Nanofilter pemurni air berkecepatan tinggi dengan biaya rendah dikembangkan

Anonim

Nanofilter pemurni air berkecepatan tinggi dengan biaya rendah dikembangkan

Kesehatan & Kesejahteraan

Darren Quick

1 September 2010

2 gambar

SEM gambar kawat nano perak di mana kapas dicelupkan selama proses membangun filter - serat besar kapas (Gambar: Yi Cui)

Seperti namanya, sebagian besar filter pemurni air yang ada membersihkan air dengan memerangkap secara fisik atau menyaring bakteri. Peneliti Stanford kini telah mengembangkan filter pemurni air jenis baru yang sebenarnya bukan filter sama sekali. Alih-alih menjebak bakteri, filter baru benar-benar memungkinkan mereka lewat. Tapi, pada saat mereka muncul dari filter mereka telah dibunuh oleh medan listrik yang melewatinya. Tidak hanya filter baru lebih dari 80.000 kali lebih cepat daripada filter yang ada, itu juga biaya rendah, tidak memiliki bagian yang bergerak dan menggunakan daya yang sangat kecil, yang seharusnya membuatnya sangat menarik untuk digunakan di negara berkembang di mana yang paling dibutuhkan.

Kunci untuk filter baru adalah lapisan kain filter - kapas biasa - dengan nanotube dan kawat nano perak. Ketika medan listrik dilewatkan melalui kapas konduktif "nano-dilapisi", itu membunuh hampir semua bakteri yang melewatinya. Dalam tes laboratorium, lebih dari 98 persen bakteri Escherichia coli yang terkena listrik 20 volt dalam filter selama beberapa detik terbunuh. Beberapa lapisan kain digunakan untuk membuat filter 2, 5 inci tebal.

"Ini benar-benar memberikan metode pengolahan air baru untuk membunuh patogen, " kata Yi Cui, seorang profesor ilmu dan teknik material di Stanford yang tim risetnya juga bertanggung jawab untuk menggunakan nanomaterial untuk membangun baterai dari kertas. "Ini dapat dengan mudah digunakan di daerah terpencil di mana orang tidak memiliki akses ke perawatan kimia seperti klorin."

Mempercepat segalanya

Filter yang secara fisik menjebak bakteri harus memiliki ruang pori yang cukup kecil agar patogen tidak tergelincir, tetapi itu membatasi laju aliran filter. Karena filter baru tidak menjebak bakteri, ia dapat memiliki pori-pori yang jauh lebih besar, memungkinkan air untuk melaju dengan lebih cepat - sekitar 80.000 kali lebih cepat. Ruang pori yang lebih besar di filter Cui juga mencegahnya tersumbat, yang merupakan masalah dengan filter yang secara fisik menarik bakteri keluar dari air.

Kelompok riset Cui bekerja sama dengan Sarah Heilshorn, asisten profesor sains dan teknik material, yang kelompoknya membawa keahlian bioteknologinya untuk merancang filter.

Perak telah lama dikenal memiliki sifat kimia yang membunuh bakteri. "Pada hari-hari sebelum pasteurisasi dan pendinginan, orang kadang-kadang menjatuhkan dolar perak ke dalam botol susu untuk memerangi bakteri, atau bahkan menelannya, " kata Heilshorn.

Kelompok Cui tahu dari proyek-proyek sebelumnya bahwa karbon nanotube adalah konduktor listrik yang baik, sehingga para peneliti beralasan bahwa dua bahan dalam konser akan efektif melawan bakteri. "Pendekatan ini benar-benar mengambil perak dari dunia obat tradisional dan menjadi pengaturan teknologi tinggi, di mana itu jauh lebih efektif, " kata Heilshorn.

Menjaga biaya tetap rendah

Tetapi para ilmuwan juga ingin merancang filter menjadi semurah mungkin. Jumlah perak yang digunakan untuk kawat nano itu sangat kecil biayanya dapat diabaikan, kata Cui. Namun, mereka membutuhkan bahan pondasi yang "murah, banyak tersedia dan kuat secara kimia dan mekanis." Jadi mereka pergi dengan kain katun tenunan biasa. "Kami mendapatkannya di Wal-mart, " kata Cui.

