Een golf van stormen in Texas in de afgelopen jaren – van de orkaan Harvey in 2017 tot de diepvries in 2021 – heeft grote delen van de bevolking in gevaar gebracht en miljoenen mensen gedurende lange perioden zonder elektriciteit of water laten zitten.

Deze calamiteiten hebben ook als motivatie gediend voor een onderzoeker aan de Universiteit van Texas in Austin om haar werk te heroriënteren op innovaties die gemeenschappen kunnen helpen reageren op zware weersomstandigheden. Haar nieuwste project is een apparaat ter grootte van een mok dat snel water kan zuiveren met behulp van een kleine stroomstoot om bacteriële cellen eruit te vissen. Bij laboratoriumexperimenten was het apparaat in staat om in ongeveer 20 minuten 99,997% van de E. coli-bacteriën te verwijderen uit monsters van 2 tot 3 ounce, genomen in Waller Creek in Austin, met de capaciteit om meer te doen.

"We zijn in staat om water schoon te maken met heel weinig energie omdat we de bacteriecellen sturen met elektrische velden, en de meeste bacteriële cellen zijn natuurlijke zwemmers die zichzelf naar elektroden voortstuwen en levend gevangen worden", zegt D. Emma Fan, universitair hoofddocent bij de Cockrell School of Engineering's Walker Department of Mechanical Engineering, die leiding gaf aan het onderzoek dat onlangs werd gepubliceerd in ACS Nano .

De sleutel tot het apparaat is een "vertakte" elektrode die het onderzoeksteam eerder heeft gemaakt. De structuur van de gepatenteerde elektrode is gebaseerd op een wortelsysteem in een boom met takken die in verschillende richtingen bewegen.

Wanneer het apparaat wordt geëlektrificeerd, creëert het een veld waar de E. coli-cellen naartoe worden aangetrokken. Ze "zwemmen" gewillig in de elektrodetakken.

De elektrode is gemaakt van grafietschuim, compatibel en duurzaam in elektrische velden, en kan vele uren onafgebroken werken. Naast de efficiëntie is het apparaat goedkoop:het kost minder dan $ 2 om de met schuim omhulde elektrode te maken.

Het is ook eenvoudig te gebruiken. Dompel eerst de met elektroden gevulde beker in water. Geef het vervolgens een elektrische schok, wacht en laat de elektroden bacteriën eruit vissen. Wacht vervolgens en verwijder het water, dat nu drinkbaar is.

De onderzoekers onderzoeken nu manieren om het te commercialiseren en willen vervolgens het ontwerp van de beker stroomlijnen. Degene die wordt gebruikt om water uit Waller Creek schoon te maken, is een 3D-geprint prototype. Het team wil het proces van het plaatsen en verwijderen van de elektroden verder vereenvoudigen.

Van de verschillende huidige methoden voor eenvoudige, commerciële waterfiltratie heeft elke methode een aanzienlijk gebrek. Bij het desinfecteren van pillen kunnen oxidanten vrijkomen die schadelijk kunnen zijn als ze worden ingeslikt. Omgekeerde osmosesystemen vereisen een hoge waterdruk, en zonne-energie heeft constant zonlicht nodig, wat onbetrouwbaar is bij natuurrampen.

Bovendien maakt het gebruik van elektrische energie integratie met batterijen voor opgeslagen energie mogelijk en kan deze gemakkelijk thuis, op kantoor of in een auto worden gebruikt. De energiekosten zijn ook veel lager dan die van verschillende opkomende technologieën, bijvoorbeeld een duizendste van die voor zonne-energie.

De elektrode die in het apparaat wordt gebruikt, is oorspronkelijk gemaakt voor supercondensatoren. Er wordt geschat dat de bevolking van Texas tegen 2050 zal verdubbelen en dat er behoefte is aan onderzoek om de veerkracht aan te pakken nadat Harvey Fan heeft gemotiveerd om haar werk te concentreren op natuurrampen.

In het geval van een stroomstoring of een waarschuwing dat het water kookt, kan iemand die een apparaat met deze technologie bezat, naar een kreek of beek rijden, het via een eenvoudige DC-AC-omzetter op de accu van de auto aansluiten en water zuiveren. om als drinkvoorraad mee naar huis te nemen. Het kan ook worden aangedreven door zonnepanelen met hetzelfde principe.

"Als onze waterinfrastructuur kapot is – geen water, geen gas en geen elektriciteit – hebben we apparaten nodig voor het reinigen van water dat we uit vijvers, beken of rivieren kunnen halen," zei Fan. "Wij geloven dat ons apparaat ooit in die behoefte kan voorzien."

Meer informatie: Xianfu Luo et al., Draagbare desinfectie van bulkwater door live vangen van bacteriën met uiteenlopend vertakt poreus grafiet in elektrische velden, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.2c12229

Journaalinformatie: ACS Nano

Aangeboden door de Universiteit van Texas in Austin