211service.com
Licht gebruiken om water te desinfecteren
Toegang krijgen tot schoon drinkwater is een voortdurend probleem voor mensen in ontwikkelingslanden. En zelfs steden met goede waterbehandelingssystemen zoeken naar betere manieren om veiliger en schoner water te leveren. Nu heeft een internationaal onderzoeksteam een fotokatalysator ontwikkeld die een snelle, effectieve waterdesinfectie belooft met behulp van zonlicht of kunstlicht. Bovendien blijft de fotokatalysator werken nadat het licht is uitgeschakeld, waardoor het water zelfs in het donker wordt gedesinfecteerd.
Schoon komen: Een microfoto toont het oppervlak van een door licht geactiveerde katalysator die water zelfs in het donker desinfecteert. Palladium-nanodeeltjes op het oppervlak van een met stikstof gedoteerd titaniumoxide helpen het desinfectievermogen van de katalysator tot 24 uur te verlengen.
Het is al lang bekend dat het bestralen van water met ultraviolet licht van hoge intensiteit bacteriën doodt. Sommige waterfilters voor bijvoorbeeld kampeerders en wandelaars maken gebruik van deze technologie. Onderzoekers hebben gewerkt aan het verbeteren van de effectiviteit van de methode door een fotokatalysator toe te voegen die wordt geactiveerd door UV-licht en reactieve chemische verbindingen genereert die microben afbreken in koolstofdioxide en water.
De nieuwe fotokatalysator verbetert dat door zichtbaar, in plaats van UV-licht te gebruiken. gesynthetiseerd door Jian-Ku Shang , hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Illinois, Urbana-Champaign, en zijn collega's, werkt de fotokatalysator met licht in het zichtbare spectrum - golflengten tussen 400 en 550 nanometer. Het bestaat uit vezels van titaniumoxide - een veelgebruikt materiaal dat wordt gebruikt als een wit pigment - dat is gedoteerd met stikstof om het zichtbaar licht te laten absorberen. Alleen al het met stikstof gedoteerde titaniumoxide doodt bacteriën, hoewel niet efficiënt. De onderzoekers voegden nanodeeltjes palladium toe aan het oppervlak van de vezels, waardoor de efficiëntie van de desinfectie sterk toenam. Hij en zijn collega's van het Shenyang National Laboratory for Materials Sciences in China publiceerden hun werk online in de Tijdschrift voor materiaalchemie .
Het zou heel mooi zijn om de activiteit van de traditionele [photocatalyst]-materialen, die alleen door ultraviolette straling worden geactiveerd, te verschuiven naar zichtbaar, zegt Alexander Orlov, assistent-professor materiaalwetenschappen en techniek aan de Stony Brook University in New York. Als je naar de zonnespectra kijkt, bevat deze slechts 5 procent ultraviolet en ongeveer 46 zichtbaar. Dergelijke fotokatalysatoren zouden het mogelijk maken zonne-energie efficiënter te gebruiken en binnenshuis te gebruiken, aangezien fluorescerende verlichting heel weinig ultraviolet licht bevat.
Shang en zijn collega's testten de fotokatalysator door deze in een oplossing te plaatsen met een hoge concentratie van E coli bacteriën en laat vervolgens een halogeen-bureaulamp gedurende verschillende tijd op de oplossing schijnen. Na een uur daalde de concentratie bacteriën van 10 miljoen cellen per liter naar slechts één cel per 10.000 liter.
De onderzoekers testten ook het vermogen van de fotokatalysator om in het donker te desinfecteren. Ze lieten 10 uur lang licht op de vezels schijnen om blootstelling aan daglicht te simuleren en bewaarden ze vervolgens verschillende keren in het donker. Zelfs na 24 uur doodde de fotokatalysator nog steeds bacteriën. In feite was slechts een paar minuten verlichting voldoende om de fotokatalysator zo lang geactiveerd te houden.
Als je een fotokatalysator hebt, stopt de activiteit meestal vrijwel onmiddellijk wanneer het licht wordt uitgeschakeld, zegt Shang. De chemische soort die je genereert, gaat maar een paar nanoseconden mee. Dit is een intrinsiek nadeel van een fotokatalytisch systeem, aangezien u vrijwel altijd lichtactivering nodig heeft.
De palladium-nanodeeltjes versterken de kracht van de fotokatalysator op twee manieren. Wanneer fotonen het materiaal raken, creëren ze paren van positieve en negatieve ladingen: gaten en elektronen. De positief geladen gaten op het oppervlak van het met stikstof gedoteerde titaniumoxide reageren met water om hydroxylradicalen te produceren, die vervolgens bacteriën aanvallen. Wat palladium-nanodeeltjes doen, is dat ze elektronen weghalen, zodat de meeste gaten die je maakt, kunnen overleven zonder te worden geneutraliseerd door elektronen, zegt Shang.
Zodra ze de elektronen pakken, komen de nanodeeltjes in een andere chemische toestand en slaan de negatieve ladingen op. Als het licht uit is, komt die lading langzaam vrij, en die langzame afgifte geeft ons dat geheugeneffect, zegt Shang. Die lading kan reageren met watermoleculen om weer oxidatiemiddelen te produceren. Hij zegt dat nanodeeltjes van andere overgangsmetalen, zoals zilver, ook de effectiviteit van de fotokatalysator vergroten.
De fotokatalysator biedt de mogelijkheid om overdag op vol vermogen te desinfecteren en vervolgens 's nachts of bij stroomuitval door te werken. Omdat de desinfectie snel gebeurt, kunnen systemen worden ontworpen om grote hoeveelheden water te reinigen door het aan licht bloot te stellen terwijl het water door leidingen stroomt, zegt Shang.