通常の太陽光を利用して飲料水を消毒する新技術

May 01, 2023

低コストでリサイクル可能な粉末は、太陽光にさらされると毎秒数千個の水系細菌を殺すことができます。 スタンフォード大学とSLACの科学者らは、超高速消毒剤は安全な飲料水にアクセスできない世界中の20億人にとって革命的な進歩となる可能性があると述べている。

世界中で少なくとも 20 億人が、病気の原因となる微生物に汚染された水を日常的に飲んでいます。

粉末消毒剤を細菌で汚染された水中で撹拌します (左上)。 混合物を太陽光にさらすと、すべての細菌が急速に死滅します (右上)。 消毒後の金属粉を磁石で回収します（右下）。 その後、粉末は汚染水の入った別のビーカーに再充填され、消毒プロセスが繰り返されます (左下)。 (画像提供: Tong Wu/スタンフォード大学)

今回、スタンフォード大学とSLAC国立加速器研究所の科学者らは、通常の太陽光にさらされると毎秒数千個の水系細菌を死滅させる、低コストでリサイクル可能な粉末を発明した。 スタンフォード大学とSLACのチームによると、この超高速消毒剤の発見は、安全な飲料水にアクセスできない世界人口の約30パーセントにとって大きな進歩となる可能性があるという。 彼らの結果は、5 月 18 日付けの Nature Water 誌の研究で発表されました。

「水系感染症が原因で年間200万人が死亡しており、その大半は5歳未満の子どもだ」と、研究共同主著者でスタンフォード工学部材料科学工学（MSE）の元博士研究員であるトン・ウー氏は述べた。 「私たちは、私たちの新しい技術が水の消毒における革命的な変化を促進し、このエキサイティングな学際的分野でさらなるイノベーションを引き起こすと信じています。」

従来の水処理技術には、有毒な副産物を生成する可能性のある化学物質や、消毒に比較的長い時間がかかり、電源も必要となる紫外線が含まれています。

スタンフォード大学で開発された新しい消毒剤は、紫外線と太陽からの高エネルギー可視光線の両方を吸収することで機能する無害な金属粉末です。 この粉末は、酸化アルミニウム、硫化モリブデン、銅、酸化鉄のナノサイズのフレークで構成されています。

「私たちが使用したのは、これらの材料のごく少量だけです」と、スタンフォード・ドーア・サステナビリティ・スクールの MSE およびエネルギー科学・工学のフォーティネット創設者教授である上級著者であるイー・クイ氏は述べています。 「材料は低コストで、かなり豊富にあります。重要な革新は、水に浸すとすべてが一緒に機能することです。」

太陽から光子を吸収した後、硫化モリブデン/銅触媒は半導体/金属接合のように機能し、光子が電子を追い出すことができます。 解放された電子は周囲の水と反応し、酸素の中で最も生物学的に破壊的な形態の 1 つである過酸化水素とヒドロキシル ラジカルを生成します。 新たに生成された化学物質は、細胞膜に重大な損傷を与えて細菌を急速に殺します。

消毒前（左）と消毒後の大腸菌の顕微鏡画像。 赤丸で示したように、日光が細菌の細胞膜に重大な損傷を引き起こす化学物質を生成すると、細菌はすぐに死滅しました。 (画像提供: Tong Wu/スタンフォード大学)

研究のために、スタンフォード大学とSLACチームは、1mLあたり約100万個の大腸菌で汚染された室温の水を入れた200ミリリットル[6.8オンス]ビーカーを使用した。

「私たちは粉末を汚染水に混ぜ込みました」と共同筆頭著者で元MSE博士研究員のBofei Liu氏は語った。 「その後、実際の太陽光の下でスタンフォード大学のキャンパスで消毒テストを実施しましたが、60秒以内に生きた細菌は検出されませんでした。」

粉末状のナノフレークは素早く動き回り、多くの細菌と物理的に接触して細菌を素早く殺すことができると同氏は付け加えた。

太陽光によって生成される化学副産物もすぐに消散します。

「過酸化水素とヒドロキシラジカルの寿命は非常に短いです」と崔氏は言う。 「酸化するバクテリアがすぐに見つからなければ、化学物質は水と酸素に分解され、数秒以内に廃棄されます。そのため、水をすぐに飲むことができます。」

無毒の粉末はリサイクル可能です。 酸化鉄を使用すると、通常の磁石を使用してナノフレークを水から除去できます。 研究では、研究者らは磁気を利用して同じ粉末を30回収集し、30種類の異なる汚染水サンプルを処理した。

「ハイカーやバックパッカーにとっては、少量の火薬と小さな磁石を持ち歩くことを想像できます」と崔氏は語った。 「日中、粉末を水に入れ、日光の下で少し振れば、1分以内に飲料水が得られます。後で使用するために磁石を使用して粒子を取り出します。」

この粉末は、現在処理水を消毒するためにUVランプを使用している下水処理プラントでも役立つ可能性があると同氏は付け加えた。

「日中、植物は可視太陽光を利用することができます。これは紫外線よりもはるかに速く作用し、おそらくエネルギーを節約するでしょう」と崔氏は述べた。 「ナノフレークは非常に簡単に作ることができ、トン単位で急速にスケールアップすることができます。」

この研究は、重篤な胃腸疾患を引き起こし、場合によっては生命を脅かす可能性がある大腸菌に焦点を当てました。 米国環境保護庁は、飲料水中の大腸菌の最大汚染レベル目標をゼロに設定しました。 スタンフォード大学とSLACチームは、同様に重篤な病気や死を引き起こすウイルス、原生動物、寄生虫など、他の水系病原体に対して新しい粉末をテストする予定だ。

Yi Cui は、Precourt Institute for Energy および Stanford Doerr School of Sustainability の Sustainability Accelerator の所長です。 彼は、SLAC 国立加速器研究所の光子科学の教授でもあります。 Bofei Liu 氏は現在、Cui 氏が共同設立した浄水会社のスピンオフ企業 EEnotech Inc. の研究員です。 Tong Wu は上海の同済大学の教員です。

スタンフォード大学の他の共著者には、人文科学部の応用物理学教授、SLAC の光子科学教授、スタンフォード材料エネルギー科学研究所所長の Harold Y. Hwang 氏がいます。 元工学博士研究員 Chong Liu、Jiayu Wan、Feifei Shi、Ankun Yang、Kai Liu、Zhiyi Lu。 元工学博士課程の学生、Jie Zhao 氏と Allen Pei 氏。

研究への資金は米国エネルギー省から提供された。

マーク・ゴールデン、プレコートエネルギー研究所: (650) 724-1629; [email protected]

Yi Cui、材料科学および工学: (650) 725-3230; [email protected]

スタンフォード大学の研究者、スティーブン・ルビー氏とジェナ・フォーサイス氏は、ターメリックをより黄色くするために使用される着色料であるクロム酸鉛が、バングラデシュの妊婦の鉛濃度が高くなる主な原因であることを発見した。

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スティーブン・ルビーは、環境メルトダウンの最中に世界の健康を改善しようと努力するスタンフォード医学コミュニティのメンバーの一人です。