Ученые разработали губчатый гидрогель, который очищает воду при помощи солнечного света. Даже небольшой объем этого материала способен очистить достаточное количество воды для повседневных нужд человека.
Очистка воды при помощи солнца
Системы, использующие солнечный свет для очистки воды - не новость. Но большинство технологий подобного типа полагаются на кипячение. То есть, солнечный свет используется для нагрева грязной воды до момента, когда она начинает испаряться. Затем чистый водяной пар конденсируется на поверхности внутри аппарата и уже в виде чистой воды стекает в резервуар для сбора. Главный недостаток таких установок-дистилляторов заключается в том, что они работают только пока светит солнце. И даже в этот период процесс очистки происходит слишком медленно.
Альтернативой можно считать чувствительные к температуре гидрогели. Они впитывают грязную воду при холодных температурах, а затем высвобождают ее уже в очищенном виде при нагревании. По словам ученых Принстонского университета, проблема таких гелей также заключается в низкой скорости работы. Их закрытые поры не позволяют обрабатывать воду достаточно быстро для удовлетворения потребностей большинства людей.
Чтобы исправить ситуацию, ученые попытались создать новый тип гидрогеля, скопировав рыхлую внутреннюю структуру натуральной губки.
Новый материал
Ученые начали с использования смеси вода/гликоль в качестве уникальной полимеризационной среды для получения гидрогеля PNIPAm (поли (N-изопропилакриламид)) с большими открытыми порами. Затем они покрыли внутренние поры геля двумя другими полимерами - полидопамином (PDA) и поли (сульфобетаинметакрилатом) (PSMBA).
Полученный материал впитывает загрязненную воду при комнатной температуре, затем высвобождает 70% этой воды в течение 10 минут при нагревании солнечным светом. Это в четыре раза быстрее, чем ранее испытанный гидрогель с закрытыми порами. Кроме того, даже в условиях переменной облачности новый гель выделяет аналогичное количество очищенной воды в течение 15-20 минут.
Как именно это работает?
Согласно описанию, гидрогель является гидрофильным (притягивающим воду) при холодных температурах, но становится гидрофобным (отталкивающим воду) при нагревании. Загрязнители, такие как органические красители (которые использовались в лабораторных тестах), втягиваются вместе с водой при холодных температурах, но их молекулы прилипают к гелю. Соответственно, они не удаляются, когда вода выделяется при нагреве. Капли масляного загрязнения фильтруются еще на холодной стадии, поскольку гидрофильный гель их отталкивает.
Дальнейшие лабораторные тесты показали, что гидрогель успешно фильтрует такие загрязняющие вещества, как микропластик и тяжелые металлы. За два цикла обработки материал смог уменьшить загрязнение хромом примерно с 40 частей на миллион до менее 0,07 частей на миллион, что является допустимым пределом для питьевой воды.
А самое интересное - гидрогель можно повторно использовать. Для этого достаточно промыть его разбавленной кислотой или этанолом.
Разработка описана в журнале ACS Central Science.
