Примерно каждый десятый человек в мире сегодня не имеет доступа к чистой пресной воде. А к 2025 году уже половина всего мирового населения будет жить в регионах с дефицитом этого, казалось бы, такого доступного ресурса.
Исследователи разрабатывают самые разные методы получения чистой питьевой воды – от технологий опреснения морской воды до фильтров, очищающих загрязнённую пресную воду.
Новую разработку в этой области представили инженеры из Университета Вашингтона в Сент-Луисе. Они создали мембранную технологию, которая позволяет очищать воду не только от вредных примесей, но и от опасных микроорганизмов (биообрастания).
По словам специалистов, с биологическим загрязнением бороться крайне сложно. Поэтому они придумали оригинальный способ: использовали бактерий-предателей, которые помогли создать ультрафильтрационные мембраны для борьбы с их же сородичами.
Исследователи работали с бактериями вида Gluconacetobacter hansenii, которые используются как модельный организм для биосинтеза бактериальной целлюлозы. Их накормили сладким раствором, который микроорганизмы используют для производства целлюлозных нановолокон в воде. По мере роста волокон учёные встраивали в них чешуйки оксида графена для придания мембране стабильности и долговечности.
"Это похоже на 3D-печать с использованием микроорганизмов. Мы можем добавлять всё, что нам нравится, к бактериальной наноцеллюлозе во время её роста", – рассказывает один из ведущих авторов работы профессор Ён-Син Джун (Young-Shin Jun).
На следующем этапе мембраны обрабатывали специальным раствором для уничтожения бактерий, выполнивших свою функцию.
Параллельно из оксида графена удалялись кислородные группы. Таким образом специалисты получили восстановленный оксид графена. Это соединение чувствительно к воздействию света: когда на него попадает солнечный свет, графен генерирует тепло, которое уничтожает новые бактерии.
"Если вы хотите очистить воду от микроорганизмов, восстановленный оксид графена в мембране должен поглощать солнечный свет, нагревать мембрану и убивать бактерии", – пояснил соавтор работы профессор Срикант Сингаманен (Srikanth Singamanen).
Чтобы проверить эффективность новой мембраны, исследователи подвергли её нападениям кишечной палочки (E. coli). Всего трёхминутного воздействия светом оказалось достаточно, чтобы мембрана нагрелась до температуры выше 70 градусов по Цельсию и уничтожила патогенов, разрушив их клеточные стенки.
Кроме того, было показано, что мембрана способна фильтровать воду под высоким давлением в два раза быстрее, чем существующие аналоги.
"Мы изучили [действие] фильтра при различных уровнях pH, аналогичных тем, с которыми мы сталкиваемся в окружающей среде. Эти мембраны намного более стабильны по сравнению с мембранами, изготовленными при помощи вакуумной фильтрации или центрифугирования оксида графена", – добавляет Ён-Син Джун.
При этом важно, что новые фильтрующие мембраны являются не только высокоэффективными и долговечными, но и экологически чистыми, а также недорогими в производстве.
Если расширить технологию до коммерческих масштабов, она принесёт пользу людям во многих развивающихся странах, где сегодня не хватает чистой питьевой воды, уверены исследователи.
В дальнейшем для усовершенствования технологии они хотят оснастить мембраны наногенераторами и светодиодами, чтобы производство света и, как следствие, тепла происходило за счёт механической энергии движения потока жидкости.
Более подробно о новой разработке рассказывается в статье, опубликованной в журнале Environmental Science & Technology.
Кстати, ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) сообщали о других инновационных фильтрах, которые очищают воду от микропластика и тяжёлых металлов. А сита на основе оксида графена помогут получать питьевую воду из морской.
