3D-nanoteknikgenombrott erbjuder rent vatten renat med solljus

Att alla har tillgång till säkert, rent dricksvatten är en av de största utmaningarna som världen står inför idag.

Ungefär hälften av världens befolkning, enligt FN:s World Water Development Report 2024, upplever allvarlig vattenbrist åtminstone en del av året. Vattenunderskott har faktiskt varit kopplade till en 10 % ökning av global migration.

Låga nivåer av avloppsrening orsakar dålig vattenkvalitet i låginkomstländer, medan avrinning från jordbruk är ett stort problem i höginkomstländer.

Samtidigt fortsätter efterfrågan på rent dricksvatten att öka i takt med att världens befolkning växer. Snabb befolkningstillväxt, urbanisering och ökande vattenbehov från energisektorer, jordbruk och industri bidrar till den stigande efterfrågan på vatten.

Dock tyder data på att miljarder människor kommer att sakna tillgång till säkert vatten, sanitet och hygien år 2030. År 2022 hade 703 miljoner människor ingen grundläggande vattentjänst, medan ett mycket högre antal, 2,2 miljarder, saknade säkert hanterat dricksvatten.

Mitt i detta blir vatten tillgänglighet mindre förutsägbar, medan vattenbrist förväntas öka i takt med att globala temperaturer stiger på grund av klimatförändringar. Vattenresurser är också hotade av föroreningar och vattenburna sjukdomar.

Utmaningen med obehandlat avloppsvatten

En stor majoritet av industriavfallet, enligt FN, deponeras i utvecklingsländer utan att bli fullt behandlat.

Samtidigt är bara en liten del av världens avloppsvatten tillräckligt behandlat. Enligt FN kunde andelen av totalt avloppsvatten som får någon form av behandling endast beräknas för 73 länder (42 % av världens befolkning), av 107 länder (73 % av den globala befolkningen) som rapporterade avloppsstatistik för 2022.
Rapportering om industriell avloppsrening är extremt begränsad, med data endast rapporterade från 22 länder (8 % av världens befolkning), där endast 38 % av industriavloppet har rapporterats vara behandlat. Dessutom har bara 27 % av avloppsvattnet behandlats på ett säkert sätt.

När det gäller hushållsavlopp (domestiskt avloppsvatten) var 42 % inte säkert behandlat. Den främsta orsaken var avsaknaden av ett lämpligt system för insamling av gråvatten och svartvatten.

Avloppsvatten är vatten som genereras efter hushålls-, industriell- och kommersiell användning av råvatten, färskvatten eller dricksvatten. Det innehåller olika ämnen som kan vara skadliga för ekosystem och människors hälsa.

Substanser som tungmetaller, organiska och oorganiska föroreningar, patogener och industriutsläpp, bland annat, som släpps ut i vatten bryts inte ner naturligt, vilket innebär att de kvarstår i miljön.

Sedan finns framväxande föroreningar, inklusive tvättmedel, industriella kemikalier, läkemedel, cyanotoxiner, hormoner, per- och polyfluoralkylsubstanser (PFAS) och nanomaterial, som orsakar förödelse.

Teknologisk innovation kan erbjuda högpresterande, lågt kostnadsalternativ för behandling för att säkerställa tillräckligt med rent, billigt vatten för alla.

Vissa av dessa innovationer inom vattenrening inkluderar avancerade membranteknologier såsom omvänd osmos (RO), ultrafiltrering (UF) och direktkontaktmembrandestillation (DCMD).

Solenergidrivna filter använder solenergi för att göra rent vatten tillgängligt i avlägsna områden. Framväxande teknologier som elektrokoagulation, mikrobiella bränsleceller och avancerade oxidationsprocesser hjälper också till att förbättra vattenkvaliteten.

Ytterligare en teknologisk innovation som driver vattenrening är nanoteknik, som erbjuder effektiv avlägsning av föroreningar och mikroorganismer.

Nanoteknik för effektiv vattenbehandling

Konventionella vattendesinfektionsmetoder är mycket effektiva och används därför i stor utsträckning, men de har sina egna nackdelar. Till exempel finns det vid klorering en risk för bildning av skadliga desinfektionsbiprodukter. Ultravioletstrålning kräver samtidigt betydande energiinmatning och har begränsad verkningsgrad mot exempelvis tetracyklinresistenta E. coli.

