用于快速水消毒和可持续太阳能蒸汽生成的水凝

[Abstract]

饮用不安全的水是发展中地区的一种病死亡率和死亡率的主要原因。巴氏杀菌或沸水去除病原体是能源密集型的，对于离网社区来说通常是不切实际的。因此，迫切需要低成本、快速、节能的水消毒方法来应对安全用水的全球挑战。最近，设计了一种具有邻苯二酚启用分子级过氧化氢发生器和醌锚定活性炭颗粒的抗菌水凝胶（ABH），用于有效的水处理。 通讯作者来自德克萨斯大学奥斯汀分校于桂华教授。 杀菌作用归因于过氧化氢和醌基团协同作用，攻击细胞必需成分，干扰细菌代谢。

< span>ABHs 可直接作为片剂使用，在 60 分钟内达到 >99.999% 的水消毒效率，无需能量输入。在加工过程中不会形成有害的副产品，ABH 片之后可以轻松去除，无残留。利用其优异的光热和抗生物污染特性，ABHs还可用作太阳能蒸发器。在含菌河水中储存和运行数月后，可实现稳定的阳光下净水（≤1 kW·m-2）。 ABH 平台为偏远地区的使用点水处理技术和应急救援应用提供更低的能源和化学品要求。相关论文标题为Molecular Engineering of Hydrogels for Rapid Water Disinfection and Sustainable Solar Vapor Generation < span>发??表于“高级材料”。

[图形分析]

为了克服当前水处理技术中的这些挑战，该团队开发了一种由儿茶酚功能化壳聚糖 (CCS) 网络和醌锚定活性炭颗粒组成的抗菌组合物。水凝胶（ABH）（图1a）。 由空气和水中的O2引发的邻苯二酚基团的自发氧化（图1b）导致H2O2 大水凝胶网络逐渐释放。

图1 用于水消毒和净化的抗菌水凝胶（ABH）示意图。

同时，水凝胶网络中的醌修饰活性炭（QAC）颗粒促进与各种生物巯基的反应基团，例如在蛋白质和代谢物中发现的巯基，以进一步增强杀菌效果（图 1c）。因此，制备的 ABH 可以作为片剂直接浸入未经处理的水中，以在 60 分钟内（零能耗）（> 99.999 %）实现枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌的 5-6 log 灭活（图 1d）。消毒后，药片被简单地去除，不会在水中留下化学杂质。

ABHs的制备分为两步：一、CCS 是通过壳聚糖 (CS) 和 3,4-二羟基苯甲醛一步还原胺化反应合成的；然后，含有 QAC 颗粒分散体的 CCS 溶液经历了原位凝胶化过程。制备的 ABH 是一种黑色的海绵状水凝胶（图 2a）。扫描电子显微镜 (SEM) 显示了 ABH 的多孔结构，孔径范围为 30 至 300 μm（图 2b）。在更高的放大倍数下，QAC 颗粒在数百纳米到几微米之间，并穿透凝胶的 CSS 网络（图 2c）。亲水聚合物网络的这种独特的多孔结构促进了儿茶酚基团和 QAC 颗粒与含细菌的水的接触，因为水凝胶中的微通道有助于消毒过程的高表面积（图 2d）。

图 2 ABH 的表征。

团队接下来测试了ABH的水消毒性能<跨度>。首先，在常压常温下，将ABHs直接放入含有细菌的水中。对于所有实验，与细菌水相关的 ABH 的质量为 6 mg mL-1。最初测试了两种代表性细菌，革兰氏阳性、产孢子枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和革兰氏阴性大肠杆菌（E.coli），因为它们在大多数未经处理的水源中无处不在（图 3a），B）。 结果表明60分钟内去除铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）的效率为99.9999%（6 log灭活）（图3c、e），说明ABH可以使用用于灭活 活多种细菌。 琼脂平板显示了枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌细胞的灭活结果，揭示了ABH在室温和环境压力下的水消毒效果（图3d）。 ABH 在零能量输入环境条件下的整体消毒性能（对数灭活和响应时间）将它们列为迄今为止性能最佳的抗菌材料（图 3f）。以下方法用于直接测试化学残留物和纳米颗粒浸出的存在。将ABH片放入去离子水中，然后用滤勺取出ABH片后，所得水中总有机碳（TOC）和总溶解固体的增加可以忽略不计（图3g）。原始和 ABH 浸泡的去离子水进一步证实消毒后没有化学杂质残留（图 3h）。因此，ABH 可能会增强或取代目前的消毒方法。

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