Meer dan één op de tien mensen in de wereld heeft geen toegang tot elementair drinkwater, en tegen 2025, de helft van de wereldbevolking zal leven in gebieden met waterschaarste, daarom is toegang tot schoon water een van de grote uitdagingen van de National Academy of Engineering. Ingenieurs van de Washington University in St. Louis hebben een nieuwe membraantechnologie ontworpen die water zuivert en biofouling voorkomt, of ophoping van bacteriën en andere schadelijke micro-organismen die de waterstroom verminderen.

En ze gebruikten bacteriën om zulke filtermembranen te bouwen.

Srikanth Singamaneni, hoogleraar werktuigbouwkunde &materiaalkunde, en Young-Shin Jun, hoogleraar energie, milieu- en chemische technologie, en hun teams hebben hun expertise gecombineerd om een ​​ultrafiltratiemembraan te ontwikkelen met behulp van grafeenoxide en bacteriële nanocellulose die ze zeer efficiënt vonden, duurzaam en milieuvriendelijk. Als hun techniek zou worden opgeschaald naar een groot formaat, veel ontwikkelingslanden waar schoon water schaars is, kunnen er baat bij hebben.

De resultaten van hun werk werden gepubliceerd als het omslagverhaal in het nummer van 2 januari van Milieuwetenschap en -technologie .

Biofouling is verantwoordelijk voor bijna de helft van alle membraanvervuiling en is een grote uitdaging om volledig uit te roeien. Singamaneni en Jun gaan al bijna vijf jaar samen deze uitdaging aan. Ze ontwikkelden eerder andere membranen met gouden nanosterren, maar wilde er een ontwerpen die minder dure materialen gebruikte.

Hun nieuwe membraan begint met het voeden van de Gluconacetobacter hansenii-bacteriën met een suikerachtige substantie, zodat ze in water cellulose-nanovezels vormen. Het team nam vervolgens grafeenoxide (GO) -vlokken op in de bacteriële nanocellulose terwijl het groeide, GO in wezen opsluiten in het membraan om het stabiel en duurzaam te maken.

Nadat GO is opgenomen, het membraan wordt behandeld met een basische oplossing om Gluconacetobacter te doden. Tijdens dit proces, de zuurstofgroepen van GO worden geëlimineerd, waardoor het GO wordt verminderd. Toen het team zonlicht op het membraan scheen, de gereduceerde GO-vlokken gaven direct warmte af, die wordt gedissipeerd in het omringende water en bacteriën nanocellulose.

Ironisch, het membraan gemaakt van bacteriën kan ook bacteriën doden.

"Als je water met micro-organismen erin wilt zuiveren, het gereduceerde grafeenoxide in het membraan kan het zonlicht absorberen, verwarm het membraan en dood de bacteriën, ' zei Singamaneni.

Singamaneni en Jun en hun team stelden het membraan bloot aan E. coli-bacteriën, scheen toen licht op het oppervlak van het membraan. Na slechts 3 minuten te zijn bestraald met licht, de E. coli-bacterie stierf. Het team stelde vast dat het membraan snel opwarmde tot boven de 70 graden Celsius die nodig was om de celwanden van E. coli-bacteriën aan te tasten.

Terwijl de bacteriën worden gedood, de onderzoekers hadden een smetteloos membraan met hoogwaardige nanocellulosevezels dat onder hoge werkdruk twee keer zo snel water kon filteren als in de handel verkrijgbare ultrafiltratiemembranen.

Toen ze hetzelfde experiment deden op een membraan gemaakt van bacteriële nanocellulose zonder de verminderde GO, de E. coli-bacterie bleef in leven.

"Dit is als 3D-printen met micro-organismen, " zei Jun. "We kunnen tijdens de groei alles toevoegen wat we willen aan de bacterie nanocellulose. We hebben het onder verschillende pH-omstandigheden bekeken, vergelijkbaar met wat we in de omgeving tegenkomen, en deze membranen zijn veel stabieler in vergelijking met membranen die zijn bereid door vacuümfiltratie of spincoating van grafeenoxide."

Hoewel Singamaneni en Jun erkennen dat de implementatie van dit proces in conventionele omgekeerde osmose-systemen belastend is, ze stellen een spiraalgewonden modulesysteem voor, vergelijkbaar met een rol handdoeken. Het kan worden uitgerust met LED's of een soort nanogenerator die mechanische energie uit de vloeistofstroom gebruikt om licht en warmte te produceren, wat de totale kosten zou verlagen.