Недорогой фильтр для воды на солнечной энергии удаляет свинец и другие загрязнения

Устройство напоминает большую губку, которая впитывает воду, но оставляет вне себя загрязняющие вещества – свинец, масло и болезнетворные микроорганизмы. Чтобы собрать очищенную воду из губки, просто поместите ее под солнечный свет. Исследователи описали устройство в статье, опубликованной на этой неделе в журнале Advanced Materials.

Источником вдохновения для создания прибора послужили иглобрюхие рыбы – вид, который при угрозе набухает в воде, а при исчезновении опасности высвобождает воду, сказал соавтор прибора Родни Пристли, Померой и Бетти Перри Смит, профессор химико-биологической инженерии, и заместитель декана Принстона по инновационным технологиям.

«Для меня самое захватывающее в этой работе – это то, что он может работать полностью автономно, как в больших, так и в маленьких масштабах», – сказал Пристли. «Он также может работать в развитых странах на объектах, где требуется недорогая, не требующая энергопотребления очистка воды».

Сяохуй Сюй, научный сотрудник отдела химической и биологической инженерии при президенте Принстона и соавтор изобретений, помог разработать гелевый материал в сердце прибора.

«Солнечный свет бесплатен, – сказал Сюй, – и материалы, из которых изготовлено это устройство, недороги и нетоксичны, поэтому это экономичный и экологически чистый способ получения чистой воды».

Авторы отмечают, что эта технология обеспечивает самый высокий уровень пассивной солнечной очистки воды – уровень очистки воды среди всех конкурирующих технологий.

Одним из способов использования геля было бы помещение его в источник воды вечером, а на следующий день – под солнечным светом для получения дневной питьевой воды, сказала Сюй.

Гель может очищать воду, загрязненную нефтью и другими маслами, тяжелыми металлами, такими как свинец, небольшими молекулами и патогенными микроорганизмами, такими как дрожжи. Команда показала, что гель сохраняет способность фильтровать воду как минимум в течение десяти циклов замачивания и разряда без заметного снижения производительности. Результаты показали, что гель можно использовать многократно.

Для демонстрации прибора в реальных условиях Сюй взял его с собой на озеро Карнеги в кампусе Принстонского университета.

Сюй поместил гель в прохладную воду (25 °C) озера, которая содержит микроорганизмы, делающие питье небезопасным, и дал ему пропитаться водой озера в течение часа.

В конце часа Сюй поднял гель из воды и установил его на верхнюю часть контейнера. Когда солнце нагрело гель, чистая вода просочилась в контейнер в течение следующего часа.

Устройство фильтрует воду намного быстрее, чем существующие методы пассивной очистки воды на солнечных батареях, говорят исследователи. Большинство других методов на солнечной энергии используют солнечный свет для испарения воды, что занимает намного больше времени, чем поглощение и высвобождение с помощью нового геля.

Другие методы фильтрации воды требуют электричества или другого источника энергии для прокачки воды через мембрану. Пассивная фильтрация под действием силы тяжести, как и в обычных бытовых фильтрах для очистки, требует регулярной замены фильтров.

В основе нового устройства лежит гель, который изменяется в зависимости от температуры. При комнатной температуре гель может действовать как губка, впитывая воду. При нагревании до 33 градусов Цельсия гель делает противоположное – он выталкивает воду из своих пор.

Гель состоит из сотовой структуры, похожей на мед, которая имеет высокую пористость. Более внимательный осмотр показывает, что соты состоят из длинных цепочек повторяющихся молекул, известных как поли(N-изопропилакриламид), которые сшиты между собой и образуют сетку. Внутри сетки некоторые области содержат молекулы, которые любят иметь воду поблизости или являются гидрофильными, в то время как другие области являются гидрофобными или водоотталкивающими.

При комнатной температуре цепи являются длинными и гибкими, и вода может легко перетекать через капиллярное действие в материал, чтобы достичь областей, любящих воду. Но когда солнце нагревает материал, гидрофобные цепи слипаются и вытесняют воду из геля.

Этот гель располагается внутри двух других слоев, которые препятствуют попаданию загрязняющих веществ внутрь геля. Средний слой представляет собой материал темного цвета под названием полидопамин, который преобразует солнечный свет в тепло, а также не пропускает тяжелые металлы и органические молекулы. При наличии PDA солнечный свет может нагреть внутренний материал, даже если фактическая наружная температура не очень высокая.

Последним внешним слоем является фильтрующий слой альгината, который блокирует попадание болезнетворных микроорганизмов и других материалов в гель.

Сюй сказал, что одна из сложностей при изготовлении устройства заключалась в том, чтобы сформировать внутренний гель, который обладал бы правильными свойствами для поглощения воды. Первоначально гель был хрупким, поэтому он менял состав до тех пор, пока не стал гибким. Сюй синтезировал материалы и проводил исследования для оценки способности прибора очищать воду при содействии соавторов – Сехмуса Оздена и Навида Бизмарка, научных сотрудников постдокторантуры Принстонского института науки и технологии материалов.

https://econet.ru/articles/nedorogoy-filtr-dlya-vody-na-solnechnoy-energii-udalyaet-svinets-i-drugie-zagryazneniya