Lavpris solcelledrevet vandfilter fjerner bly, andre forurenende stoffer

En ny opfindelse, der bruger sollys til at drive vandrensning, kan hjælpe med at løse problemet med at levere rent vand fra nettet.

Enheden ligner en stor svamp, der opsuger vand, men efterlader forurenende stoffer - som bly, olie og patogener - bagved. For at opsamle det rensede vand fra svampen, man placerer den simpelthen i sollys. Forskerne beskrev enheden i et papir, der blev offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Avancerede materialer .

Inspirationen til enheden kom fra pufferfish, en art, der indtager vand for at kvælde sin krop, når den er truet, og frigiver derefter vand, når faren passerer, sagde enhedens medopfinder Rodney Priestley, Pomeroy og Betty Perry Smith, professor i kemisk og biologisk teknik, og Princetons vicedekan for innovation.

"Til mig, det mest spændende ved dette arbejde er, at det kan fungere fuldstændigt off-grid, i både store og små skalaer, "Priestley sagde." Det kunne også fungere i den udviklede verden på steder, hvor billige, ikke-drevet vandrensning er nødvendig. "

Xiaohui Xu, en Princeton Presidential Postdoctoral Research Fellow i Institut for Kemisk og Biologisk Teknik og medopfinder, hjalp med at udvikle gelmaterialet i kernen af ​​enheden.

"Sollys er gratis, "Sagde Xu, "og materialerne til fremstilling af denne enhed er billige og giftfri, så dette er en omkostningseffektiv og miljøvenlig måde at generere rent vand på. "

Forfatterne bemærkede, at teknologien leverer den højeste passive solvandrensningshastighed for enhver konkurrerende teknologi.

En måde at bruge gelen på er at placere den i en vandkilde om aftenen og den næste dag placere den i sollyset for at generere dagens drikkevand, Sagde Xu.

Gelen kan rense vand forurenet med råolie og andre olier, tungmetaller såsom bly, små molekyler, og patogener, såsom gær. Teamet viste, at gelen bevarer sin evne til at filtrere vand i mindst ti cyklusser med gennemblødning og udledning uden påviselig reduktion i ydeevne. Resultaterne tyder på, at gelen kan bruges gentagne gange.

For at demonstrere enheden under virkelige forhold, Xu tog enheden til Carnegie -søen på Princeton University campus.

Xu lagde gelen i det kølige vand (25 grader Celsius, eller 77 grader Fahrenheit) af søen, som indeholder mikroorganismer, der gør det usikkert at drikke, og lad det opsuge søvandet i en time.

I slutningen af ​​timen, Xu løftede gelen ud af vandet og lagde den oven på en beholder. Da solen varmede gelen, rent vand sildrede ind i beholderen i løbet af den næste time.

Enheden filtrerer vand meget hurtigere end eksisterende metoder til passive soldrevne vandrensningsmetoder, sagde forskerne. De fleste andre soldrevne tilgange bruger sollys til at fordampe vand, som tager meget længere tid end absorption og frigivelse af den nye gel.

Andre vandfiltreringsmetoder kræver elektricitet eller en anden strømkilde for at pumpe vand gennem en membran. Passiv filtrering via tyngdekraften, som med typiske husholdningsbordfiltre, kræver regelmæssig udskiftning af filtre.

Kernen i den nye enhed er en gel, der ændres afhængigt af temperaturen. Ved stuetemperatur, gelen kan fungere som en svamp, opsuge vand. Ved opvarmning til 33 grader Celsius (91 grader Fahrenheit), gelen gør det modsatte - den skubber vandet ud af sine porer.

Gelen består af en honeycomb-lignende struktur, der er meget porøs. Nærmere undersøgelse afslører, at honningskagen består af lange kæder af gentagne molekyler, kendt som poly (N-isopropylacrylamid), der er tværbundet for at danne et net. Indenfor masken, nogle regioner indeholder molekyler, der kan lide at have vand i nærheden, eller er hydrofile, mens andre regioner er hydrofobe eller vandafvisende.

Ved stuetemperatur, kæderne er lange og fleksible, og vand kan let strømme via kapillærvirkning ind i materialet for at nå de vandglade områder. Men når solen varmer materialet, de hydrofobe kæder klumper sig sammen og tvinger vandet ud af gelen.

Denne gel sidder inde i to andre lag, der forhindrer forurenende stoffer i at nå den indre gel. Det midterste lag er et mørkt farvet materiale kaldet polydopamin, der omdanner sollys til varme og holder også tungmetaller og organiske molekyler ude. Med PDA på plads, solens lys kan varme det indre materiale op, selvom den faktiske udetemperatur ikke er særlig varm.

Det sidste ydre lag er et filtrerende lag af alginat, som blokerer patogener og andre materialer i at komme ind i gelen.

Xu sagde, at en af ​​udfordringerne ved at lave enheden var at formulere den indre gel til at have de korrekte egenskaber til vandabsorbering. Oprindeligt var gelen sprød, så hun ændrede sammensætningen, indtil den var fleksibel. Xu syntetiserede materialerne og gennemførte undersøgelser for at vurdere enhedens evne til at rense vand, hjulpet af medforfattere Sehmus Ozden og Navid Bizmark, postdoktorale forskningsassistenter i Princeton Institute for Science and Technology of Materials.

Sujit Datta, adjunkt i kemisk og biologisk teknik, og Craig Arnold, Susan Dod Brown, professor i mekanik- og rumfartsteknik og direktør for Princeton Institute for Science and Technology of Materials, samarbejdede om udviklingen af ​​teknologien.

Teamet undersøger måder at gøre teknologien bredt tilgængelig ved hjælp af Princeton Innovation, som understøtter universitetsforskere i oversættelsen af ​​opdagelser til teknologier og tjenester til gavn for samfundet.