高速水流納米纖維過(guò)濾器凈化家庭和野外用水

Fast -Flow Nanofiber Filters Purify Water at Home and in the Field

全世界目前有超過(guò)10億人缺乏清潔的飲用水。在部分地區(qū)，人們?yōu)榱双@得足夠全家生存所需的飲用水，甚至需要跋涉數(shù)千米去取水。有的地區(qū)雖然水量充足，但是水源受到病毒和細(xì)菌的污染，可能會(huì)誘發(fā)致命的疾病。在發(fā)達(dá)國(guó)家，有時(shí)也會(huì)因自然災(zāi)害、資源管理問(wèn)題或惡意攻擊而發(fā)生斷水或水資源被污染的情況。

這種缺水的狀況同樣也存在于宇航員的航天探索活動(dòng)中。在太空中，每一滴安全、潔凈的飲用水對(duì)于宇航員來(lái)說(shuō)都無(wú)比珍貴，因此，宇航員必須采取必要的措施，循環(huán)使用每一滴水。在國(guó)際空間站上，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）為宇航員開(kāi)發(fā)了專門(mén)的技術(shù)，用于收集生活中的每一滴水，包括汗液和尿液，并將這些水轉(zhuǎn)化為飲用水。

過(guò)濾是目前獲得安全飲用水唯一的解決辦法。然而，并不是所有的過(guò)濾器都足夠安全、有效：許多廉價(jià)的過(guò)濾器通過(guò)虹吸作用可去除污垢和低級(jí)別的污染物，但對(duì)更危險(xiǎn)的病毒等污染物卻束手無(wú)策。許多細(xì)菌和單細(xì)胞生物也能通過(guò)過(guò)濾器，被這些微生物感染的過(guò)濾器甚至?xí)?dǎo)致水的二次污染。隨著太空探索任務(wù)的深入推進(jìn)，為了解決太空用水問(wèn)題，NASA積極利用其資源，幫助企業(yè)開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的水過(guò)濾技術(shù)。

▲ 水純凈技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的固定式家用及便攜式過(guò)濾系統(tǒng)

2000年，美國(guó)佛羅里達(dá)州的Argonide公司在開(kāi)展納米材料的研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，其研發(fā)的納米陶瓷纖維——NanoCeram纖維具有優(yōu)良的濾水性能。這引起了NASA的關(guān)注，NASA授予了Argonide公司2項(xiàng)小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）計(jì)劃項(xiàng)目合同，支持Argonide公司和NASA約翰遜航天中心合作開(kāi)發(fā)水過(guò)濾技術(shù)。2000年，雙方簽訂了1項(xiàng)第一階段SBIR計(jì)劃項(xiàng)目合同，目的是測(cè)試NanoCeram纖維在太空中對(duì)水的凈化效果。在該階段項(xiàng)目完成后，2002年，雙方又簽訂了1項(xiàng)第二階段SBIR計(jì)劃項(xiàng)目合同，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)足夠整個(gè)太空探索小組使用的過(guò)濾器。Argonide公司與NASA約翰遜航天中心合作開(kāi)發(fā)水過(guò)濾產(chǎn)品的案例刊登在2004年、2009年和2013年的《spinoff》報(bào)告中。

納米纖維最重要的優(yōu)勢(shì)在于其異常強(qiáng)大的“生物粘附性”，也就是說(shuō)，包括病毒和細(xì)菌等在內(nèi)的生物顆粒物很容易被納米纖維吸附。當(dāng)水流通過(guò)由納米纖維編織制成的過(guò)濾器時(shí)，這些細(xì)菌和病毒顆粒會(huì)被吸附，并滯留在纖維上，從而過(guò)濾出純凈的水，保證飲用水安全。

位于美國(guó)猶他州默里市的水純凈（Water Pure）技術(shù)公司的創(chuàng)始人湯姆?斯摩科夫（Tom Smokoff）解釋說(shuō)：“當(dāng)水流通過(guò)NanoCeram纖維時(shí)，會(huì)產(chǎn)生正電荷。而水中大部分雜質(zhì)攜帶有微弱的負(fù)電荷，由于正負(fù)電荷的吸引作用，這些帶有負(fù)電荷的雜質(zhì)就會(huì)被過(guò)濾器吸附。”

其它過(guò)濾器通常使用微孔濾膜技術(shù)，濾膜上微孔的尺寸僅允許水分子通過(guò)，病毒和細(xì)菌等污染物由于尺寸過(guò)大，被過(guò)濾出來(lái)。然而，若采用微孔濾膜技術(shù)進(jìn)行水的凈化，過(guò)程非常緩慢，特別是當(dāng)需要大量的水時(shí)，這種過(guò)濾方式就不能及時(shí)滿足需求。而采用NanoCeram纖維的過(guò)濾器則擁有較大的孔徑，可達(dá)2μm，因而可使水流以更快的速度通過(guò)，同時(shí)，還可清除99.9%的病毒和細(xì)菌。在不使用化學(xué)物質(zhì)的情況下，該納米纖維過(guò)濾器的過(guò)濾效果遠(yuǎn)超過(guò)市場(chǎng)上其它過(guò)濾器。

