全世界有超过20亿人无法可靠地获得清洁用水。满足这一需求的一种潜在解决方案就像海绵一样，吸收干净的水，同时留下污染物。
普林斯顿大学的研究人员开发了下一代太阳能吸收凝胶技术，这种设备可能是为全球人们解锁清洁水的关键。海绵状凝胶成本低，易于使用，只需要阳光即可过滤水中的重金属、油、微塑料和一些细菌等污染物，使其成为离网水净化的替代品。
与2021年开发的第一代技术相比，该设备的过滤率提高了近四倍。一平方米的一厘米厚的材料可以在短短10分钟内产生超过一加仑的水，并且可以提供足够的清洁水来满足世界许多地方的日常需求。新型太阳能吸收器凝胶的细节于8月<>日发表在ACSCentralScience上。
“已经有很多努力开发一种利用太阳能创造清洁饮用水的技术，但他们往往无法产生足够的水来满足日常需求，”研究生院院长罗德尼普里斯特利说，波默罗伊和贝蒂佩里史密斯化学和生物工程教授，以及安德林格能源与环境中心的相关教师。“我们技术的最新版本使我们朝着拥有太阳能驱动的技术的目标又近了一步，该技术实际上可以产生足够的清洁水来满足日常需求。
该设备海绵状外观的核心是由称为聚(N-异丙基丙烯酰胺)或PNIPAm的聚合物形成的凝胶，它可以吸收或释放水分，具体取决于温度。
在低于33摄氏度(91华氏度)的情况下，这种水凝胶就像海绵一样从湖泊等来源吸收水分。但是当水凝胶从水中取出并被阳光加热到33度以上的温度时，它开始释放水。通过在凝胶表面添加聚多巴胺(PDA)等聚合物，该设备可以过滤水中的污染物，如油，重金属，微塑料和某些类型的细菌。
研究人员表示，这种凝胶比依赖蒸发的现有系统更便宜，使用更简单。用户只需将海绵状设备扔进水源中，直到它饱和。然后他们将其从水中取出，放在阳光下，等待它释放过滤水。在正午的阳光下，凝胶可以在短短十分钟内释放出大约70%的水分。
“我们的第一个太阳能吸收凝胶已经具有很强的性能，”普林斯顿大学总统博士后研究员，该研究的第一作者XiaohuiXu说。“但我们希望继续使该设备在过滤水方面更有效。
根据Xu的说法，过滤速度的显着提高源于研究人员在第一代和第二代之间对水凝胶结构所做的改变，这些变化增强了其运输水的能力。虽然第一代和第二代都使用相同的PNIPAm水凝胶，但研究人员发现，他们可以通过在水和乙二醇的混合物中合成聚合物来改变凝胶，使其具有更加相互连接的纤维结构。
徐说，这种非常规的方法导致了对大多数现有水凝胶的关键改进，这些水凝胶往往具有蜂窝状结构，其壁阻碍了水的运输。她将新水凝胶的相互连接的纤维结构与成熟的丝瓜果实进行了比较，后者通常用作浴室和厨房的擦洗海绵。
太阳能吸收剂凝胶的样品。学分：BumperDeJesus/普林斯顿大学
除了提高过滤速度外，该研究的共同作者、化学和生物工程研究生NéhémieGuillomaitre补充说，第二代太阳能吸收凝胶比其前身具有其他改进。
例如，研究人员通过在凝胶表面添加另一种聚合物聚(磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯)(PSBMA)来赋予太阳能吸收剂凝胶防污性能。PSBMA不仅帮助设备更有效地过滤水中的污染物，而且还与凝胶表面的水分子紧密结合，形成一个水合层，排斥油脂和细菌，从而使设备能够自清洁。
“具有防污特性有助于凝胶持续更长时间，”Guillomaitre说。“无需担心随着时间的推移，油脂和细菌膜会积聚在凝胶表面并降低其效率。
研究人员最终认为，太阳能吸收凝胶可以扩大规模，成为家庭用水净化的有吸引力的选择，并且可以提供清洁水，而无需依赖电网的能源。
“理想情况下，这项技术有一天可以被任何关心水质的人使用，无论他们住在哪里，”Guillomaitre说。
虽然研究人员指出，他们仍在努力创建原型，以证明他们的设备可以扩展到家庭使用，但普里斯特利说，在短期内，他认为太阳能吸收凝胶可以在紧急情况下使用，以按需提供清洁水。
在美国国家科学基金会的支持下，这项研究导致了由Priestley共同创立的初创公司AquaPao的启动，该公司将继续迭代和改进太阳能吸收器凝胶的设计，测试其长期耐用性，并确定扩大技术规模的机会。
“这项工作是学术研究如何转化为创业世界的一个很好的例子，”普里斯特利说。“通过我们的工作，我们已经能够证明基础研究可能对社会产生重大影响。
文章“用于太阳能驱动水净化的快速释放防污水凝胶”于8月<>日发表在ACSCentralScience上。除了Xu，Guillomaitre和Priestley之外，作者还包括普林斯顿大学的KofiChristie，R.KōnaneBay，NavidBizmark，SujitDatta和Z.JasonRen。