Untuk mengubah kapas toko diskon mereka menjadi filter, mereka mencelupkannya ke dalam larutan karbon nanotube, biarkan kering, kemudian dicelupkan ke dalam larutan nanowire perak. Mereka juga mencoba mencampurkan kedua nanomaterial bersama dan melakukan dunk tunggal, yang juga berhasil. Mereka membiarkan kapas merendam setidaknya selama beberapa menit, kadang hingga 20, tetapi hanya itu yang diperlukan.

Keuntungan besar dari nanomaterial adalah ukurannya yang kecil membuatnya lebih mudah untuk menempel pada kapas, kata Cui. Kawat nano tersebut berkisar antara 40 hingga 100 miliar meter dengan diameter dan hingga 10 juta meter panjangnya. Nanotube hanya beberapa juta meter panjang dan sesempit satu miliar meter. Karena nanomaterial menempel dengan baik, nanotube menciptakan permukaan yang halus dan kontinyu pada serat kapas. The nanowires lagi umumnya memiliki satu ujung melekat dengan nanotube dan ujung cabang bercabang, menusuk ke ruang hampa antara serat kapas.

"Dengan struktur kontinu sepanjang panjangnya, Anda dapat memindahkan elektron sangat efisien dan benar-benar membuat filter sangat konduktif, " katanya. "Itu berarti filter membutuhkan lebih sedikit voltase. "

Daya rendah

Arus listrik yang membantu melakukan pembunuhan hanya beberapa milliamperes kuat - hampir tidak cukup untuk menyebabkan sensasi kesemutan pada seseorang dan mudah dipasok oleh panel surya kecil atau beberapa baterai mobil 12-volt. Arus listrik juga dapat dihasilkan dari sepeda stasioner atau dengan perangkat yang digerakkan oleh tangan.

Kebutuhan listrik yang rendah dari filter baru adalah keuntungan lain dari mereka yang secara fisik menyaring bakteri, yang menggunakan pompa listrik untuk memaksa air melalui pori-pori kecil mereka. Pompa tersebut membutuhkan banyak listrik untuk beroperasi, kata Cui. Namun, pori-pori di filter-nano cukup besar sehingga tidak diperlukan pemompaan - gaya gravitasi cukup untuk mengirim air melewatinya.

Dalam beberapa tes laboratorium dari nano-filter, listrik yang diperlukan untuk menjalankan arus melalui filter hanya seperlima dari apa yang diperlukan pompa filtrasi untuk menyaring jumlah air yang sebanding.

Meskipun filter baru dirancang untuk membiarkan bakteri lewat, keuntungan tambahan menggunakan nanowire perak adalah jika ada bakteri yang berlama-lama, perak kemungkinan akan membunuhnya. Ini menghindari biofouling, di mana bakteri membentuk film pada filter. Biofouling adalah masalah umum dalam filter yang menggunakan pori-pori kecil untuk menyaring bakteri.

Cui mengatakan listrik yang melewati filter konduktor juga dapat mengubah pH air di dekat permukaan saringan, yang dapat menambah kehausannya terhadap bakteri.

Selanjutnya Cui dan timnya akan mencoba filter pada berbagai jenis bakteri dan menjalankan pengujian menggunakan beberapa filter berurutan.

"Dengan satu filter, kita bisa membunuh 98 persen bakteri, " kata Cui. "Untuk air minum, Anda tidak ingin bakteri hidup di air, jadi kita harus menggunakan beberapa tahapan filter."

Cui adalah penulis senior makalah yang menjelaskan penelitian yang akan diterbitkan dalam edisi Nano Huruf mendatang . Makalah ini tersedia online sekarang.

Profesor Sains Material dan Teknik Yi Cui (Gambar: LA Cicero)

SEM gambar kawat nano perak di mana kapas dicelupkan selama proses membangun filter - serat besar kapas (Gambar: Yi Cui)