當(dāng)湯姆?斯摩科夫計(jì)劃為緊急救援工作人員、背包客和發(fā)展中國(guó)家的偏遠(yuǎn)地區(qū)，以及其他地方設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)濾系統(tǒng)時(shí)，NanoCeram纖維的優(yōu)點(diǎn)引起了他的注意。湯姆?斯摩科夫與Argonide公司取得了聯(lián)系。他了解到，許多公司都從Argonide公司獲得了采用NanoCeram纖維生產(chǎn)過(guò)濾器進(jìn)行銷售的授權(quán)。他購(gòu)買(mǎi)了這些過(guò)濾器產(chǎn)品，并開(kāi)始研究將NanoCeram纖維過(guò)濾器用于特定行業(yè)領(lǐng)域的最佳方式。

采用NanoCeram纖維，水純凈技術(shù)公司研發(fā)了Water ResQ系統(tǒng)系列產(chǎn)品，不僅包括固定式全家庭產(chǎn)品或水槽產(chǎn)品，還包括能夠攜帶到水源地的由電池供能或手搖驅(qū)動(dòng)的便攜式產(chǎn)品。

湯姆?斯摩科夫已經(jīng)斷斷續(xù)續(xù)與人道主義組織合作了近20年，他說(shuō)：“水純凈技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的這些產(chǎn)品能夠以非常低的成本完成大量的水的過(guò)濾。我們的目標(biāo)是在人們能夠承受的范圍內(nèi)，將更多干凈的飲用水帶給用戶?！崩?，該公司開(kāi)發(fā)的便攜式Water ResQ紫外多級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)能夠裝在一個(gè)手提箱里，配備一塊可以用太陽(yáng)能板充電的小電池，成本約為1400美元，每分鐘可過(guò)濾約11L的水。該系統(tǒng)將多個(gè)過(guò)濾器組合在一起：一級(jí)過(guò)濾器可過(guò)濾掉灰塵和大的顆粒；二級(jí)過(guò)濾器是椰碳過(guò)濾器，可過(guò)濾掉許多其它污染物；三級(jí)過(guò)濾器是價(jià)值最高、最靈敏的NanoCeram纖維過(guò)濾器，能夠過(guò)濾掉包括病毒在內(nèi)的所有的有害物質(zhì)。三級(jí)過(guò)濾過(guò)程完成后，水流再通過(guò)紫外線處理箱，進(jìn)一步殺菌消毒，確保水質(zhì)安全。

在水污染特別嚴(yán)重的地區(qū)，水純凈技術(shù)公司還可以增加2個(gè)額外的過(guò)濾階段。其所有的水過(guò)濾系統(tǒng)都能夠清除鉛、氯、大腸桿菌、大腸菌群、病毒、藻類、藥物、難聞的味道和氣味，以及許多其它污染物。這種多級(jí)過(guò)濾器是一種故障冗余裝置，無(wú)論其中任何一個(gè)過(guò)濾器失效，多級(jí)過(guò)濾器的其它部分都可以作為其支撐部分保障過(guò)濾水的安全。同時(shí)，其它過(guò)濾器也能對(duì)NanoCeram纖維過(guò)濾器起到一定的保護(hù)作用，防止其被泥土或其它尺寸較大的污染物堵塞。最重要的是，多級(jí)過(guò)濾器的設(shè)計(jì)能夠延長(zhǎng)可濾除病毒的NanoCeram纖維過(guò)濾器的壽命。如果經(jīng)優(yōu)化的過(guò)濾器的壽命能到延長(zhǎng)4～5倍，那么，對(duì)于人道主義組織而言，這將是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@樣他們就不需要經(jīng)常更換過(guò)濾器，從而降低了成本。

水純凈技術(shù)公司及其經(jīng)銷商還將其水過(guò)濾設(shè)備出售給了加利福尼亞州的空降消防隊(duì)。當(dāng)空降消防員空降到森林火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，水純凈技術(shù)公司生產(chǎn)的便攜式手動(dòng)操作水過(guò)濾系統(tǒng)也可同時(shí)空降到火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，從而滿足消防員的現(xiàn)場(chǎng)飲水需求。此外，水純凈技術(shù)公司生產(chǎn)的便攜式Water ResQ紫外多級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)也已提供給軍隊(duì)、急救機(jī)構(gòu)和災(zāi)難危機(jī)應(yīng)急人員使用，實(shí)現(xiàn)了民用產(chǎn)品在軍用領(lǐng)域的應(yīng)用。美國(guó)國(guó)土安全部目前也已通過(guò)其經(jīng)銷商購(gòu)買(mǎi)了近90套該公司生產(chǎn)的水過(guò)濾設(shè)備。

湯姆?斯摩科夫說(shuō)：“水純凈技術(shù)公司的產(chǎn)品盡量采用美國(guó)制造的材料和元件，其原材料的70%是由美國(guó)制造的，包括NASA資助開(kāi)發(fā)的NanoCeram纖維過(guò)濾器。NanoCeram纖維過(guò)濾器是現(xiàn)有市場(chǎng)上過(guò)濾病毒最快速、最有效的產(chǎn)品，該過(guò)濾器使水純凈技術(shù)公司能夠設(shè)計(jì)出真正改善人們生活的水凈化設(shè)備和系統(tǒng)。” (唐 甜)

▲ 配備便攜式Water ResQ紫外多級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)的空降消防員在火災(zāi)救援現(xiàn)場(chǎng)