日常清洁水的需求可能会见了太阳能凝胶过滤

在世界范围内,有超过二十亿人缺乏可靠的获得干净的水。和一个潜在的解决方案会议,需要工作很多像海绵一样,吸收干净的水而留下的污染物。

普林斯顿大学的研究人员已经开发出的新一代太阳能吸收器凝胶技术,可以解锁的关键设备,干净的水在全球范围内访问的人。像海绵一样的凝胶是低成本,易于使用,只需要阳光来过滤污染物如重金属、油、塑料微粒,水和一些细菌,使其离网水净化的替代。

设备演示了几乎四倍增加滤过率第一代技术,这是发达国家在2021年。一平方米one-centimeter-thick材料可以生产一加仑的水在10分钟,可以提供足够的干净的水来满足日常的需求在世界的许多地方。新的太阳能吸收器凝胶的细节发表在2月8日在ACS中央科学。

”有很多努力开发一种技术,使用太阳能来创建清洁、饮用水,但他们往往不能生产足够的水来满足日常需要,“罗德尼·普里斯特利说,研究生院的院长,城堡和贝蒂佩里史密斯教授化学和生物工程和相关教员Andlinger中心对能源和环境问题。“这最新的迭代技术让我们的另一个目标迈进了一步技术由太阳能驱动,可以产生足够的干净的水来满足日常的需求。”

设备的外观像海绵一样的的核心是一种被称为聚凝胶形成的聚合物(N-isopropylacrylamide)或PNIPAm,可以吸收或释放的水,这取决于温度。

低于33摄氏度(91华氏度),这种水凝胶行为像海绵一样吸收水从源如湖。但当水凝胶被阳光远离水和加热温度超过33度,它开始释放水。的聚合物如polydopamine (PDA)凝胶的表面,设备可以过滤油等污染物,重金属,塑料微粒,从水和某些类型的细菌。

研究人员说这种凝胶是更便宜,更简单的使用比现有系统,依靠蒸发。用户只需把像海绵一样的设备在一个水源直到它变成饱和。然后他们将它从水,把它在阳光下,等待它释放过滤水。在正午的阳光下,凝胶可以释放它可以吸收大约70%的水只要十分钟。

“我们第一太阳能吸收器凝胶已经有了表现强劲,”徐晓惠说,总统普林斯顿大学做博士后研究,该研究的第一作者。“但是我们想继续使设备更加有效地过滤水。”

根据徐,显著增加过滤速度源于研究人员对水凝胶的结构变化之间的第一和第二代,增强其运输水的能力。虽然两个第一和第二代利用相同的PNIPAm水凝胶,研究人员发现他们可以改变凝胶更互联,合成聚合物纤维结构的乙二醇和水的混合物。

徐说,非传统的方法导致了关键改进大部分现有的水凝胶,这往往有一个蜂窝样结构墙阻碍水运输。她比较了相互联系、纤维结构的新水凝胶的成熟loofah-fruit,这是常用的海绵擦洗浴室和厨房。

除了提高过滤速度,Nehemie Guillomaitre,研究合著者一个研究生在化学和生物工程中,补充说,第二代太阳能吸收器对其前任凝胶体育其他改进。

例如,研究人员给太阳能吸收器凝胶防污性能通过添加另一个聚合物,聚(sulfobetaine丙烯酸甲酯)(PSBMA),凝胶的表面。PSBMA不仅有助于设备过滤污染物从水中更有效,但是它也结合紧密与水分子在凝胶表面形成水化层,它不溶于油和细菌,它允许设备自洁。

“有防污特性有助于凝胶持续时间更长,“Guillomaitre说。“有更少的需要担心这种凝胶表面的油脂和细菌电影积累时间和降低效率。”

研究人员最终相信太阳能吸收器凝胶可能规模,成为一个有吸引力的选择净水在家庭层面,可能提供干净的水,而不需要依赖于能源的电网。

“理想情况下,这种技术可能有一天会有人关心他们所使用的水质,无论他们住在哪里,”Guillomaitre说。

虽然研究人员指出,他们仍在努力创建原型演示他们的设备可以扩展到家庭使用,普里斯特利在短期内说,他相信太阳能吸收器凝胶可用于紧急情况下提供按需获取清洁的水。

在美国国家科学基金会的支持下,研究了创业的启动,AquaPao,由普利斯特里共同创立,这将继续迭代,提高太阳能吸收器的设计凝胶,其长期耐久性测试,并确定扩大该技术的机会。

“这项工作是学术研究的一个很好的例子可以转化为创业公司的世界里,“普里斯特利说。“通过我们的工作,我们能够表明,基础研究可能对社会产生巨大的影响。”

参考:徐X, Guillomaitre N,克里斯蒂KSS、et al .速动防污的太阳能水净化的水凝胶。ACS分Sci。2023年2月8日在线发表。doi:10.1021 / acscentsci.2c01245

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