Во всем мире более двух миллиардов человек не имеют надежного доступа к чистой воде. И одно потенциальное решение для удовлетворения этой потребности работает как губка, впитывая чистую воду, оставляя после себя загрязняющие вещества.

Исследователи из Принстонского университета разработали следующее поколение своей технологии геля-поглотителя солнечной энергии, устройство, которое может стать ключом к открытию доступа к чистой воде для людей по всему миру. Губкообразный гель недорог, прост в использовании и требует только солнечного света для фильтрации загрязняющих веществ, таких как тяжелые металлы , масла, микропластик и некоторые бактерии, из воды, что делает его альтернативой для автономной очистки воды.

Устройство демонстрирует почти четырехкратное увеличение скорости фильтрации по сравнению с технологией первого поколения , которая была разработана в 2021 году. Квадратный метр материала толщиной в один сантиметр может произвести более галлона воды всего за 10 минут и может обеспечить достаточно чистой воды для удовлетворения повседневных потребностей во многих частях мира. Подробная информация о новом геле солнечного поглотителя была опубликована 8 февраля в ACS Central Science.

«Было предпринято много усилий по разработке технологии, использующей солнечную энергию для создания чистой питьевой воды, но они часто не производят достаточно воды для удовлетворения повседневных потребностей», — сказал Родни Пристли, декан Высшей школы Помрой и Бетти Перри. Смит, профессор химической и биологической инженерии и ассоциированный преподаватель Центра энергетики и окружающей среды Андлингера. «Эта последняя итерация нашей технологии приближает нас еще на один шаг к цели создания технологии, основанной на солнечной энергии, которая действительно может производить достаточно чистой воды для удовлетворения ежедневного спроса».

В основе устройства, похожего на губку, лежит гель, образованный из полимера, известного как поли(N-изопропилакриламид) или PNIPAm, который может поглощать или выделять воду в зависимости от температуры.

При температуре ниже 33 градусов по Цельсию (91 градус по Фаренгейту) этот гидрогель действует как губка, впитывая воду из такого источника, как озеро. Но когда гидрогель вынимают из воды и нагревают солнечным светом до температуры выше 33 градусов, он начинает выделять воду. С добавлением полимеров, таких как полидофамин (PDA), к поверхности геля, устройство может фильтровать загрязняющие вещества, такие как масла, тяжелые металлы, микропластики и некоторые виды бактерий из воды.

Исследователи говорят, что гель дешевле и проще в использовании, чем существующие системы, основанные на испарении. Пользователи просто бросают похожее на губку устройство в источник воды, пока оно не станет насыщенным. Затем они вынимают его из воды, помещают на солнечный свет и ждут, пока он выпустит отфильтрованную воду. Под полуденным солнцем гель может высвободить около 70% поглощаемой им воды всего за десять минут.

«Наш первый гель-поглотитель солнечной энергии уже показал хорошие результаты», — сказал Сяохуэй Сюй, научный сотрудник Принстонского университета и первый автор исследования. «Но мы хотели и дальше делать устройство еще более эффективным при фильтрации воды».

По словам Сюй, резкое увеличение скорости фильтрации связано с изменениями, внесенными исследователями в структуру гидрогеля между первым и вторым поколениями, которые повысили его способность транспортировать воду. Хотя и в первом, и во втором поколении используется один и тот же гидрогель PNIPAm, исследователи обнаружили, что они могут изменить гель, чтобы он имел более взаимосвязанную волокнистую структуру, путем синтеза полимера в смеси воды и этиленгликоля.

Сюй сказал, что нетрадиционный подход привел к значительному улучшению по сравнению с большинством существующих гидрогелей, которые, как правило, имеют сотовую структуру со стенками, препятствующими транспортировке воды. Она сравнила взаимосвязанную волокнистую структуру нового гидрогеля со структурой зрелого плода люфы, который обычно используется в качестве губки для чистки в ванных комнатах и ​​на кухнях.

В дополнение к повышенной скорости фильтрации, Неэми Гийоматр, соавтор исследования и аспирант в области химической и биологической инженерии , добавил, что гель-поглотитель солнечного излучения второго поколения имеет другие улучшения по сравнению с его предшественником.

Например, исследователи придали гелю солнечного поглотителя противообрастающие свойства, добавив на поверхность геля другой полимер, поли(сульфобетаинметакрилат) (PSBMA). PSBMA не только помогает устройству еще более эффективно отфильтровывать загрязняющие вещества из воды, но и прочно связывается с молекулами воды на поверхности геля, образуя гидратирующий слой, который отталкивает масло и бактерии, что позволяет устройству самоочищаться.

«Наличие свойств, препятствующих обрастанию, помогает гелю сохраняться дольше», — сказал Гийоматр. «Меньше нужно беспокоиться о маслах и бактериальных пленках, которые со временем накапливаются на поверхности геля и снижают его эффективность».

Исследователи в конечном итоге считают, что гель-поглотитель солнечной энергии может стать привлекательным вариантом для очистки воды на бытовом уровне и может обеспечить доступ к чистой воде без необходимости полагаться на энергию из сети.

«В идеале, эта технология могла бы когда-нибудь использоваться всеми, кто беспокоится о качестве воды, независимо от того, где они живут», — сказал Гийоматр.

Хотя исследователи отметили, что они все еще работают над созданием прототипов, чтобы продемонстрировать, что их устройство может быть масштабировано для домашнего использования, Пристли сказал, что в ближайшем будущем он полагает, что гель-поглотитель солнечной энергии может быть использован в чрезвычайных ситуациях для обеспечения доступа по требованию к чистым.

При поддержке Национального научного фонда исследование привело к запуску стартапа AquaPao , соучредителем которого является Пристли, который продолжит итерацию и улучшение конструкции геля-поглотителя солнечной энергии, проверит его долгосрочную долговечность и определить возможности масштабирования технологии.

«Эта работа — прекрасный пример того, как академические исследования могут быть воплощены в мире стартапов», — сказал Пристли. «Благодаря нашей работе мы смогли показать, что фундаментальные исследования могут оказать существенное влияние на общество».