Mer än en av 10 människor i världen saknar grundläggande tillgång till dricksvatten, och senast 2025, hälften av världens befolkning kommer att bo i vattenstressade områden, vilket är anledningen till att tillgång till rent vatten är en av National Academy of Engineerings stora utmaningar. Ingenjörer vid Washington University i St. Louis har designat en ny membranteknologi som renar vatten samtidigt som det förhindrar bioförorening, eller ansamling av bakterier och andra skadliga mikroorganismer som minskar vattenflödet.

Och de använde bakterier för att bygga sådana filtermembran.

Srikanth Singamaneni, professor i maskinteknik och materialvetenskap, och Young-Shin Jun, professor i energi, miljö- och kemiteknik, och deras team blandade sin expertis för att utveckla ett ultrafiltreringsmembran med grafenoxid och bakteriell nanocellulosa som de fann vara mycket effektiva, långvarig och miljövänlig. Om deras teknik skulle skalas upp till en stor storlek, det skulle kunna gynna många utvecklingsländer där rent vatten är ont om.

Resultaten av deras arbete publicerades som omslagsartikel i numret 2 januari av Miljövetenskap och teknik .

Biopåväxt står för nästan hälften av all membranpåväxt och är mycket utmanande att helt utrota. Singamaneni och Jun har tagit sig an denna utmaning tillsammans i nästan fem år. De har tidigare utvecklat andra membran med guld nanostjärnor, men ville designa en som använde billigare material.

Deras nya membran börjar med att Gluconacetobacter hansenii-bakterier matas med en sockerhaltig substans så att de bildar cellulosa nanofibrer när de är i vatten. Teamet inkorporerade sedan grafenoxid (GO) flingor i den bakteriella nanocellulosa medan den växte, i huvudsak fångar GO i membranet för att göra det stabilt och hållbart.

Efter att GO har införlivats, membranet behandlas med baslösning för att döda Gluconacetobacter. Under denna process, syregrupperna i GO elimineras, vilket gör det reducerat GO. När laget lyste solljus på membranet, de reducerade GO-flingorna genererade omedelbart värme, som avleds i omgivande vatten och bakterier nanocellulosa.

Ironiskt, membranet som skapas av bakterier kan också döda bakterier.

"Om du vill rena vatten med mikroorganismer i, den reducerade grafenoxiden i membranet kan absorbera solljuset, värmer membranet och dödar bakterierna, " sa Singamaneni.

Singamaneni och Jun och deras team exponerade membranet för E. coli-bakterier, sedan lyste ljus på membranets yta. Efter att ha bestrålats med ljus i bara 3 minuter, E. coli-bakterien dog. Teamet fastställde att membranet snabbt värmdes till över de 70 grader Celsius som krävs för att försämra cellväggarna hos E. coli-bakterier.

Medan bakterierna dödas, forskarna hade ett orördt membran med en hög kvalitet av nanocellulosafibrer som kunde filtrera vatten dubbelt så snabbt som kommersiellt tillgängliga ultrafiltreringsmembran under ett högt driftstryck.

När de gjorde samma experiment på ett membran tillverkat av bakteriell nanocellulosa utan reducerad GO, E. coli-bakterierna höll sig vid liv.

"Det här är som 3D-utskrift med mikroorganismer, " sade Jun. "Vi kan lägga till vad vi vill till bakterien nanocellulosa under dess tillväxt. Vi tittade på det under olika pH-förhållanden liknande det vi möter i miljön, och dessa membran är mycket mer stabila jämfört med membran framställda genom vakuumfiltrering eller spin-coating av grafenoxid."

Medan Singamaneni och Jun erkänner att implementeringen av denna process i konventionella system för omvänd osmos är belastande, de föreslår ett spirallindat modulsystem, liknar en rulle handdukar. Den kan vara utrustad med lysdioder eller en typ av nanogenerator som utnyttjar mekanisk energi från vätskeflödet för att producera ljus och värme, vilket skulle minska den totala kostnaden.