Dispositivo inspirado en el pez balón se basamento en la luz solar para producir agua potable limpia

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Un nuevo invento que utiliza la luz solar para impulsar la purificación del agua podría ayudar a resolver el problema del suministro de agua limpia de la red.

El dispositivo se asemeja a una gran esponja que absorbe agua pero deja contaminantes como plomo, aceite y patógenos. Para recolectar el agua purificada de la esponja, simplemente colóquela a la luz del sol. Los investigadores describieron el dispositivo en un artículo publicado esta semana en la revista. Material avanzado.

La inspiración para el dispositivo provino del pez globo, una especie que toma agua para inflar su cuerpo cuando está amenazada, y luego libera agua cuando pasa el peligro, dijo el co-inventor del dispositivo Rodney Priestley, el Pomeroy y Betty Perry Smith, profesora de Química y Biología. Ingeniería y Vicedecano de Innovación de Princeton.

«Para mí, lo más emocionante de este trabajo es que puede funcionar completamente fuera de la red, a gran y pequeña escala», dijo Priestley. «También podría funcionar en el mundo desarrollado en sitios donde se necesita purificación de agua sin energía a bajo costo».

Xiaohui Xu, un investigador postdoctoral presidencial de Princeton en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica y co-inventor, ayudó a desarrollar el material de gel en el corazón del dispositivo.

«La luz solar es gratuita», dijo Xu, «y los materiales para fabricar este dispositivo son de bajo costo y no tóxicos, por lo que esta es una forma económica y ecológica de generar agua pura».

Los autores señalaron que la tecnología ofrece la tasa de purificación de agua solar pasiva más alta en comparación con cualquier otra tecnología de la competencia.

Una forma de usar el gel sería ponerlo en una fuente de agua por la noche y ponerlo a la luz del sol al día siguiente para generar el agua potable del día, dijo Xu.

El gel puede purificar el agua contaminada con petróleo y otros aceites, metales pesados ​​como el plomo, moléculas pequeñas y patógenos como la levadura. El equipo demostró que el gel mantiene su capacidad para filtrar agua durante al menos diez ciclos de remojo y drenaje sin ninguna reducción notable en el rendimiento. Los resultados sugieren que el gel se puede usar repetidamente.

Para demostrar el dispositivo en condiciones del mundo real, Xu llevó el dispositivo a Carnegie Lake en el campus de la Universidad de Princeton.

Xu puso el gel en el agua fría (25 grados Celsius o 77 grados Fahrenheit) del lago, que contiene microorganismos que hacen que no sea seguro beberlo, y lo dejó absorber en el agua del lago durante una hora.

Al final de la hora, Xu sacó el gel del agua y lo colocó encima de un recipiente. A medida que el sol calentó el gel, goteó agua pura en el recipiente durante la siguiente hora.

El dispositivo filtra el agua mucho más rápido que los métodos existentes de métodos pasivos de purificación de agua con energía solar, dijeron los investigadores. La mayoría de los otros enfoques que funcionan con energía solar utilizan la luz solar para evaporar el agua, lo que demora mucho más en absorber y liberar el nuevo gel.

Otros métodos de filtración de agua requieren electricidad u otra fuente de energía para bombear agua a través de una membrana. La filtración pasiva por gravedad, como ocurre con los filtros domésticos de sobremesa típicos, requiere un reemplazo regular del filtro.

El corazón del nuevo dispositivo es un gel que cambia según la temperatura. A temperatura ambiente, el gel puede actuar como una esponja, absorbiendo agua. Cuando se calienta a 33 grados Celsius (91 grados Fahrenheit), el gel hace lo contrario: empuja el agua fuera de sus poros.

El gel consta de una estructura de panal de abeja muy porosa. Una inspección más cercana revela que el panal está formado por largas cadenas de moléculas repetidas, conocidas como poli (N-isopropilacrilamida), que se entrecruzan para formar una red. Dentro de la malla, algunas regiones contienen moléculas a las que les gusta tener agua cerca, o son hidrófilas, mientras que otras regiones son hidrófobas o repelentes al agua.

A temperatura ambiente, las cadenas son largas y flexibles, y el agua puede fluir fácilmente a través de una acción capilar en el material para llegar a las regiones amantes del agua. Pero cuando el sol calienta el material, las cadenas hidrófobas se agrupan y empujan el agua fuera del gel.

Este gel se encuentra dentro de otras dos capas que evitan que los contaminantes lleguen al interior del gel. La capa intermedia es un material de color oscuro llamado polidopamina que transforma la luz solar en calor y también retiene metales pesados ​​y moléculas orgánicas. Con el PDA en su lugar, la luz solar puede calentar el material interno incluso si la temperatura exterior real no es muy alta.

La capa exterior final es una capa de filtro de alginato, que bloquea la entrada de patógenos y otros materiales al gel.

Xu dijo que uno de los desafíos en la fabricación del dispositivo fue formular el gel interno para que tuviera las propiedades correctas para la absorción de agua. Inicialmente, el gel era quebradizo, por lo que cambió la composición hasta que fue flexible. Xu sintetizó los materiales y realizó estudios para evaluar la capacidad del dispositivo para purificar agua, con la ayuda de los coautores Sehmus Ozden y Navid Bizmark, asociados de investigación postdoctorales en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Materiales de Princeton.

Sujit Datta, profesor asistente de ingeniería química y biológica, y Craig Arnold, profesor Susan Dod Brown de ingeniería mecánica y aeroespacial y director del Instituto de Princeton para la Ciencia y Tecnología de Materiales, colaboraron en el desarrollo de la tecnología.

El equipo está explorando formas de hacer que la tecnología esté ampliamente disponible con la ayuda de Princeton Innovation, que ayuda a los investigadores universitarios a traducir los descubrimientos en tecnologías y servicios para el beneficio de la sociedad.

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