Создан пористый гидрогель, который быстро и эффективно очищает воду от грязи и тяжелых металлов
Существующие устройства на солнечных батареях используют солнечный свет для нагрева грязной воды до такой степени, что она начинает испаряться. Образующийся водяной пар, не содержащий вредных веществ, конденсируется на поверхности внутри дистиллятора, а затем стекает в сборный резервуар. Это умная установка, но она производит питьевую воду только до тех пор, пока светит солнце — и даже в этом случае процесс крайне медленный.
Материалы, известные как чувствительные к температуре гидрогели, предлагают альтернативу, поскольку они впитывают грязную воду при низких температурах, а затем выделяют ее (в очищенной форме) при нагревании. Однако, по словам Родни Пристли, Сяохуэй Сю и их коллег из Принстонского университета, закрытые поры большинства таких гелей не позволяют обрабатывать воду достаточно быстро для нужд большинства людей.
Помня об этом ограничении, ученые решили воспроизвести структуру натуральной губки из люфы с очень открытыми порами. Люфа (она же «люффа») – это травянистая лиана, из пористых плодов которой часто изготавливают натуральные мочалки.
Исследователи начали с использования смеси воды и гликоля в качестве уникальной полимеризационной среды для получения гидрогеля PNIPAm с большими открытыми порами, которые и были нужны для реализации задумки. Затем ученые покрыли внутренние поры геля двумя другими полимерами — полидофамином (PDA) и поли(сульфобетаинметакрилатом) (PSMBA).
Полученный материал впитывал грязную воду при комнатной температуре, а затем выделял 70% этой воды в течение 10 минут при нагревании искусственным солнечным светом — это было в четыре раза быстрее, чем ранее протестированный гидрогель с закрытыми порами. Кроме того, даже в условиях освещения, имитирующих переменную облачность, гель из люфы выделял такое же количество воды в течение 15–20 минут.
Как это работает
Сюй поясняет, что гидрогель является гидрофильным (притягивающим воду) при низких температурах, но становится гидрофобным (водоотталкивающим) при нагревании. Загрязняющие вещества, такие как органические красители, которые использовались в лабораторных испытаниях, втягиваются вместе с водой при низких температурах, но поскольку их молекулы прилипают к гелю, они остаются в нем, когда вода высвобождается при более высоких температурах. Капли масляных загрязнений не всасываются первыми, поскольку гидрофильный гель отталкивает их.
В лабораторных испытаниях гидрогель из люфы также успешно использовался для удаления загрязняющих веществ, таких как микропластик и тяжелые металлы. За два цикла обработки материал смог снизить загрязнение хромом примерно с 40 частей на миллион до менее 0,07 частей на миллион, что является допустимым пределом для питьевой воды. Кроме того, ученые уверяют, что новое средство можно использовать повторно, просто промыв его разбавленной кислотой или этанолом.