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

电穿孔 水消毒 阳极 饮用水净化 水处理 阴极 化学 微生物燃料电池 纳米技术 材料科学 环境工程 环境科学 电极 有机化学 生物化学 物理化学 基因
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:42
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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