新型超快水消毒方式更环保

拥有安全的饮用水对公众健康至关重要，但传统的消毒方法会导致其自身的环境问题。氯在集中式供水系统中价格便宜且易于使用，但会产生有害的化学副产品。

佐治亚理工学院的研究人员找到了一种利用小电流对水进行消毒、降低能耗、成本和环境影响的方法。该技术可以集成到电网中，甚至可以由电池供电。

“这是一项非常新的消毒技术，我们希望先进行小规模演示，然后改进其在使用点或离网水净化方面的实际应用，” Carlton S. Wilder土木与环境工程学院助理教授。

Xie 和他的博士后研究员 Ting Wang 于 1 月在Nature Water上发表了论文“通过局部增强电场处理实现纳秒级细菌灭活” 。

电力本地化

传统电场处理(CEFT)虽然应用于食品巴氏杀菌，但由于成本相对较高，尚未广泛用于饮用水消毒。当水和细菌接触到电时，细菌细胞膜就像电路中的电容器一样。通常，在 CEFT 中，水的低电导率意味着纳秒级脉冲不会以足够快的速度对膜充电以杀死细菌。

研究人员创建了一个局部增强电场 (LEEFT)，将电流直接传送到细菌。电极上有金纳米尖端，当通电时会立即积聚集中电荷，使电荷能够传播到细胞膜并更快地杀死细菌。

“这种仅使用纳秒脉冲的超快速细菌灭活令人惊讶，因为从理论上讲，纳秒脉冲太短而无法在传统电场处理中杀死细菌，因为膜需要时间充电，”Wang 说。“但是使用 LEEFT 的纳米楔和纳米结构，细菌细胞可以直接被纳米金属充电，从而快速对水进行消毒。”

电气创新

为了测试该技术，他们在芯片的电极边缘制造了金纳米楔。然后他们将模型细菌葡萄球菌添加到芯片中，这是一种实验室中常用的细菌，经常在供水系统中发现。接下来，他们施加电脉冲并观察细菌在显微镜下的实时反应。

当以每厘米 40 千伏的电压施加 200 纳秒时，95% 的纳米楔成功杀死了细菌。与传统的 EFT 相比，LEEFT 将施加的折衷场强降低了八倍，并将处理时间缩短了 100 万倍。

“我们发现，即使是纳秒脉冲也可以杀死 LEEFT 中的细菌，而不是其他情况，”Wang 说。这种近乎瞬时的去污减少了对水进行消毒所需的电力，使其成为一种负担得起的卫生选择，并预示着未来生产清洁水可能对环境造成的影响更小。