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利用细菌制造可杀死细菌的水过滤器

  世界上超过十分之一的人缺乏基本的饮用水,到2025年,世界上一半的人口将生活在缺水的地区,这就是为什么获得洁净水是国家工程院的重大挑战之一。圣路易斯华盛顿大学的工程师们设计了一种新型的膜技术,可以净化水,同时防止生物污染或细菌和其他有害微生物的积聚,从而减少水的流动。

  机械工程与材料科学教授Srikanth Singamaneni和能源,环境与化学工程教授Young-Shin Jun及其团队将他们的专业知识融合在一起,开发出使用氧化石墨烯和细菌纳米纤维素的超滤膜,他们发现这种膜具有高效率,持久,环保。如果他们的技术规模扩大到大规模,那么许多发展中国家的清洁水资源稀缺可能会受益。

  生物污染占所有膜污染的近一半,并且完全根除是极具挑战性的。Singamaneni和Jun近五年来共同应对这一挑战。他们之前使用金纳米棒开发了其他膜,但想设计一种使用较便宜材料的膜。

  他们的新膜开始于给予汉逊酵母细菌含糖物质,使其在水中形成纤维素纳米纤维。然后,AG集团。研究小组将氧化石墨烯(GO)薄片加入到细菌纳米纤维素生长过程中,基本上将GO捕获在膜中,使其稳定耐用。

  掺入GO后,用碱溶液处理膜以杀死葡萄糖醋酸杆菌。在此过程中,GO的氧基团被消除,使其降低GO。当团队将阳光照射到膜上时,减少的GO片立即产生热量,热量会消散到周围的水和细菌纳米纤维素中。

  “如果你想用微生物净化水,膜中还原的氧化石墨烯可以吸收阳光,加热膜并杀死细菌,”Singamaneni说。

  Singamaneni和Jun及其团队将膜暴露于大肠杆菌细菌,然后在膜表面照射光。在用光照射仅3分钟后,大肠杆菌死亡。该团队确定膜快速加热到70摄氏度以上,这是恶化大肠杆菌细胞壁所需的。

  当细菌被杀死时,研究人员使用了一种原始膜,其中含有高质量的纳米纤维素纤维,能够在高操作压力下将水过滤速度提高到商用超滤膜的两倍。

  当他们在由细菌纳米纤维素制成的膜上进行相同的实验而没有减少的GO时,大肠杆菌细菌保持存活。

  “这就像是用微生物进行3D打印,”Jun说。“我们可以在细菌纳米纤维素生长过程中添加我们喜欢的任何东西。我们在不同的pH条件下观察它与我们在环境中遇到的情况类似,与通过真空过滤或旋涂制备的膜相比,这些膜更稳定氧化石墨烯。“

  虽然Singamaneni和Jun承认在传统的反渗透系统中实施这一过程很费力,但他们提出了一种螺旋缠绕模块系统,类似于一卷毛巾。它可以配备LED或一种纳米发电机,利用来自流体流动的机械能产生光和热,这将降低总成本。