I ett försök att förbättra vattenbehandlingsprocesser har forskare gjort tekniska framsteg som lett till användning av nanoteknik i vattenrening för säkert dricksvatten.

Nanoteknik innebär medveten manipulation av materia på en mycket liten skala, och den har potential att spela en nyckelroll i att möjliggöra integrerad vattenhantering för att öka effektiviteten i behandlingar och till och med utöka vattenförsörjningen genom att använda okonventionella vattenkällor.

För att öka tillgången till rent, säkert dricksvatten behandlar nanoteknik grundvatten, ytvatten och avloppsvatten med innovativa nanomaterial. Några av framstegen inom nanoteknik som används för avloppsrening inkluderar magnetiska nanopartiklar, bioaktiva nanopartiklar, nanofiltrering, nanoadsorbenter, nanokatalysatorer, nanopulver, nanobiocider och nanofibrer.

Forskare har allmänt demonstrerat användningen av kolnanorör och nanocellulosa för vattenfiltrering. Dessa metoder avlägsnar giftiga tungmetaller från vatten, förhindrar biologiska och kemiska faror från att komma in i vattnet och adsorberar föroreningar från vattenströmmar. Till och med guldnanopartiklar har använts för att rena vatten från föroreningar som bekämpningsmedel och läkemedel.

Även om nanoteknik erbjuder lovande lösningar för rent dricksvatten, står den inför potentiella hälso- och miljörisker från nanomaterial samt ännu större svårigheter i storskalig produktion och kostnad, vilket förklarar den begränsade implementeringen.

Nu erbjuder forskare vid Ohio State University en ny metod för att rena dricksvatten: 3D-nanoteknikfiltar.

Tillverkade av titandioxid (TiO₂)-nanofibrer utnyttjar de solljus för att bryta ner skadliga föroreningar i vatten och generera hållbar energi. De producerar inga giftiga biprodukter, och teamet har verktygen för att skala upp dem kommersiellt.

En ny metod för att rena dricksvatten

I den senaste studien, stödd av National Science Foundation, har forskare skapat ett nytt material för att rena vatten genom att avlägsna farliga föroreningar.

Det nya materialet har utvecklats genom att kombinera två metoder — mjuka kemigeler och blandad elektrospinning.

Vid elektrospinning, en fiberproduktionsmetod, appliceras elektrisk kraft på en lösning för att skapa nanofibrer. Denna metod används vanligtvis för att framställa långa, kontinuerliga nanofibrer. Teamet utvecklade tunna fiberliknande remsor av titandioxid på detta sätt.

Titandioxid (TiO₂) är en oorganisk förening som vanligtvis används i gassensorer, solceller, fotokatalys och självrenande teknologier.

Även om föreningen är en utmärkt alternativ energikälla, är solbränslesystem som använder dess nanopartiklar vanligtvis begränsade i effekt. Detta beror på att de endast kan genomgå fotokatalys genom att absorbera icke-synligt ultraviolett (UV) ljus, vilket resulterar i låg effektivitet och kräver komplexa filtreringssystem som skapar utmaningar i deras implementering.

Dessutom hindrar den korta livslängden för de fotogenererade elektronerna och hålen i TiO₂-nanopartiklar deras effektiva utnyttjande, medan avsaknaden av en lätt återvinningsbar självstödjande nanostruktur förblir en utmaning.

Olika studier har undersökt dopning med olika metalljoner såsom Ag (silver), Fe (järn), Pd (palladium), Pt (platin), Zn (zink), Mn (mangan), B (bor), och Zr (zirkonium) för att övervinna dessa begränsningar och förbättra titandioxidens fotokatalytiska egenskaper.

Men det var koppar (Cu) som visade löfte. Tillsatsen av detta mjuka metall med mycket hög termisk och elektrisk ledningsförmåga förändrade materialet. Detta krävde dock att minska det optiska bandgapet och öka förhållandet mellan yta och volym för Cu-dopad titania för att uppnå önskad fotokatalytisk aktivitet, vilket ledde till andra problem.

Så forskarna var tvungna att designa ett system som ger stabila Cu-dopade TiO₂-nanopartiklar med ett högt förhållande mellan yta och volym genom nanofiberbaserade processer.

Klicka här för att lära dig hur solenergidriven avsaltning löser vattenbrist.

