Solarbetriebenes Hydrogel reinigt kontaminiertes Wasser

Forscher haben ein durch Sonnenlicht angetriebenes Hydrogel mit einer Luffa-ähnlichen Struktur entwickelt, das große Mengen Wasser, das mit Ölen, Metallen und Mikroplastik verunreinigt ist, schnell reinigen kann. Das Material, das auch bei Trübung funktioniert, könnte Wasser in Trinkwasserqualität liefern, um den täglichen Bedarf eines Menschen zu decken.

Hydrogele sind vielversprechend für Anwendungen wie die Wasserreinigung, aber die derzeitigen Techniken können aufgrund der geschlossenen Porenstrukturen der bisher untersuchten Materialien keine ausreichenden Wassermengen erzeugen. Im Gegensatz dazu haben natürliche Luffas, die viele Menschen zum Peelen der Haut verwenden, große, offene und miteinander verbundene Poren. Dadurch kann Wasser deutlich beschleunigt durch diese Strukturen filtrieren.

In der neuen Arbeit führte ein Team von Forschern durch Rodney Priestley und Xiaohui Xu von der Princeton University stellten ein Luffa-ähnliches Solarabsorbergel (LSAG) mit einer miteinander verbundenen offenporigen Struktur her. Das Gel kann Wasser in Trinkwasserqualität aus verschiedenen kontaminierten Quellen mit einer Rate von etwa 26 kg/m produzieren²/h, was hoch genug ist, sagen sie, um den täglichen Wasserbedarf einer Person zu decken.

Die Forscher stellten ihr LSAG aus Poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAm), Polydopamin (PDA) und Poly(sulfobetainmethacrylat) (PSBMA) unter Verwendung eines Ethylenglykol-Wasser-Lösungsmittels her.

„Wir haben das Luffa-inspirierte PNIPAm-Hydrogel durch radikalische Polymerisation unter Verwendung des gemischten Lösungsmittels als Polymerisationsmedium entwickelt“, erklärt Xu. „Dann haben wir das PNIPAm mit PDA und PSBMA über einen In-situ-Polymerisationsansatz funktionalisiert, wodurch ein multifunktionales und äußerst langlebiges Solarabsorbermaterial zur Wasserreinigung entstand.“

Von hydrophil bis hydrophob

Die Forscher testeten ihr Luffa-ähnliches Solargel, indem sie es in eine Lösung aus kontaminiertem Wasser bei weniger als seiner unteren kritischen Lösungstemperatur (LCST) eintauchten, der Temperatur, unter der das Gel hydrophil ist. Sie beobachteten, dass das Gel aufquillte, indem es große Mengen Wasser absorbierte und gleichzeitig Verunreinigungen aufnahm.

Anschließend setzten sie das Gel simuliertem Sonnenlicht zwischen 0.5 und 1 kW/mXNUMX aus² (0.5–1 Sonne), wodurch seine Temperatur über seine LCST steigt. Dadurch wechselt das Gel von einem hydrophilen in einen hydrophoben Zustand, wodurch das gereinigte Wasser schnell freigesetzt werden kann, sagt Xu. Tatsächlich setzte das Gel etwa 70 % der gespeicherten Flüssigkeit in nur 10–20 Minuten frei.

Der solarbetriebene Wasserreiniger ist von Kugelfischen inspiriert

Nach Angaben der Forscher, die über ihre Arbeit in berichten ACS Zentrale Wissenschaft, könnte das neue Solarabsorbergel ein „neues Paradigma für die solare Wasserproduktion mit dem Potenzial eröffnen, den täglichen menschlichen Bedarf zu decken“.

Das Team arbeitet nun an der Entwicklung eines antibakteriellen Hydrogels, das wasserbürtige Bakterien effizient abtöten kann. „Wir werden auch die Fähigkeit unseres Gels testen, Wasser zu reinigen, das mit PFAS [Per- und Polyfluoralkylsubstanzen] kontaminiert ist“, sagt Xu Physik-Welt.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/solar-driven-hydrogel-purifies-contaminated-water/