Ett utslag av stormar i Texas de senaste åren – från orkanen Harvey 2017 till djupfrysningen 2021 – har satt stora delar av befolkningen i fara och lämnat miljoner utan elektricitet eller vatten under långa perioder.

Dessa katastrofer har också tjänat som motivation för en forskare vid University of Texas i Austin att fokusera sitt arbete på innovationer som kan hjälpa samhällen att reagera på svåra väderhändelser. Hennes senaste projekt är en apparat i storleken av en mugg som snabbt kan rena vatten med hjälp av en liten stöt av elektricitet för att fiska upp bakterieceller. I laboratorieexperiment kunde enheten ta bort 99,997 % av E. coli-bakterier från 2- till 3-ounce prover tagna från Waller Creek i Austin på cirka 20 minuter, med kapacitet att göra mer.

"Vi kan rena vatten med väldigt lite energi eftersom vi styr bakteriecellerna med elektriska fält, och de flesta bakterieceller är naturliga simmare som driver sig till elektroder och fångas levande", säger D. Emma Fan, docent i Cockrell School of Engineerings Walker Department of Mechanical Engineering, som ledde forskningen som nyligen publicerades i ACS Nano .

Nyckeln till enheten är en "grenad" elektrod som forskargruppen tidigare skapat. Den patenterade elektrodens struktur är baserad på ett rotsystem i ett träd med grenar som rör sig i flera riktningar.

När den är elektrifierad skapar enheten ett fält till vilket E. coli-cellerna attraheras. De "simmar" villigt in i elektrodgrenarna.

Elektroden är gjord av grafitskum, kompatibel och hållbar i elektriska fält, och kan kontinuerligt arbeta i många timmar. Förutom dess effektivitet är enheten billig – det kostar mindre än 2 USD att skapa den skuminkapslade elektroden.

Den är också enkel att använda. Doppa först den elektrodfyllda koppen i vatten. Ge det sedan ett elektriskt stöt, vänta och låt elektroderna fiska upp bakterier. Vänta sedan och ta bort vattnet, som nu är drickbart.

Forskarna undersöker nu sätt att kommersialisera den och vill sedan effektivisera designen av koppen. Den som används för att rena vatten från Waller Creek är en 3D-printad prototyp. Teamet vill ytterligare förenkla processen med att sätta in och ta bort elektroderna.

Av de många olika nuvarande metoderna för enkel kommersiell vattenfiltrering har var och en ett betydande fel. Desinficerande piller kan frigöra oxidanter som kan vara skadliga vid förtäring. System för omvänd osmos kräver högt vattentryck, och solångning kräver konsekvent solljus, vilket är opålitligt mitt i naturkatastrofer.

Dessutom möjliggör användningen av elektrisk kraft integrering med batterier för lagrad energi och kan enkelt användas hemma, på kontoret eller i bilen. Energikostnaden är också mycket lägre än för olika framväxande teknologier, t.ex. en tusendel så mycket som för solenergi.

Elektroden som används i enheten skapades ursprungligen för superkondensatorer. Beräknar att Texas befolkning skulle fördubblas till 2050 och behovet av forskning för att ta itu med motståndskraft efter att Harvey motiverade Fan att fokusera sitt arbete på naturkatastrofer.

I fallet med ett strömavbrott eller ett meddelande om kokande vatten kan en person som ägde en enhet med denna teknik köra till en bäck eller en bäck, koppla upp den till bilbatteriet genom en enkel DC-AC-omvandlare och rena vatten att ta med hem som dryckesförråd. Den kan också drivas med solpaneler med samma princip.

"När vår vatteninfrastruktur är nere - inget vatten, ingen gas och ingen elektricitet - behöver vi utrustning för att rena vatten som vi kan ta oss ut ur dammar, bäckar eller floder," sa Fan. "Vi tror att vår enhet en dag kan fylla det behovet."

Mer information: Xianfu Luo et al, Bärbar bulkvattendesinfektion genom levande infångning av bakterier med divergent grenad porös grafit i elektriska fält, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.2c12229

Journalinformation: ACS Nano

Tillhandahålls av University of Texas i Austin