Słońce i proszek zmieniają wodę w zdatną do picia

Nietoksyczny proszek wykorzystuje światło słoneczne do szybkiej dezynfekcji zanieczyszczonej wody. Można go używać wielokrotnie.

Problem z dostępem do czystej, pozbawionej chorobotwórczych mikroorganizmów wody pitnej dotyczy co najmniej dwóch miliardów osób na całym świecie. Naukowcy ze Stanford University opracowali niedrogi, nietoksyczny, a nawet nadający się do wielokrotnego użytku proszek, który zabija obecne w wodzie mikroorganizmy pod wpływem światła słonecznego.

– Choroby przenoszone przez wodę są odpowiedzialne za 2 miliony zgonów rocznie. Ofiarami są głównie dzieci w wieku poniżej 5 lat. Wierzymy, że nasza nowatorska technologia umożliwi rewolucyjne zmiany w dezynfekcji wody i zainspiruje więcej innowacji w tej ekscytującej, interdyscyplinarnej dziedzinie – powiedział dr Tong Wu, współautor badania.

Konwencjonalne technologie uzdatniania wody wykorzystują dezynfekujące substancje chemiczne, które mogą wytwarzać toksyczne produkty uboczne, oraz światło ultrafioletowe, w przypadku którego dezynfekcja zajmuje stosunkowo dużo czasu i wymaga źródła energii elektrycznej.

Nowy środek dezynfekujący opracowany w Stanford to nieszkodliwy metaliczny proszek, który działa dzięki pochłanianiu zarówno promieniowania UV, jak i wysokoenergetycznego światła widzialnego pochodzącego ze słońca. W skład proszku wchodzą nanocząstki tlenku glinu, siarczku molibdenu, miedzi i tlenku żelaza.

– Użyliśmy tylko niewielkiej ilości tych materiałów. Innowacją jest to, że po zanurzeniu w wodzie wszystkie one funkcjonują razem – zaakcentował profesor Yi Cui, starszy autor.

Jak dodał Yi Cui, drobniutkie cząstki proszku mogą szybko się przemieszczać i wchodzić w fizyczny kontakt z wieloma bakteriami, zabijając je w krótkim czasie.

Proszek jest mieszany z zanieczyszczoną bakteriami wodą, po czym mieszaninę wystawia się na działanie promieni słonecznych, które szybko zabijają bakterie. Po dezynfekcji metaliczny proszek można zebrać magnesem i wykorzystać do dezynfekcji kolejnej porcji wody (wystarczy przytrzymać magnes przy ściance naczynia wylewając oczyszczoną wodę, a potem nalać porcje brudnej wody i rozmieszać proszek).

Po pochłonięciu fotonów światła słonecznego zawarty w proszku katalizator siarczek molibdenu/miedź zachowuje się jak złącze półprzewodnik/metal, umożliwiając fotonom wypieranie elektronów. Uwolnione elektrony reagują następnie z otaczającą wodą, wytwarzając nadtlenek wodoru i rodniki hydroksylowe — jedną z najbardziej agresywnych chemicznie form tlenu. Nowo powstałe związki chemiczne szybko zabijają bakterie, uszkadzając ich błony komórkowe, ale wkrótce ulegają rozpadowi do nieszkodliwych substancji.

Do eksperymentów zespół ze Stanford użył 200-mililitrowej zlewki z wodą o temperaturze pokojowej, zanieczyszczonej około 1 milionem bakterii E. coli na centymetr sześcienny (mililitr).

– Wymieszaliśmy proszek z zanieczyszczoną wodą. Następnie przeprowadziliśmy test dezynfekcji na kampusie Stanforda w świetle słonecznym i w ciągu 60 sekund nie wykryto żadnych żywych bakterii –  powiedział współautor, dr Bofei Liu.

– Czas życia nadtlenku wodoru i rodników hydroksylowych jest bardzo krótki. Jeśli nie napotkają natychmiast bakterii, chemikalia te rozpadają się na wodę i tlen w ciągu kilku sekund. Możesz więc od razu wypić wodę – zaznaczył prof.  Yi Cui.

Dzięki zawartości tlenku żelaza można usuwać cząstki proszku z wody za pomocą zwykłego magnesu. Autorzy wykorzystali magnes do zebrania tego samego proszku 30 razy w celu oczyszczenia 30 różnych próbek zanieczyszczonej wody.

– W przypadku turystów pieszych mógłbym sobie wyobrazić noszenie niewielkiej ilości proszku i małego magnesu. W ciągu dnia wsypujesz proszek do wody, wstrząsasz nim trochę w świetle słonecznym i w ciągu minuty masz wodę pitną. Używasz magnesu, aby oddzielić cząsteczki do późniejszego wykorzystania – dodał prof. Yi Cui.

Jak podkreślił prof. Yi Cui, proszek mógłby znaleźć zastosowanie także w oczyszczalniach ścieków, które obecnie używają lamp UV do dezynfekcji uzdatnionej wody.

– W ciągu dnia oczyszczalnia mogłaby wykorzystywać widzialne światło słoneczne, które działałoby znacznie szybciej niż ultrafioletowe lampy i prawdopodobnie zaoszczędziłoby energię – powiedział prof. Yi Cui.

Badanie koncentrowało się na E. coli, która może powodować poważne choroby żołądkowo-jelitowe, a nawet zagrażać życiu. Agencja Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych ustaliła maksymalny docelowy poziom zanieczyszczeń dla E. coli w wodzie pitnej jako zerowy. Zespół ze Stanford chce przetestować skuteczność nowej metody oczyszczania wody także w przypadku innych patogenów, w tym wirusów, pierwotniaków i pasożytów, które również powodują poważne choroby i śmierć.

PAP