211service.com
Gaismas izmantošana ūdens dezinficēšanai
Piekļuve tīram dzeramajam ūdenim ir pastāvīga problēma jaunattīstības valstu iedzīvotājiem. Un pat pilsētas, kurās ir labas ūdens attīrīšanas sistēmas, meklē labākus veidus, kā nodrošināt drošāku, tīrāku ūdeni. Tagad starptautiska pētnieku komanda ir izstrādājusi fotokatalizatoru, kas sola ātru un efektīvu ūdens dezinfekciju, izmantojot saules gaismu vai mākslīgo gaismu. Turklāt fotokatalizators turpina darboties arī pēc gaismas izslēgšanas, dezinficējot ūdeni pat tumsā.
Nāk tīrs: Mikrogrāfijā redzama gaismas aktivēta katalizatora virsma, kas dezinficē ūdeni pat tumsā. Palādija nanodaļiņas uz ar slāpekli leģēta titāna oksīda virsmas palīdz pagarināt katalizatora dezinfekcijas jaudu līdz 24 stundām.
Jau sen zināms, ka ūdens apstarošana ar augstas intensitātes ultravioleto gaismu nogalina baktērijas. Piemēram, daži ūdens filtri, kas paredzēti kemperiem un pārgājieniem, izmanto šo tehnoloģiju. Pētnieki ir strādājuši, lai uzlabotu metodes efektivitāti, pievienojot fotokatalizatoru, kas tiek aktivizēts UV gaismā un rada reaktīvus ķīmiskos savienojumus, kas sadala mikrobus oglekļa dioksīdā un ūdenī.
Jaunais fotokatalizators to uzlabo, izmantojot redzamu, nevis UV gaismu. Sintezējis Jian-Ku Shang , Materiālzinātnes un inženierzinātņu profesors Ilinoisas Universitātē Urbana-Champaign un viņa kolēģi, fotokatalizators darbojas ar gaismu redzamā spektra viļņu garumā no 400 līdz 550 nanometriem. Tas sastāv no titāna oksīda šķiedrām — plaši izplatīta materiāla, ko izmanto kā baltu pigmentu —, kas leģēts ar slāpekli, lai tas absorbētu redzamo gaismu. Viens pats ar slāpekli leģētais titāna oksīds nogalina baktērijas, lai gan ne efektīvi. Pētnieki pievienoja šķiedru virsmai pallādija nanodaļiņas, ievērojami palielinot dezinfekcijas efektivitāti. Viņš un viņa kolēģi Šenjanas Nacionālajā materiālzinātņu laboratorijā Ķīnā publicēja savu darbu tiešsaistē Materiālu ķīmijas žurnāls .
Būtu ļoti jauki tradicionālo [fotokatalizatoru] materiālu, kurus aktivizēja tikai ultravioletais starojums, aktivitāti pārslēgt uz redzamu, saka Aleksandrs Orlovs, Ņujorkas Stony Brook universitātes materiālu zinātnes un inženierzinātņu docents. Ja paskatās uz Saules spektru, tajā ir tikai 5 procenti ultravioletā starojuma un aptuveni 46 redzamā. Šādi fotokatalizatori ļautu efektīvāk izmantot saules enerģiju, kā arī izmantot telpās, jo dienasgaismas apgaismojums satur ļoti maz ultravioletās gaismas.
Šangs un viņa kolēģi pārbaudīja fotokatalizatoru, ievietojot to šķīdumā, kas satur augstu koncentrāciju E. coli baktērijām un pēc tam dažāda laika spodrināšanai uz šķīduma ar halogēnu galda lampu. Pēc stundas baktēriju koncentrācija samazinājās no 10 miljoniem šūnu uz litru līdz tikai vienai šūnai uz 10 000 litriem.
Pētnieki arī pārbaudīja fotokatalizatora spēju dezinficēt tumsā. Tie 10 stundas spīdināja šķiedras, lai modelētu dienasgaismas iedarbību, un pēc tam dažādu laiku glabāja tās tumsā. Pat pēc 24 stundām fotokatalizators joprojām nogalināja baktērijas. Faktiski pietika ar dažām apgaismojuma minūtēm, lai fotokatalizators būtu aktivizēts tik ilgi.
Parasti, ja jums ir fotokatalizators, darbība apstāsies gandrīz uzreiz, kad gaisma tiek izslēgta, saka Shang. Jūsu radītās ķīmiskās vielas ilgs tikai dažas nanosekundes. Tas ir būtisks fotokatalītiskās sistēmas trūkums, jo jums ir nepieciešama gaismas aktivizēšana būtībā visu laiku.
Palādija nanodaļiņas palielina fotokatalizatora jaudu divos veidos. Kad fotoni saskaras ar materiālu, tie rada pozitīvu un negatīvu lādiņu pārus - caurumus un elektronus. Pozitīvi lādētie caurumi uz slāpekļa leģētā titāna oksīda virsmas reaģē ar ūdeni, veidojot hidroksilradikāļus, kas pēc tam uzbrūk baktērijām. Palādija nanodaļiņas tās satver elektronus, tāpēc lielākā daļa jūsu izveidoto caurumu spēs izdzīvot, ja elektroni tos neitralizēs, saka Šans.
Tiklīdz tās satver elektronus, nanodaļiņas nonāk citā ķīmiskajā stāvoklī un uzglabā negatīvos lādiņus. Kad gaisma ir izslēgta, šis lādiņš tiek lēnām atbrīvots, un šī lēnā atbrīvošanās rada atmiņas efektu, saka Shang. Šis lādiņš var reaģēt ar ūdens molekulām, lai atkal ražotu oksidētājus. Viņš saka, ka citu pārejas metālu nanodaļiņas, piemēram, sudrabs, arī uzlabo fotokatalizatora efektivitāti.
Fotokatalizators piedāvā iespēju dezinficēt ar pilnu jaudu dienas laikā un pēc tam turpināt strādāt naktī vai strāvas padeves pārtraukumu laikā. Turklāt, tā kā dezinfekcija notiek ātri, sistēmas varētu būt paredzētas liela ūdens daudzuma attīrīšanai, pakļaujot to gaismai, kad ūdens plūst pa caurulēm, saka Shang.