En ny uppfinning som använder solljus för att driva vattenrening kan hjälpa till att lösa problemet med att tillhandahålla rent vatten från nätet.

Enheten liknar en stor svamp som suger upp vatten men lämnar föroreningar – som bly, olja och patogener — bakom. För att samla upp det renade vattnet från svampen, man placerar den helt enkelt i solljus. Forskarna beskrev enheten i ett papper som publicerades denna vecka i tidskriften Avancerade material .

Inspirationen till enheten kom från pufferfish, en art som tar in vatten för att svälla sin kropp när den är hotad, och släpper sedan ut vatten när faran passerar, sa enhetens meduppfinnare Rodney Priestley, Pomeroy och Betty Perry Smith professor i kemi och biologisk teknik, och Princetons vice dekan för innovation.

"Till mig, det mest spännande med detta arbete är att det kan fungera helt off-grid, i både stor och liten skala, ", sa Priestley. "Det kan också fungera i den utvecklade världen på platser där det är billigt, icke-driven vattenrening behövs."

Xiaohui Xu, en Princeton Presidential Postdoctoral Research Fellow vid Institutionen för kemisk och biologisk teknik och meduppfinnare, hjälpte till att utveckla gelmaterialet i hjärtat av enheten.

"Solljus är gratis, " Xu sa, "och materialen för att göra den här enheten är billiga och giftfria, så detta är ett kostnadseffektivt och miljövänligt sätt att generera rent vatten."

Författarna noterade att tekniken ger den högsta passiva solvattenreningshastigheten av någon konkurrerande teknologi.

Ett sätt att använda gelén skulle vara att placera den i en vattenkälla på kvällen och nästa dag placera den i solljus för att generera dagens dricksvatten, sa Xu.

Gelen kan rena vatten som är förorenat med petroleum och andra oljor, tungmetaller som bly, små molekyler, och patogener såsom jäst. Teamet visade att gelén bibehåller sin förmåga att filtrera vatten under minst tio cykler av blötläggning och urladdning utan någon detekterbar minskning av prestanda. Resultaten tyder på att gelén kan användas upprepade gånger.

För att demonstrera enheten i verkliga förhållanden, Xu tog enheten till Lake Carnegie på Princeton Universitys campus.

Xu placerade gelén i det kalla vattnet (25 grader Celsius, eller 77 grader Fahrenheit) av sjön, som innehåller mikroorganismer som gör det osäkert att dricka, och låt det suga upp sjövattnet i en timme.

I slutet av timmen, Xu lyfte upp gelén ur vattnet och placerade den ovanpå en behållare. När solen värmde gelen, rent vatten sipprade in i behållaren under den kommande timmen.

Enheten filtrerar vatten mycket snabbare än befintliga metoder för passiva soldrivna vattenreningsmetoder, sa forskarna. De flesta andra soldrivna metoder använder solljus för att förånga vatten, vilket tar mycket längre tid än absorption och frisättning av den nya gelén.

Andra vattenfiltreringsmetoder kräver elektricitet eller annan kraftkälla för att pumpa vatten genom ett membran. Passiv filtrering via gravitation, som med typiska hushållsbänkfilter, kräver regelbundet byte av filter.

I hjärtat av den nya enheten finns en gel som förändras beroende på temperatur. Vid rumstemperatur, gelen kan fungera som en svamp, suga upp vatten. Vid uppvärmning till 33 grader Celsius (91 grader Fahrenheit), gelén gör tvärtom – den trycker ut vattnet ur porerna.

Gelen består av en bikakeliknande struktur som är mycket porös. Närmare inspektion avslöjar att bikakan består av långa kedjor av upprepade molekyler, känd som poly(N-isopropylakrylamid), som är tvärbundna för att bilda ett nät. Inom nätet, vissa regioner innehåller molekyler som gillar att ha vatten i närheten, eller är hydrofila, medan andra regioner är hydrofoba eller vattenavvisande.

Vid rumstemperatur, kedjorna är långa och flexibla, och vatten kan lätt strömma via kapillärverkan in i materialet för att nå de vattenälskande regionerna. Men när solen värmer materialet, de hydrofoba kedjorna klumpar ihop sig och tvingar ut vattnet ur gelén.

Denna gel sitter inuti två andra lager som hindrar föroreningar från att nå den inre gelén. Mellanskiktet är ett mörkfärgat material som kallas polydopamin som omvandlar solljus till värme och som även håller borta tungmetaller och organiska molekyler. Med PDA på plats, solens ljus kan värma upp det inre materialet även om den faktiska utomhustemperaturen inte är särskilt varm.

Det sista yttre lagret är ett filtrerande lager av alginat, som blockerar patogener och andra material från att komma in i gelen.

Xu sa att en av utmaningarna med att tillverka enheten var att formulera den inre gelen för att ha rätt egenskaper för vattenabsorption. Till en början var gelén skör, så hon ändrade sammansättningen tills den var flexibel. Xu syntetiserade materialen och genomförde studier för att bedöma enhetens förmåga att rena vatten, med hjälp av medförfattarna Sehmus Ozden och Navid Bizmark, forskarassistenter vid Princeton Institute for Science and Technology of Materials.

Sujit Datta, biträdande professor i kemi- och biologisk teknik, och Craig Arnold, Susan Dod Brown professor i maskin- och rymdteknik och chef för Princeton Institute for Science and Technology of Materials, samarbetat i utvecklingen av tekniken.

Teamet undersöker sätt att göra tekniken allmänt tillgänglig med hjälp av Princeton Innovation, som stödjer universitetsforskare i översättningen av upptäckter till teknologier och tjänster till gagn för samhället.