metu būtina įsitikinti, kad šių medžiagų derinys, net ir labai mažais kiekiais, žmonėms yra visiškai netoksiškas. Be to, dizaino veiksmingumas buvo įrodytas tik bakterijoms Escherichia coli, ir neaišku, ar šis filtras taip pat veiksmingai veiktų su kitais mikroorganizmais. Ir nors baktericidinis sidabro poveikis nėra selektyvus, atsižvelgiant į mikrobų rūšis, straipsnio autoriai žino, kad šį faktą taip pat reikia atidžiai išnagrinėti.

Bet kokiu atveju filtras su tokiomis savybėmis yra tikrai žadantis, todėl galime palaukti, kol padėtis pasikeis naujais leidiniais.

Šaltinis: David T. Schoen, Alia P. Schoen, Liangbing Hu, Han Sun Kim, Sarah C. Heilshorn, Yi Cui. Sterilizacija didelės spartos vandens sąlygomis naudojant vienodo dydžio nanostruktūras // Nano raidės. Paskelbimo data (žiniatinklis): 2010 m. Rugpjūčio 20 d. DOI: 10.1021 / nl101944e.

Jurijus Yerinas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: