Недорогой фильтр на солнечных батареях удаляет из воды свинец и другие загрязняющие вещества

Новое изобретение, которое использует солнечный свет для очистки воды, может помочь решить проблему обеспечения чистой воды вне водопроводной сети, сообщает phys.org.

novyj filtr vody
В исследовании, проведенном в Принстонском университете, исследователи поместили гель в озерную воду, где он поглощал чистую воду, оставляя загрязняющие вещества. Затем исследователи поместили гель на солнце, где солнечная энергия нагревала гель, вызывая выброс чистой воды в контейнер. Источник: Сяохуэй Сюй, Принстонский университет

Устройство напоминает большую губку, которая впитывает воду, но оставляет вне себя загрязняющие вещества, такие как свинец, масло и патогенные микроорганизмы. Чтобы собрать очищенную воду с губки, нужно просто поместить ее на солнечный свет. Исследователи описали это устройство в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials.

По словам соавторов устройства Родни Пристли, профессора химической и биологической инженерии Помроя и Бетти Перри Смит и заместителя декана Принстона по инновациям, вдохновение для создания этого устройства пришло от рыбы-фугу, вида, который набирает воду, чтобы раздуть свое тело при угрозе, а затем выпускает воду, когда опасность миновала.

«Для меня самая захватывающая вещь в этой работе — это то, что она может работать полностью вне водопроводной сети, как в больших, так и в малых масштабах», — сказал Пристли. «Он также может работать в развитых странах на объектах, где требуется недорогая, неэнергетическая очистка воды».

Сяохуэй Сюй, аспирант кафедры химической и биологической инженерии Принстонского университета и соавтор изобретения, помог разработать гелевый материал, лежащий в основе устройства.

— Солнечный свет свободно доступен всем и везде, — пояснил Сюй, — а материалы для изготовления этого устройства дешевы и нетоксичны, так что это экономичный и экологически чистый способ получения чистой воды.

Авторы отметили, что эта технология обеспечивает самую высокую скорость пассивной солнечной очистки воды из всех конкурирующих технологий.

Один из способов использования геля — поместить его вечером в источник воды, а на следующий день поместить на солнечный свет, чтобы получить дневную питьевую воду.

Гель может очищать воду, загрязненную нефтью и другими маслами, тяжелыми металлами, такими как свинец, мелкими молекулами и патогенами, такими как дрожжи. Команда показала, что гель сохраняет свою способность фильтровать воду в течение, по крайней мере, десяти циклов замачивания и слива без заметного снижения производительности. Полученные результаты свидетельствуют о том, что гель можно использовать многократно.

 

Новое устройство, которое очищает воду, питаемую только солнечным светом, может помочь производить чистую питьевую воду при низких затратах и незначительном воздействии на окружающую среду. При помещении в загрязненную воду гель впитывает только чистую воду, оставляя загрязнения вне себя. Когда солнечный свет нагревает гель, он меняет форму и вытесняет воду для сбора.

По словам исследователей, устройство фильтрует воду гораздо быстрее, чем существующие методы пассивной очистки воды на солнечных батареях. Большинство других подходов на солнечной энергии используют солнечный свет для испарения воды, что занимает гораздо больше времени, чем поглощение и высвобождение новым гелем.

Другие методы фильтрации воды требуют электричества или другого источника энергии для перекачки воды через мембрану. Пассивная фильтрация с помощью гравитации, как и в случае с типичными бытовыми настольными фильтрами, требует регулярной замены фильтров.

В основе нового устройства лежит гель, который меняется в зависимости от температуры. При комнатной температуре гель может действовать как губка, впитывая воду. При нагревании до 33 градусов по Цельсию (91 градус по Фаренгейту) гель делает обратное — он выталкивает воду из своих пор.

Гель состоит из сотовой структуры, которая является очень пористой. При ближайшем рассмотрении оказывается, что соты состоят из длинных цепочек повторяющихся молекул, известных как поли (N-изопропилакриламид), которые сшиты, образуя сетку. Внутри сетки некоторые области содержат молекулы, которые любят, чтобы вода была рядом, или являются гидрофильными, в то время как другие области являются гидрофобными или водоотталкивающими.

При комнатной температуре цепи длинные и гибкие, и вода может легко течь через капиллярное действие в материал, чтобы достичь водолюбивых областей. Но когда солнце нагревает материал, гидрофобные цепи собираются вместе и вытесняют воду из геля.

Этот гель находится внутри двух других слоев, которые препятствуют попаданию загрязняющих веществ во внутренний гель. Средний слой-это темный материал, называемый полидопамином, который преобразует солнечный свет в тепло, а также удерживает тяжелые металлы и органические молекулы. При наличии КПК солнечный свет может нагревать внутренний материал, даже если фактическая температура наружного воздуха не очень теплая.

Последний внешний слой представляет собой фильтрующий слой альгината, который блокирует попадание патогенов и других материалов в гель.

Команда изучает способы сделать эту технологию широко доступной с помощью Princeton Innovation, которая поддерживает университетских исследователей в переводе открытий в технологии и услуги на благо общества.