高速水流纳米纤维过滤器净化家庭和野外用水

2017-08-16唐甜

军民两用技术与产品 2017年11期

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

全世界目前有超过10亿人缺乏清洁的饮用水。在部分地区，人们为了获得足够全家生存所需的饮用水，甚至需要跋涉数千米去取水。有的地区虽然水量充足，但是水源受到病毒和细菌的污染，可能会诱发致命的疾病。在发达国家，有时也会因自然灾害、资源管理问题或恶意攻击而发生断水或水资源被污染的情况。

这种缺水的状况同样也存在于宇航员的航天探索活动中。在太空中，每一滴安全、洁净的饮用水对于宇航员来说都无比珍贵，因此，宇航员必须采取必要的措施，循环使用每一滴水。在国际空间站上，美国国家航空航天局（NASA）为宇航员开发了专门的技术，用于收集生活中的每一滴水，包括汗液和尿液，并将这些水转化为饮用水。

过滤是目前获得安全饮用水唯一的解决办法。然而，并不是所有的过滤器都足够安全、有效：许多廉价的过滤器通过虹吸作用可去除污垢和低级别的污染物，但对更危险的病毒等污染物却束手无策。许多细菌和单细胞生物也能通过过滤器，被这些微生物感染的过滤器甚至会导致水的二次污染。随着太空探索任务的深入推进，为了解决太空用水问题，NASA积极利用其资源，帮助企业开发更先进的水过滤技术。

▲ 水纯净技术公司开发的固定式家用及便携式过滤系统

2000年，美国佛罗里达州的Argonide公司在开展纳米材料的研究时发现，其研发的纳米陶瓷纤维——NanoCeram纤维具有优良的滤水性能。这引起了NASA的关注，NASA授予了Argonide公司2项小企业创新研究（SBIR）计划项目合同，支持Argonide公司和NASA约翰逊航天中心合作开发水过滤技术。2000年，双方签订了1项第一阶段SBIR计划项目合同，目的是测试NanoCeram纤维在太空中对水的净化效果。在该阶段项目完成后，2002年，双方又签订了1项第二阶段SBIR计划项目合同，目标是开发足够整个太空探索小组使用的过滤器。Argonide公司与NASA约翰逊航天中心合作开发水过滤产品的案例刊登在2004年、2009年和2013年的《spinoff》报告中。

纳米纤维最重要的优势在于其异常强大的“生物粘附性”，也就是说，包括病毒和细菌等在内的生物颗粒物很容易被纳米纤维吸附。当水流通过由纳米纤维编织制成的过滤器时，这些细菌和病毒颗粒会被吸附，并滞留在纤维上，从而过滤出纯净的水，保证饮用水安全。

位于美国犹他州默里市的水纯净（Water Pure）技术公司的创始人汤姆•斯摩科夫（Tom Smokoff）解释说：“当水流通过NanoCeram纤维时，会产生正电荷。而水中大部分杂质携带有微弱的负电荷，由于正负电荷的吸引作用，这些带有负电荷的杂质就会被过滤器吸附。”

其它过滤器通常使用微孔滤膜技术，滤膜上微孔的尺寸仅允许水分子通过，病毒和细菌等污染物由于尺寸过大，被过滤出来。然而，若采用微孔滤膜技术进行水的净化，过程非常缓慢，特别是当需要大量的水时，这种过滤方式就不能及时满足需求。而采用NanoCeram纤维的过滤器则拥有较大的孔径，可达2µm，因而可使水流以更快的速度通过，同时，还可清除99.9%的病毒和细菌。在不使用化学物质的情况下，该纳米纤维过滤器的过滤效果远超过市场上其它过滤器。

当汤姆•斯摩科夫计划为紧急救援工作人员、背包客和发展中国家的偏远地区，以及其他地方设计开发过滤系统时，NanoCeram纤维的优点引起了他的注意。汤姆•斯摩科夫与Argonide公司取得了联系。他了解到，许多公司都从Argonide公司获得了采用NanoCeram纤维生产过滤器进行销售的授权。他购买了这些过滤器产品，并开始研究将NanoCeram纤维过滤器用于特定行业领域的最佳方式。

采用NanoCeram纤维，水纯净技术公司研发了Water ResQ系统系列产品，不仅包括固定式全家庭产品或水槽产品，还包括能够携带到水源地的由电池供能或手摇驱动的便携式产品。

汤姆•斯摩科夫已经断断续续与人道主义组织合作了近20年，他说：“水纯净技术公司开发的这些产品能够以非常低的成本完成大量的水的过滤。我们的目标是在人们能够承受的范围内，将更多干净的饮用水带给用户。”例如，该公司开发的便携式Water ResQ紫外多级过滤系统能够装在一个手提箱里，配备一块可以用太阳能板充电的小电池，成本约为1400美元，每分钟可过滤约11L的水。该系统将多个过滤器组合在一起：一级过滤器可过滤掉灰尘和大的颗粒；二级过滤器是椰碳过滤器，可过滤掉许多其它污染物；三级过滤器是价值最高、最灵敏的NanoCeram纤维过滤器，能够过滤掉包括病毒在内的所有的有害物质。三级过滤过程完成后，水流再通过紫外线处理箱，进一步杀菌消毒，确保水质安全。

在水污染特别严重的地区，水纯净技术公司还可以增加2个额外的过滤阶段。其所有的水过滤系统都能够清除铅、氯、大肠杆菌、大肠菌群、病毒、藻类、药物、难闻的味道和气味，以及许多其它污染物。这种多级过滤器是一种故障冗余装置，无论其中任何一个过滤器失效，多级过滤器的其它部分都可以作为其支撑部分保障过滤水的安全。同时，其它过滤器也能对NanoCeram纤维过滤器起到一定的保护作用，防止其被泥土或其它尺寸较大的污染物堵塞。最重要的是，多级过滤器的设计能够延长可滤除病毒的NanoCeram纤维过滤器的寿命。如果经优化的过滤器的寿命能到延长4～5倍，那么，对于人道主义组织而言，这将是一个巨大的优势，因为这样他们就不需要经常更换过滤器，从而降低了成本。

水纯净技术公司及其经销商还将其水过滤设备出售给了加利福尼亚州的空降消防队。当空降消防员空降到森林火灾现场时，水纯净技术公司生产的便携式手动操作水过滤系统也可同时空降到火灾现场，从而满足消防员的现场饮水需求。此外，水纯净技术公司生产的便携式Water ResQ紫外多级过滤系统也已提供给军队、急救机构和灾难危机应急人员使用，实现了民用产品在军用领域的应用。美国国土安全部目前也已通过其经销商购买了近90套该公司生产的水过滤设备。

汤姆•斯摩科夫说：“水纯净技术公司的产品尽量采用美国制造的材料和元件，其原材料的70%是由美国制造的，包括NASA资助开发的NanoCeram纤维过滤器。NanoCeram纤维过滤器是现有市场上过滤病毒最快速、最有效的产品，该过滤器使水纯净技术公司能够设计出真正改善人们生活的水净化设备和系统。” (唐甜)