전 세계적으로 최소 20억 명의 사람들이 질병을 일으키는 미생물로 오염된 물을 일상적으로 마신다. 수인성 질병은 매년 200만 명의 사망 원인이며, 대부분은 5세 미만의 어린이이다.
“우리는 우리의 새로운 기술이 물 소독의 혁신적인 변화를 촉진하고 이 흥미진진한 학제간 분야에서 더 많은 혁신을 불러일으킬 것이라고 믿는다”고 연구원들은 말한다.
기존의 수처리 기술에는 독성 부산물을 생성할 수 있는 화학 물질과 살균에 비교적 오랜 시간이 걸리고 전기 공급원이 필요한 자외선이 포함된다.
새로운 소독제는 자외선과 태양의 고에너지 가시광선을 모두 흡수하는 무해한 금속 분말이다. 분말은 산화 알루미늄, 황화 몰리브덴, 구리 및 산화철의 나노 크기 플레이크로 구성된다.
스탠포드 도어르 지속 가능성 학교의 재료 과학 및 공학 교수이자 에너지 과학 및 공학 교수인 수석 저자 Yi Cui는 "우리는 이러한 재료를 극소량만 사용했다."라고 말한다. “재료가 저렴하고 상당히 풍부하다. 핵심 혁신은 물에 잠기면 모두 함께 작동한다는 것이다.”
태양광에서 광자를 흡수한 후 몰리브덴 황화물/구리 촉매는 반도체/금속 접합처럼 작동하여 광자가 전자를 제거할 수 있도록 한다. 해방된 전자는 주변의 물과 반응하여 가장 생물학적으로 파괴적인 형태의 산소 중 하나인 과산화수소와 수산기 라디칼을 생성한다. 새로 형성된 화학 물질은 세포막을 심각하게 손상시켜 박테리아를 빠르게 죽인다.
연구를 위해 팀은 mL[0.03oz.]당 약 100만 개의 대장균 박테리아로 오염된 상온의 물이 담긴 200ml[6.8온스] 비이커를 사용했다.
"우리는 가루를 오염된 물에 섞었다. 이어 “실제 햇빛 아래 스탠포드 캠퍼스에서 소독 테스트를 진행했는데 60초 안에 살아있는 박테리아가 검출되지 않았다”고 말했다.
가루 형태의 나노플레이크는 빠르게 움직일 수 있고 많은 박테리아와 물리적 접촉을 하여 빠르게 죽일 수 있다고 그는 말한다.
햇빛에 의해 생성된 화학 부산물도 빠르게 사라진다.
"과산화수소와 하이드록시 라디칼의 수명은 매우 짧다."라고 Cui는 말한다. “산화할 박테리아를 즉시 찾지 못하면 화학 물질이 물과 산소로 분해되어 몇 초 안에 폐기된다. 그래서 물을 바로 마실 수 있다.”
무독성 분말은 재활용도 가능하다. 산화철은 나노플레이크를 일반 자석으로 물에서 제거할 수 있게 한다. 이 연구에서 연구원들은 자기를 사용하여 동일한 분말을 30회 수집하여 30개의 서로 다른 오염된 물 샘플을 처리했다.
"등산객과 배낭 여행자를 위해 소량의 가루와 작은 자석을 들고 다니는 것을 상상할 수 있었다."라고 Cui는 말한다. “낮에는 가루를 물에 넣고 햇빛 아래에서 조금 흔들면 1분 안에 마실 수 있는 물이 된다. 나중에 사용할 수 있도록 자석을 사용하여 입자를 꺼낸다.”
이 분말은 현재 UV 램프를 사용하여 처리된 물을 소독하는 폐수 처리 공장에서도 유용할 수 있다고 그는 덧붙인다.
"낮에는 식물이 가시광선을 사용할 수 있는데, 이는 UV보다 훨씬 빠르게 작동하고 아마도 에너지를 절약할 것이다."라고 Cui는 말한다. "나노플레이크는 만들기가 매우 쉽고 톤 단위로 빠르게 확장할 수 있다."
이 연구는 심각한 위장병을 일으킬 수 있고 심지어 생명을 위협할 수도 있는 대장균에 초점을 맞췄다. 미국 환경 보호국은 식수에서 대장균에 대한 최대 오염 수준 목표를 0으로 설정했다. 연구원들은 심각한 질병과 사망을 유발하는 바이러스, 원생동물 및 기생충을 포함한 다른 수인성 병원균에 대해 새로운 분말을 테스트할 계획이다.
출처: 스탠포드대학