Ett verktyg för vattenrening och energiproduktion

Studien, publicerad i tidskriften Advanced Science¹, beskrev de nya resulterande strukturerna, som kallas nanomattor. Dessa nanomattor kan absorbera tillräckligt med ljusenergi för att bryta ner farliga föroreningar i luft och vatten.

“Det har inte funnits ett enkelt sätt att skapa något som en filt som du kan lägga på vatten och börja generera energi. Men vi är de enda som har gjort dessa strukturer och de enda som har demonstrerat att de faktiskt fungerar.”

Vad koppartillsatsen gjorde för titandioxid var att den superladdade processen för att förstöra föroreningar.

Under denna process, när TiO₂ absorberar ljus bildas elektroner som oxiderar vatten och angriper föroreningar, vilka förstörs tills de blir ofarliga.

För att fastställa det nya materialets höga effektivitet karakteriserade forskarna de uppdaterade egenskaperna hos nanomattan. Detta hjälpte dem att förstå hur den beter sig och vad som exakt gjorde den annorlunda jämfört med andra självrenande nanopartiklar.

Forskare fann att när de utsätts för naturligt solljus kan dessa nanomattor vara mer framgångsrika i energiproduktion än traditionella solceller.

“Dessa nanomattor kan användas som en energigenerator eller som verktyg för vattenrening. På båda sätt har du en katalysator med den högsta rapporterade effektiviteten hittills.”

– Gouma

Dessutom är dessa fibrermattor lätta, enkla att ta bort och kan flyta och fungera ovanpå vilken vattenmassa som helst. De är också återanvändbara och kan genomgå flera rengöringscykler.

Med tanke på den höga effektiviteten hos dessa nanomattor ser forskarna deras användning för att avlägsna industriella föroreningar från vatten i utvecklingsländer och omvandla förorenade floder och sjöar till källor för rent dricksvatten.

Dessutom gör det faktum att denna teknik inte genererar några giftiga biprodukter nanomattor miljövänliga.

“Det är ett säkert material, det skadar ingenting och det är så rent som det kan vara.”

– Gouma

När det gäller kommersialiseringen av denna effektiva teknik, för vilken teamet har rätt verktyg, beror det på att industrier uppmärksammar den.

“Vi har verktygen för att producera dem i stora mängder och överföra dem till olika industrier. Den enda begränsningen är att det krävs någon som utnyttjar dessa rikliga resurser.”

– Gouma

Sammanfattningsvis tror teamet på nanomattornas potential. De skulle kunna användas för att tillhandahålla rent dricksvatten i vattenreningsverk, avlägsna områden och katastrofhjälpsinsatser. Beroende på ytterligare tester och skalbarhet kan kommersiella tillämpningar uppstå inom 3 till 5 år.

Teamet tror att dessa nanomattor också kan vara lovande verktyg i många framtida fotokatalytiska tillämpningar. Dessa inkluderar långsiktiga hållbarhetsinsatser som soldriven vätgasproduktion och miljörening.

För närvarande arbetar teamet med att vidareutveckla materialet, som är helt nytt. Denna nya form av nanoteknik, sade Gouma, är “verkligen imponerande och något vi är mycket entusiastiska över.”

Innovativt företag

Xylem Inc. (XYL ) 

Ett globalt ledande företag inom vattenteknik, Xylem utvecklar innovativa lösningar för vattenrening och behandling, vilket gör dem till en stark kandidat för att integrera nanoteknikbaserade vattenreningssystem.

Företaget erbjuder produkter inom ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive vatten, vattenpumpar, behandlingsutrustning, pumpar, ventiler och värmeväxlare. Det tillhandahåller också analytisk instrumentering för vattentestning samt lösningar för intelligent användning och bevarande av kritiska vatten- och energiresurser.

När det gäller avloppsrening erbjuder Xylem en biologisk process som kallas aerob behandling, som sker i närvaro av syre och omvandlar organiskt material till koldioxid och ny biomassa. Sedan finns anaerob avloppsrening, som sker i frånvaro av syre, där mikroorganismer bryter ner organiskt avfall. Den används vanligtvis för behandling av varmt, högstyrkt industriellt avloppsvatten med en stor mängd biologiskt nedbrytbart organiskt material.

Xylem erbjuder också en digital vattenhanteringslösning kallad Water One® som optimerar ditt vattenbehandlingssystem för större effektivitet.

