(圖:Johnny Brown/Unsplash)

中國科學院及揚州大學組成的研究團隊,成功合成一種能有效去除水中細菌並具有環保特性的材料。只要將這種材料暴露在陽光下,就能有效殺死水中有害的細菌,並在一個小時內淨化 10 公升的水。

光催化消毒

研究團隊使用一種稱為光催化消毒(photocatalytic disinfection)的技術,透過特別的材料吸收光之後,催化氧氣在水中的反應,使其產生活性氧類化合物(reactive oxygen species,簡稱 ROS),這類化合物能穿過細菌的細胞膜,再利用其高活性破壞胞器,進而殺死細菌,達到除菌的效果。

這種技術有望取代目前使用氯化(chlorination)或臭氧消毒(ozone disinfection)等對環境有害的消毒劑,使得許多研究團隊投入相關研究。尤其在受氣候變遷及未來水資源匱乏的擔憂下,找到能有效且安全的方法消毒飲用水更是至關重要。

石墨相氮化碳

過去,光催化消毒效果最佳的材料為金屬觸媒,但使用金屬觸媒在淨化過的水中會殘留部分金屬物質,因此無法安全飲用;而非金屬性的觸媒雖有奈米碳管、石墨烯等較安全的選擇,但在生成 ROS 的效率上則不如金屬觸媒。

而研究團隊合成的化合物,則是在石墨相氮化碳(Graphitic carbon nitride)這種二維材料上加上羧酸(carboxyl)羰基(carbonyl)官能基,使其分子周圍電子雲密度更高。當此種材料吸收紫外光及可見光後,便能有效催化水中的氧氣反應產生一種常見的 ROS,過氧化氫(hydrogen peroxide),以達到相同機制的殺菌效果。

未來發展

該研究初期試驗發現,在 50 毫升的水中,這種材料能在 30 分鐘內去除 99.9999 % 的大腸桿菌(Escherichia coli ),比其他非金屬觸媒的光催化消毒材料還要快五倍的效率。

研究團隊認為,因為石墨相氮化碳容易合成且價格較低的特性,要將此系統規模化相當容易且並不昂貴。不過只殺菌不足以將水淨化為安全的飲用水,研究人員王丹教授表示:「淨水的過程仍需要其他裝置來去除重金屬離子、調節 pH 值,並清除過程中的雜質。」

 

參考資料:

  1. Cassella, C. (n.d.). Scientists Develop a Material That Kills 99.9% of Bacteria in Drinking Water Using Nothing But Light. SceinceAlert
  2. Teng, Z., Yang, N., Lv, H., Wang, S., Hu, M., Wang, C., . . . Wang, G. (2019). Edge-Functionalized g-C3N4 Nanosheets as a Highly Efficient Metal-free Photocatalyst for Safe Drinking Water. Chem. doi:10.1016/j.chempr.2018.12.009
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