Дезинфицировать воду обычным светом научились специалисты из университета Иллинойса (University of Illinois, Urbana-Champaign). При этом новая технология позволяет установке продолжать свою полезную деятельность даже после выключения освещения.
Воду обеззараживают множеством способов: пропуская через систему фильтров (подчас необычных), хлорируя, облучая ультрафиолетом, используя банальное кипячение. Ультрафиолет, к примеру, используется очень часто (от систем очистки бассейнов до портативных устройств для туристов), так как известно, что ультрафиолетовые лучи убивают микроорганизмы.
Цзянь Ку Шан (Jian Ku Shang) и его китайские коллеги из Национальной лаборатории материаловедения Шэньяна (Shenyang National Laboratory for Materials Sciences) разработали фотокатализатор, который быстро и эффективно дезинфицирует воду даже под воздействием лучей видимой части спектра (а именно в диапазоне длин волн 400–550 нанометров).
«Обычный материал в таких случаях перестаёт работать почти сразу после выключения освещения», – комментирует Шан. Но новый фотокатализатор способен дезинфицировать воду после отключения примерно столько же времени, сколько его до этого освещали.
Для начала учёные допировали волокна оксида титана азотом (чтобы они смогли поглощать видимый свет). Получилось соединение TiON, которое само по себе способно убивать бактерии, но не очень эффективно. Далее химики добавили в систему наночастицы оксида палладия (PdO).
Оказалось, что подобное дополнение значительно повысило эффективность дезинфекции. Раствор, в котором содержалось большое количество бактерий E. coli, просто осветили обычной галогенной настольной лампой (варьируя время воздействия). Спустя час концентрация микроорганизмов снизилась с десяти миллионов клеток на литр до одной клетки на десять тысяч литров!
Затем исследователи проверили, что происходит с раствором в темноте (после выключения освещения). Для этого сосуд с водой сначала освещали в течение 10 часов, после чего свет выключили и проверили, как проходит дальнейшая дезинфекция. Выяснилось, что даже спустя 24 часа фотокатализатор продолжал убивать E. coli.
Оказалось, оксид палладия увеличивает эффективность дезинфекции сразу по двум направлениям. Фотоны, попадая на поверхность TiON, образуют пары электрон-дырка. При этом положительно заряженные дырки реагируют с водой, давая жизнь гидроксильным радикалам, а те в свою очередь атакуют бактерии.
Наночастицы PdO забирают на себя оставшиеся электроны, в результате последние не могут соединиться с дырками и таким образом нейтрализовать их. При этом сами наночастицы переходят в другое химическое состояние, сохраняя на себе отрицательный заряд. После выключения света электроны постепенно высвобождаются, образуя с водой новые окисляющие агенты.
Хотя эффективность дезинфекции в темноте и не так высока, как в видимом свете, но
«В дополнение ко всему, новый фотокатализатор может быть также использован для удаления грязных, жирных отпечатков пальцев с оптических поверхностей, компьютерных мониторов и экронов мобильных телефонов», — комментирует Шан.
«Было бы интересно попробовать сдвинуть работу традиционных фотокатализаторов в область видимого света. Ведь если задуматься, в солнечном спектре только 5% ультрафиолета и 46% видимого излучения», — считает не участвовавший в данном исследовании Александр Орлов (Alexander Orlov), профессор университета Стони Брук. Такие установки использовали бы энергию солнечного света более эффективно. А в помещении воду можно было бы дезинфицировать с помощью люминесцентных ламп.
Работа выполнена при поддержке Национального Научного Фонда (National Science Foundation) Центром Перспективных Материалов для Очистки Воды (WaterCAMPWS) Университета Иллинойса (University of Illinois). Некоторые виды работ, которые частично финансировались Министерством Энергетики США, были выполнены Фредериком Сейтцом в научно-исследовательской лаборатории университета Иллинойса.