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霍正洋等:基于限域电穿孔+电解氯协同新机制的微生物快速消毒技术

发布时间:2022-07-15

【论文名称】Synergistic Nanowire-Enhanced Electroporation and Electrochlorination for Highly Efficient Water Disinfection

【论文作者】 Zheng-Yang Huo, Lea R. Winter, Xiao-Xiong Wang, Ye Du, Yin-Hu Wu, Uwe Hübner, Hong-Ying Hu, and Menachem Elimelech

【内容摘要】

病原微生物可通过多种途径感染人体、引发传染病。消毒是杀灭环境中有害微生物、保障安全用水的关键措施。最常见的氯消毒虽可在特定条件下杀灭微生物,但会产生致癌副产物。针对当下微生物高效安全消毒的重大社会需求,霍正洋研究团队开发了一种新型消毒技术,将限域电穿孔与电解氯这两种处理技术巧妙的集成于一个处理单元,实现了对有害微生物物理穿孔+化学氧化的顺序处理,所构建的协同新过程相较于单独处理有极大的提升,实现了1+1>2的理想效果。可实现水中的细菌和病毒的高效消毒。

研究团队利用导体对自由电荷的聚集特性,构建了细长的纳米线结构,可在纳米线尖端聚集大量电荷构建限域强电场。当微生物经过限域强电场时,即可发生损伤,实现基于物理原理的电穿孔。研究进一步发现受损微生物可在极低浓度的氯处理后,快速死亡。基于此,研究团队创新地设计了负极限域电场+正极电解氯消毒的顺序处理技术。所构建的协同消毒技术可先使微生物受伤,破坏抵御氯消毒的重要屏障——细胞膜。随后可利用低剂量氯,精准高效杀灭损伤微生物。该项技术可在低电压(2 V)高通量下(2.4 × 104 L/(m2 h)实现微生物完全杀灭(灭活率>99.9999%),能耗仅需8 × 10−4 kW h/m3。该项技术可有望保障用水安全,满足人民群众用水的重大需求。

限域电穿孔+电解氯协同消毒机制及纳米修饰限域电穿孔电极

消毒效果与协同分析

顺序消毒协同机理总结

研究成果最终以题为“Synergistic Nanowire-Enhanced Electroporation and Electrochlorination for Highly Efficient Water Disinfection”发表在环境科学与工程领域顶级期刊《环境科学与技术》(Environmental Science &Technology),中国人民大学环境学院助理教授霍正洋为论文第一作者,美国耶鲁大学王潇雄博士后为论文通讯作者。本研究可为保障饮用水安全提供理论依据和技术基础。

【文章来源】

Environmental Science &Technology, 2022, Articles ASAP (as soon as publishable)(中国人民大学A+期刊,最新影响因子为11.357)