水凈化對于緩解世界范圍內(nèi)的水資源短缺和污染問題具有重要意義。在這項(xiàng)工作中，開發(fā)了一種基于垂直石墨烯改性玻璃纖維過濾器（EF-VG-GFF）的電場（EF）輔助多功能一步動(dòng)態(tài)水過濾和消毒系統(tǒng)。得益于VG密集而尖銳的納米壁結(jié)構(gòu)和局部增強(qiáng)的EF，EFVG-GFF純化系統(tǒng)創(chuàng)新地充當(dāng)過濾器和電穿孔消毒系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)細(xì)菌的物理攔截和不可逆的生理滅活。因此，在比傳統(tǒng)電穿孔消毒系統(tǒng)低幾個(gè)數(shù)量級的電壓下，在 2000 L·h
-1 m
-2 僅相當(dāng)于 0.36 秒的保留時(shí)間。卓越的凈化性能，加上時(shí)間和能源效率、無副產(chǎn)物和安全優(yōu)勢，使EF-VG-GFF系統(tǒng)成為發(fā)展高效、低成本、環(huán)保水凈化的競爭選擇。
Figure 1. 多功能一級動(dòng)態(tài)水過濾消毒EF-VG-GFF系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 (a) EF-VG-GFF 純化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 (b 和 c) 用作系統(tǒng)中電極的 VG-GFF (b) 和 HG-GFF (c) 的示意圖。 (d) VG 周圍的模擬局部 EF，以及側(cè)視圖中標(biāo)記位置的放大圖像。 (e) 模擬 HG 周圍的局部 EF。模擬電壓為 10 V。
Figure 2. VG-GFF 的制造和表征。 (a) PECVD 系統(tǒng)中 GFF 上的 VG 生長示意圖。 (b) GFF 上不同生長時(shí)間的 VG 拉曼光譜（歸一化為 G 峰強(qiáng)度）。 (c-e) VG-GFF 在不同生長時(shí)間的 SEM 圖像。 (f) VG-GFF 在生長 60 分鐘后的橫截面 SEM 圖像，VG 高度為 1.49 mm。 (g) GFF 上 HG 的 SEM 圖像和拉曼光譜 (插圖)。 (h) GFF、VG-GFF 和 HG-GFF 的照片。
Figure 3. EF-VG-GFF 系統(tǒng)的凈化性能。 (a和b) MDR大腸桿菌 (a) 和MRSA (b) 在用不同方法純化后的濾液中的電鍍結(jié)果。 0 V 表示系統(tǒng)在沒有施加電壓的情況下運(yùn)行，而 EF-10 V 和 EH-10 V 分別代表 EF 和 EH 消毒系統(tǒng)中 10 V 施加電壓的運(yùn)行條件。 (c 和 d) (a 和 b) 中樣品的 MDR 大腸桿菌 (c) 和 MRSA (d) 的相應(yīng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。 (e 和 f) 濾液中 MDR 大腸桿菌 (e) 和 MRSA (f) 的活/死熒光染色。 (g 和 h) MDR 大腸桿菌的代表性 SEM 圖像。 (g) 和 MRSA (h) 在過濾和消毒后的過濾器上。誤差棒代表從三個(gè)不同制備批次的三個(gè)重復(fù)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)偏差（每個(gè)重復(fù)由同一批次的一對濾膜組成）。
Figure 4. EF-VG-GFF 凈化系統(tǒng)的消毒機(jī)制。 (a-c) EF-VG-GFF 系統(tǒng)中觸發(fā)的生化過程：內(nèi)膜電位 (a)、膜通透性 (b) 和細(xì)胞內(nèi) ATP 水平 (c) 的變化。外加電壓為 10 V。 (d) EF-VG-GFF 系統(tǒng)的消毒機(jī)制示意圖，包括電穿孔 (I) 過程、物理穿刺 (II) 過程以及細(xì)菌代謝過程中 ATP 合成的功能障礙（三）。誤差棒代表從三個(gè)不同制備批次的三個(gè)重復(fù)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)偏差（每個(gè)重復(fù)由同一批次的一對濾膜組成）。
相關(guān)研究工作由北京大學(xué)與北京石墨烯研究院Yue Qi和 Zhongfan Liu于2022年在線發(fā)表在《J. Mater. Chem. A》期刊上，原文： Multifunctional glass fibre filter modified with vertical graphene for one-step dynamic water filtration and disinfection。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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