低成本太阳能滤水器去除铅和其他污染物

利用阳光驱动水净化的一项新发明可以帮助解决从电网提供清洁水的问题。该设备类似于一个大海绵,可吸收水,但在其后留下污染物(例如铅,油和病原体)。为了从海绵中收集纯净水,只需将其置于阳光下即可。研究人员在本周发表在“高级材料”杂志上的一篇论文中描述了该设备。

该装置的共同发明人Rodney Priestley,Pomeroy和Betty Perry Smith的化学教授,生物工程和普林斯顿大学创新副院长。

普里斯特利说:“对我来说,这项工作最令人兴奋的是,它可以在大小范围上完全脱离电网运行。” “它也可以在发达国家需要低成本,无动力净水的地点使用。”

化学和生物工程系普林斯顿大学博士后研究员,共同发明人徐晓辉(Xiaohui Xu)帮助开发了该装置核心的凝胶材料。

徐说:“阳光是免费的,制造这种设备的材料是低成本且无毒的,因此,这是一种成本效益高且环保的纯净水生产方式。”

作者指出,该技术可提供所有竞争技术中最高的被动式太阳能净水率。

徐说,使用这种凝胶的一种方法是晚上将其放置在水源中,第二天将其放置在阳光下以产生当天的饮用水。

该凝胶可以净化被石油和其他油,铅等重金属,小分子以及病原体例如酵母等污染的水。研究小组表明,该凝胶在浸泡和排出至少十个循环后仍能保持过滤水的功能,而性能却没有明显下降。结果表明该凝胶可以重复使用。

为了在现实世界中演示该设备,Xu将设备带到了普林斯顿大学校园的卡内基湖。

徐将凝胶放入湖中的凉水(25摄氏度或77华氏度)中,其中含有无法安全饮用的微生物,然后将其吸收湖中的水一小时。

一小时结束时,徐将凝胶从水中提起并将其放在容器的顶部。当太阳使凝胶变热时,在接下来的一个小时内,纯净的水会滴入容器中。

研究人员说,该设备比现有的被动式太阳能水净化方法过滤水的速度要快得多。大多数其他太阳能驱动的方法都使用阳光来蒸发水,这比新凝胶吸收和释放所需的时间长得多。

其他水过滤方法需要电力或另一种动力源来将水泵送通过膜。与典型的家用台面过滤器一样,通过重力进行的被动过滤需要定期更换过滤器。

新设备的核心是根据温度变化的凝胶。在室温下,凝胶可以起海绵的作用,吸收水。当加热到33摄氏度(91华氏度)时,凝胶的作用相反,它将水从毛孔中挤出。

该凝胶由高度多孔的蜂窝状结构组成。仔细检查发现,蜂窝由称为聚(N-异丙基丙烯酰胺)的重复分子的长链组成,这些长链交联形成网孔。在网孔内,一些区域包含喜欢在附近有水或具有亲水性的分子,而其他区域则具有疏水性或疏水性。

在室温下,链条很长且很柔软,水很容易通过毛细作用流入材料中,从而到达缺水区域。但是,当太阳使材料变暖时,疏水链会凝结在一起,并迫使水离开凝胶。

该凝胶位于另外两层内部,可阻止污染物进入内部凝胶。中间层是一种深色的材料,称为聚多巴胺,可将阳光转化为热能,还可以隔离重金属和有机分子。使用PDA,即使实际的室外温度不是很高,阳光也可以加热内部材料。

最终的外层是藻酸盐的过滤层,可阻止病原体和其他物质进入凝胶。

徐说,制造该装置的挑战之一是配制内部凝胶,使其具有正确的吸水性能。最初,凝胶是脆性的,因此她改变了组成,直到变得柔软为止。Xu合成了这些材料,并在普林斯顿材料科学与技术研究所的博士后研究员Sehmus Ozden和Navid Bizmark的协助下进行了评估该设备净化水的能力的研究。

化学与生物工程学助理教授Sujit Datta和机械与航空工程学教授Susan Dod Brown教授,普林斯顿材料科学与技术研究所所长克雷格·阿诺德(Craig Arnold)合作开发了该技术。

该团队正在探索在普林斯顿创新公司(Princeton Innovation)的帮助下广泛推广该技术的方法,该技术支持大学研究人员将发现转化为技术和服务,以造福社会。

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