Företagets desinfektionssystem erbjuds för kommunala, industriella och rekreationsvattentillämpningar. De inkluderar analysatorer och processkontroller, utrustning för klordiöxidgenerering, gasmatningssystem, ozonsystem, hypokloritgenereringssystem, ultravioletta desinfektionssystem och mer.

Dess högrenhetsvattensystem behandlar samtidigt vatten genom flera steg för att hjälpa dig att uppfylla kvalitetsstandarderna för kritiska tillämpningar inom laboratorier, sjukvård, läkemedel och halvledarindustrier.

Xylems filtreringslösningar omfattar samtidigt allt från regenerativa mediefilter, skivfilter, sandfilter, högpresterande mikrosandfilter och tryckfilter till omvänd osmos-membraner, skruvpumpar, UF-system, mikrofiltning, ångfasad luktkontrollsystem och vattenavhärdare. Detta ger ett brett utbud av alternativ för rekreations- och industriell användning samt för simbassänger och tertiär avloppsrening för kommuner.

Nu är Xylem ett företag med ett börsvärde på 29,65 miljarder dollar vars aktier, vid skrivandet, handlas till 122,02 $, upp 5,17 % år‑till‑datum. Det har ett EPS (TTM) på 3,65, ett P/E‑förhållande (TTM) på 33,40 och ett ROE (TTM) på 8,55 %. Företaget betalar en utdelningsavkastning på 1,31 %.

När det gäller företagets finanser rapporterade det för Q4 2024 en intäktsökning på 7 % till 2,3 miljarder dollar, medan orderna uppgick till 2,2 miljarder dollar. Vinst per aktie för kvartalet var 1,34 $, upp 22 %, och på justerad basis var den 1,18 $, upp 19 %.

“Teamet levererade ett starkt fjärde kvartal för att avsluta ett rekordår för Xylem. Alla segment levererade stark tillväxt i Q4‑order, vilket ger oss momentum inför 2025 med en motståndskraftig underliggande efterfrågan.”

– CEO Matthew Pine

Nettoresultatet under kvartalet var 326 miljoner dollar, och justerat nettoresultat var 287 miljoner dollar. Xylem ökade sin första kvartalsutdelning med 11 % till 0,40 $ per aktie, vilket betalades till aktieägarna denna månad.

För helåret 2024 var intäkterna 8,6 miljarder dollar, en ökning med 16 %. Vinst per aktie var 3,65 $, upp 31 % och 4,27 $ på justerad basis, upp 13 %.

För hela detta år är Xylems prognos intäkter mellan 8,6 och 8,7 miljarder dollar, och marginalen för fritt kassaflöde förväntas ligga på 9–10 %.

Företaget förväntar sig att vinsten per aktie för detta år kommer att ligga i intervallet 4,50 $ till 4,70 $. Enligt Pine:

“Vår vägledning för 2025 återspeglar teamets engagemang för vår långsiktiga ram när vi fortsätter att möjliggöra för våra kunder att tackla världens största vattenutmaningar.”

Senaste om Xylem Inc.

Slutsats

Världen står inför en vattenkris där miljontals saknar tillgång till säkert dricksvatten och sanitet. Denna vattenbrist beror på en växande befolkning, föroreningar, överexploatering och klimatförändringar. Situationen förväntas bli ännu värre under de kommande åren, vilket skapar ett behov av kostnadseffektiva och mer effektiva lösningar för att hantera problemet.

Avloppsrening är en sådan avgörande strategi som kan hjälpa till att mildra vattenbrist genom att förbättra vattenkvaliteten, öka tillgången till vatten, minska beroendet av färskvattenkällor och göra vatten till en mer hållbar resurs.

Nanoteknik har länge lovat att revolutionera vattenrening, men har ännu inte uppnått bred adoption. Därför markerar utvecklingen av 3D-nanoteknikfiltar ett betydande genombrott. Dessa filtar utnyttjar solljus för att avlägsna föroreningar samtidigt som de genererar hållbar energi.

Den lätta, återanvändbara naturen hos dessa nanomattor, kombinerat med avsaknaden av giftiga biprodukter, gör dem till ett miljövänligt alternativ till konventionella filtreringsmetoder. När industrier uppmärksammar detta kan den nya tekniken omdefiniera hur vi globalt närmar oss vattenbehandling. En framgångsrik kommersialisering skulle samtidigt möta behoven av rent, säkert dricksvatten för hundratals miljoner människor världen över!

Klicka här för en lista över de bästa nanoteknikaktierna.