211service.com
Usar luz para desinfectar el agua
Obtener acceso a agua potable es un problema constante para las personas en los países en desarrollo. E incluso las ciudades que tienen buenos sistemas de tratamiento de agua buscan mejores formas de suministrar agua más segura y limpia. Ahora, un equipo de investigación internacional ha desarrollado un fotocatalizador que promete una desinfección del agua rápida y eficaz utilizando luz solar o luz artificial. Además, el fotocatalizador sigue funcionando después de que se apaga la luz, desinfectando el agua incluso en la oscuridad.
Llegando limpio: Una micrografía muestra la superficie de un catalizador activado por luz que desinfecta el agua incluso en la oscuridad. Las nanopartículas de paladio en la superficie de un óxido de titanio dopado con nitrógeno ayudan a extender el poder de desinfección del catalizador hasta 24 horas.
Se sabe desde hace mucho tiempo que la irradiación del agua con luz ultravioleta de alta intensidad mata las bacterias. Algunos filtros de agua hechos para campistas y excursionistas, por ejemplo, utilizan esta tecnología. Los investigadores han estado trabajando para mejorar la efectividad del método agregando un fotocatalizador que se activa con la luz ultravioleta y genera compuestos químicos reactivos que descomponen los microbios en dióxido de carbono y agua.
El nuevo fotocatalizador mejora eso mediante el uso de luz visible, en lugar de UV. Sintetizado por Jian-Ku Shang , profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign, y sus colegas, el fotocatalizador trabaja con luz en el espectro visible, longitudes de onda entre 400 y 550 nanómetros. Consiste en fibras de óxido de titanio, un material común utilizado como pigmento blanco, dopado con nitrógeno para que absorba la luz visible. Solo, el óxido de titanio dopado con nitrógeno mata las bacterias, aunque no de manera eficiente. Los investigadores agregaron nanopartículas de paladio a la superficie de las fibras, aumentando en gran medida la eficiencia de la desinfección. Él y sus colegas del Laboratorio Nacional de Ciencias de los Materiales de Shenyang en China publicaron su trabajo en línea en el Revista de química de materiales .
Sería muy bueno cambiar la actividad de los materiales [fotocatalizadores] tradicionales, que solo se activan con la radiación ultravioleta, a visibles, dice Alexander Orlov, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Stony Brook en Nueva York. Si miras los espectros solares, contiene solo un 5 por ciento de ultravioleta y alrededor del 46 de visible. Dichos fotocatalizadores permitirían que la energía solar se utilizara de manera más eficiente y también en interiores, ya que la iluminación fluorescente contiene muy poca luz ultravioleta.
Shang y sus colegas probaron el fotocatalizador colocándolo en una solución que contenía una alta concentración de E. coli bacterias y luego iluminar la solución con una lámpara de escritorio halógena durante períodos de tiempo variables. Después de una hora, la concentración de bacterias bajó de 10 millones de células por litro a solo una célula por 10,000 litros.
Los investigadores también probaron la capacidad del fotocatalizador para desinfectar en la oscuridad. Iluminaron las fibras durante 10 horas para simular la exposición a la luz del día y luego las almacenaron en la oscuridad durante varias horas. Incluso después de 24 horas, el fotocatalizador todavía mató a las bacterias. De hecho, solo unos minutos de iluminación fueron suficientes para mantener el fotocatalizador activado durante ese período de tiempo.
Normalmente, cuando tienes un fotocatalizador, la actividad se detiene casi instantáneamente cuando se apaga la luz, dice Shang. Las especies químicas que genere solo durarán unos pocos nanosegundos. Este es un inconveniente intrínseco de un sistema fotocatalítico, ya que requiere activación de luz esencialmente todo el tiempo.
Las nanopartículas de paladio aumentan el poder del fotocatalizador de dos formas. Cuando los fotones chocan contra el material, crean pares de cargas positivas y negativas: huecos y electrones. Los agujeros cargados positivamente en la superficie del óxido de titanio dopado con nitrógeno reaccionan con el agua para producir radicales hidroxilo, que luego atacan a las bacterias. Lo que hacen las nanopartículas de paladio es agarrar los electrones para que la mayoría de los agujeros que produzcas puedan sobrevivir sin ser neutralizados por los electrones, dice Shang.
Tan pronto como agarran los electrones, las nanopartículas entran en un estado químico diferente y almacenan las cargas negativas. Cuando se apaga la luz, esa carga se libera lentamente, y esa liberación lenta es lo que nos da ese efecto de memoria, dice Shang. Esa carga puede reaccionar con moléculas de agua para producir agentes oxidantes nuevamente. Él dice que las nanopartículas de otros metales de transición, como la plata, también mejoran la efectividad del fotocatalizador.
El fotocatalizador ofrece la capacidad de desinfectar a máxima potencia durante el día y luego seguir funcionando por la noche o durante cortes de energía. Además, debido a que la desinfección ocurre rápidamente, los sistemas podrían diseñarse para limpiar grandes volúmenes de agua exponiéndola a la luz a medida que el agua fluye a través de las tuberías, dice Shang.