高速水流納米纖維過濾器凈化家庭和野外用水

高速水流納米纖維過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10億人缺乏清潔的飲用水。在部分地區，人們為了獲得足夠全家生存所需的飲用水，甚至需要跋涉數千米去取水。有的地區雖然水量充足，但是水源受到病毒和細菌的污染，可能會誘發致命的疾病。在發達國家，有時也會因自然災害、資源管理問題或惡意攻擊而發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中。在太空中，每一滴安全、潔凈的飲用水對于宇航員來說都無比珍貴，因此，宇航員必須采取必要的措施，循環使用每一滴水。在國際空間站上，美國國家航空航天局（NASA）為宇航員開發了專門的技術，用于收集生活中的每一滴水，包括汗液和尿液，并將這些水轉化為飲用水。

過濾是目前獲得安全飲用水唯一的解決辦法。然而，并不是所有的過濾器都足夠安全、有效：許多廉價的過濾器通過虹吸作用可去除污垢和低級別的污染物，但對更危險的病毒等污染物卻束手無策。許多細菌和單細胞生物也能通過過濾器，被這些微生物感染的過濾器甚至會導致水的二次污染。隨著太空探索任務的深入推進，為了解決太空用水問題，NASA積極利用其資源，幫助企業開發更先進的水過濾技術。

▲ 水純凈技術公司開發的固定式家用及便攜式過濾系統

2000年，美國佛羅里達州的Argonide公司在開展納米材料的研究時發現，其研發的納米陶瓷纖維——NanoCeram纖維具有優良的濾水性能。這引起了NASA的關注，NASA授予了Argonide公司2項小企業創新研究（SBIR）計劃項目合同，支持Argonide公司和NASA約翰遜航天中心合作開發水過濾技術。2000年，雙方簽訂了1項第一階段SBIR計劃項目合同，目的是測試NanoCeram纖維在太空中對水的凈化效果。在該階段項目完成后，2002年，雙方又簽訂了1項第二階段SBIR計劃項目合同，目標是開發足夠整個太空探索小組使用的過濾器。Argonide公司與NASA約翰遜航天中心合作開發水過濾產品的案例刊登在2004年、2009年和2013年的《spinoff》報告中。

納米纖維最重要的優勢在于其異常強大的“生物粘附性”，也就是說，包括病毒和細菌等在內的生物顆粒物很容易被納米纖維吸附。當水流通過由納米纖維編織制成的過濾器時，這些細菌和病毒顆粒會被吸附，并滯留在纖維上，從而過濾出純凈的水，保證飲用水安全。

位于美國猶他州默里市的水純凈（Water Pure）技術公司的創始人湯姆?斯摩科夫（Tom Smokoff）解釋說：“當水流通過NanoCeram纖維時，會產生正電荷。而水中大部分雜質攜帶有微弱的負電荷，由于正負電荷的吸引作用，這些帶有負電荷的雜質就會被過濾器吸附。”

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

當湯姆?斯摩科夫計劃為緊急救援工作人員、背包客和發展中國家的偏遠地區，以及其他地方設計開發過濾系統時，NanoCeram纖維的優點引起了他的注意。湯姆?斯摩科夫與Argonide公司取得了聯系。他了解到，許多公司都從Argonide公司獲得了采用NanoCeram纖維生產過濾器進行銷售的授權。他購買了這些過濾器產品，并開始研究將NanoCeram纖維過濾器用于特定行業領域的最佳方式。

采用NanoCeram纖維，水純凈技術公司研發了Water ResQ系統系列產品，不僅包括固定式全家庭產品或水槽產品，還包括能夠攜帶到水源地的由電池供能或手搖驅動的便攜式產品。

湯姆?斯摩科夫已經斷斷續續與人道主義組織合作了近20年，他說：“水純凈技術公司開發的這些產品能夠以非常低的成本完成大量的水的過濾。我們的目標是在人們能夠承受的范圍內，將更多干凈的飲用水帶給用戶。”例如，該公司開發的便攜式Water ResQ紫外多級過濾系統能夠裝在一個手提箱里，配備一塊可以用太陽能板充電的小電池，成本約為1400美元，每分鐘可過濾約11L的水。該系統將多個過濾器組合在一起：一級過濾器可過濾掉灰塵和大的顆粒；二級過濾器是椰碳過濾器，可過濾掉許多其它污染物；三級過濾器是價值最高、最靈敏的NanoCeram纖維過濾器，能夠過濾掉包括病毒在內的所有的有害物質。三級過濾過程完成后，水流再通過紫外線處理箱，進一步殺菌消毒，確保水質安全。

在水污染特別嚴重的地區，水純凈技術公司還可以增加2個額外的過濾階段。其所有的水過濾系統都能夠清除鉛、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。這種多級過濾器是一種故障冗余裝置，無論其中任何一個過濾器失效，多級過濾器的其它部分都可以作為其支撐部分保障過濾水的安全。同時，其它過濾器也能對NanoCeram纖維過濾器起到一定的保護作用，防止其被泥土或其它尺寸較大的污染物堵塞。最重要的是，多級過濾器的設計能夠延長可濾除病毒的NanoCeram纖維過濾器的壽命。如果經優化的過濾器的壽命能到延長4～5倍，那么，對于人道主義組織而言，這將是一個巨大的優勢，因為這樣他們就不需要經常更換過濾器，從而降低了成本。

水純凈技術公司及其經銷商還將其水過濾設備出售給了加利福尼亞州的空降消防隊。當空降消防員空降到森林火災現場時，水純凈技術公司生產的便攜式手動操作水過濾系統也可同時空降到火災現場，從而滿足消防員的現場飲水需求。此外，水純凈技術公司生產的便攜式Water ResQ紫外多級過濾系統也已提供給軍隊、急救機構和災難危機應急人員使用，實現了民用產品在軍用領域的應用。美國國土安全部目前也已通過其經銷商購買了近90套該公司生產的水過濾設備。

湯姆?斯摩科夫說：“水純凈技術公司的產品盡量采用美國制造的材料和元件，其原材料的70%是由美國制造的，包括NASA資助開發的NanoCeram纖維過濾器。NanoCeram纖維過濾器是現有市場上過濾病毒最快速、最有效的產品，該過濾器使水純凈技術公司能夠設計出真正改善人們生活的水凈化設備和系統。” (唐 甜)

▲ 配備便攜式Water ResQ紫外多級過濾系統的空降消防員在火災救援現場