Een nieuwe uitvinding die zonlicht gebruikt om waterzuivering aan te drijven, zou het probleem van het leveren van schoon water van het net kunnen helpen oplossen.

Het apparaat lijkt op een grote spons die water opneemt maar verontreinigingen achterlaat, zoals lood, olie en ziekteverwekkers - achter. Om het gezuiverde water uit de spons op te vangen, men plaatst het gewoon in het zonlicht. De onderzoekers beschreven het apparaat in een artikel dat deze week in het tijdschrift is gepubliceerd Geavanceerde materialen .

De inspiratie voor het apparaat kwam van de kogelvis, een soort die water opneemt om zijn lichaam op te zwellen wanneer hij wordt bedreigd, en laat dan water los als het gevaar voorbij is, zei de mede-uitvinder van het apparaat, Rodney Priestley, de Pomeroy en Betty Perry Smith hoogleraar chemische en biologische technologie, en Princeton's vice-decaan voor innovatie.

"Naar mij, het meest opwindende aan dit werk is dat het volledig off-grid kan werken, zowel op grote als op kleine schaal, "Zei Priestley. "Het zou ook kunnen werken in de ontwikkelde wereld op locaties waar goedkope, niet-aangedreven waterzuivering nodig is."

Xiaohui Xu, een Princeton Presidential Postdoctoral Research Fellow bij de afdeling Chemische en Biologische Technologie en mede-uitvinder, hielp bij het ontwikkelen van het gelmateriaal in het hart van het apparaat.

"Zonlicht is gratis, "Xu zei, "en de materialen om dit apparaat te maken zijn goedkoop en niet-toxisch, dus dit is een kosteneffectieve en milieuvriendelijke manier om zuiver water te genereren."

De auteurs merkten op dat de technologie de hoogste mate van passieve waterzuivering op zonne-energie levert van alle concurrerende technologie.

Een manier om de gel te gebruiken is om hem 's avonds in een waterbron te plaatsen en de volgende dag in het zonlicht om het drinkwater van de dag te genereren, zei Xu.

De gel kan water zuiveren dat verontreinigd is met petroleum en andere oliën, zware metalen zoals lood, kleine moleculen, en pathogenen zoals gist. Het team toonde aan dat de gel zijn vermogen behoudt om water te filteren gedurende ten minste tien cycli van weken en afvoeren zonder waarneembare prestatievermindering. De resultaten suggereren dat de gel herhaaldelijk kan worden gebruikt.

Om het apparaat in reële omstandigheden te demonstreren, Xu nam het apparaat mee naar Lake Carnegie op de campus van Princeton University.

Xu plaatste de gel in het koele water (25 graden Celsius, of 77 graden Fahrenheit) van het meer, die micro-organismen bevat die het onveilig maken om te drinken, en laat het een uur lang het water van het meer opzuigen.

Aan het einde van het uur, Xu tilde de gel uit het water en zette hem op een bak. Terwijl de zon de gel verwarmde, het volgende uur druppelde zuiver water in de container.

Het apparaat filtert water veel sneller dan bestaande methoden van passieve waterzuiveringsmethoden op zonne-energie, aldus de onderzoekers. De meeste andere benaderingen op zonne-energie gebruiken zonlicht om water te verdampen, wat veel langer duurt dan absorptie en afgifte door de nieuwe gel.

Andere waterfiltratiemethoden vereisen elektriciteit of een andere krachtbron om water door een membraan te pompen. Passieve filtratie via zwaartekracht, zoals bij typische huishoudelijke aanrechtfilters, vereist regelmatige vervanging van filters.

Het hart van het nieuwe apparaat is een gel die verandert afhankelijk van de temperatuur. Op kamertemperatuur, de gel kan als een spons werken, water opzuigen. Bij verhitting tot 33 graden Celsius (91 graden Fahrenheit), de gel doet het tegenovergestelde:het duwt het water uit zijn poriën.

De gel bestaat uit een honingraatachtige structuur die zeer poreus is. Bij nadere inspectie blijkt dat de honingraat bestaat uit lange ketens van zich herhalende moleculen, bekend als poly(N-isopropylacrylamide), die zijn verknoopt om een ​​mesh te vormen. Binnen het net, sommige regio's bevatten moleculen die graag water in de buurt hebben, of zijn hydrofiel, terwijl andere regio's hydrofoob of waterafstotend zijn.

Op kamertemperatuur, de kettingen zijn lang en flexibel, en water kan gemakkelijk via capillaire werking in het materiaal stromen om de waterminnende gebieden te bereiken. Maar als de zon het materiaal verwarmt, de hydrofobe ketens klonteren samen en dwingen het water uit de gel.

Deze gel zit in twee andere lagen die voorkomen dat verontreinigingen de binnenste gel bereiken. De middelste laag is een donkergekleurd materiaal, polydopamine genaamd, dat zonlicht omzet in warmte en ook zware metalen en organische moleculen buiten houdt. Met PDA op zijn plaats, het zonlicht kan het binnenste materiaal opwarmen, zelfs als de werkelijke buitentemperatuur niet erg warm is.

De laatste buitenlaag is een filterlaag van alginaat, die ervoor zorgt dat ziekteverwekkers en andere materialen de gel niet binnendringen.

Xu zei dat een van de uitdagingen bij het maken van het apparaat was om de binnengel te formuleren om de juiste eigenschappen voor waterabsorptie te hebben. Aanvankelijk was de gel broos, dus veranderde ze de compositie totdat deze flexibel was. Xu synthetiseerde de materialen en voerde onderzoeken uit om het vermogen van het apparaat om water te zuiveren te beoordelen. geholpen door coauteurs Sehmus Ozden en Navid Bizmark, postdoctorale onderzoeksmedewerkers in het Princeton Institute for the Science and Technology of Materials.

Sujit Datta, assistent-professor chemische en biologische technologie, en Craig Arnold, de Susan Dod Brown hoogleraar Mechanical and Aerospace Engineering en directeur van het Princeton Institute for the Science and Technology of Materials, meegewerkt aan de ontwikkeling van de technologie.

Het team onderzoekt manieren om de technologie breed beschikbaar te maken met de hulp van Princeton Innovation, die universitaire onderzoekers ondersteunt bij het vertalen van ontdekkingen naar technologieën en diensten ten behoeve van de samenleving.