Synergistic Nanowire-Enhanced Electroporation and Electrochlorination for Highly Efficient Water Disinfection

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作者
Zheng‐Yang Huo,Lea R. Winter,Xiaoxiong Wang,Ye Du,Yin-Hu Wu,Uwe Hübner,Hong‐Ying Hu,Menachem Elimelech
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:56 (15): 10925-10934 被引量:59
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c01793
摘要

Conventional water disinfection methods such as chlorination typically involve the generation of harmful disinfection byproducts and intensive chemical consumption. Emerging electroporation disinfection techniques using nanowire-enhanced local electric fields inactivate microbes by damaging their outer structures without byproduct formation or chemical dosing. However, this physical-based method suffers from a limited inactivation efficiency under high water flux due to an insufficient contact time. Herein, we integrate electrochlorination with nanowire-enhanced electroporation to achieve a synergistic flow-through process for efficient water disinfection targeting bacteria and viruses. Electroporation at the cathode induces sub-lethal damages on the microbial outer structures. Subsequently, electrogenerated active chlorine at the anode aggravates these electroporation-induced injuries to the level of lethal damage. This sequential flow-through disinfection system achieves complete disinfection (>6.0-log) under a very high water flux of 2.4 × 104 L/(m2 h) with an applied voltage of 2.0 V. This disinfection efficiency is 8 times faster than that of electroporation alone. Further, the specific energy consumption for the disinfection by this novel process is extremely low (8 × 10–4 kW h/m3). Our results demonstrate a promising method for rapid and energy-efficient water disinfection by coupling electroporation with electrochlorination to meet vital needs for pathogen elimination.
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