Una nuova invenzione che utilizza la luce solare per guidare la purificazione dell'acqua potrebbe aiutare a risolvere il problema della fornitura di acqua pulita fuori dalla rete.

Il dispositivo assomiglia a una grande spugna che assorbe l'acqua ma lascia contaminanti come piombo, olio e agenti patogeni—dietro. Per raccogliere l'acqua purificata dalla spugna, uno lo mette semplicemente alla luce del sole. I ricercatori hanno descritto il dispositivo in un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Materiale avanzato .

L'ispirazione per il dispositivo è venuta dal pesce palla, una specie che prende in acqua per gonfiare il suo corpo quando minacciata, e poi rilascia acqua quando passa il pericolo, ha detto il co-inventore del dispositivo Rodney Priestley, il professore di ingegneria chimica e biologica Pomeroy e Betty Perry Smith, e vice decano per l'innovazione di Princeton.

"Per me, la cosa più eccitante di questo lavoro è che può funzionare completamente off-grid, sia su grande che su piccola scala, " Ha detto Priestley. "Potrebbe funzionare anche nel mondo sviluppato in siti dove a basso costo, è necessaria la depurazione dell'acqua non alimentata."

Xiaohui Xu, un ricercatore post-dottorato presidenziale di Princeton presso il Dipartimento di ingegneria chimica e biologica e co-inventore, ha contribuito a sviluppare il materiale in gel al centro del dispositivo.

"La luce del sole è gratuita, "Xu ha detto, "e i materiali per realizzare questo dispositivo sono a basso costo e non tossici, quindi questo è un modo economico e rispettoso dell'ambiente per generare acqua pura".

Gli autori hanno notato che la tecnologia offre il più alto tasso passivo di purificazione dell'acqua solare di qualsiasi tecnologia concorrente.

Un modo per usare il gel sarebbe metterlo in una fonte d'acqua la sera e il giorno dopo metterlo alla luce del sole per generare l'acqua potabile del giorno, ha detto Xu.

Il gel può purificare l'acqua contaminata da petrolio e altri oli, metalli pesanti come piombo, piccole molecole, e agenti patogeni come il lievito. Il team ha dimostrato che il gel mantiene la sua capacità di filtrare l'acqua per almeno dieci cicli di ammollo e scarico senza alcuna riduzione rilevabile delle prestazioni. I risultati suggeriscono che il gel può essere utilizzato ripetutamente.

Per dimostrare il dispositivo in condizioni reali, Xu ha portato il dispositivo al lago Carnegie nel campus della Princeton University.

Xu ha messo il gel nell'acqua fredda (25 gradi Celsius, o 77 gradi Fahrenheit) del lago, che contiene microrganismi che lo rendono pericoloso da bere, e lasciarlo assorbire l'acqua del lago per un'ora.

Alla fine dell'ora, Xu sollevò il gel dall'acqua e lo mise sopra un contenitore. Mentre il sole scaldava il gel, l'acqua pura colò nel contenitore nell'ora successiva.

Il dispositivo filtra l'acqua molto più rapidamente rispetto ai metodi esistenti di purificazione dell'acqua a energia solare passiva, hanno detto i ricercatori. La maggior parte degli altri approcci a energia solare utilizza la luce solare per far evaporare l'acqua, che richiede molto più tempo dell'assorbimento e del rilascio da parte del nuovo gel.

Altri metodi di filtrazione dell'acqua richiedono elettricità o un'altra fonte di energia per pompare l'acqua attraverso una membrana. Filtrazione passiva per gravità, come con i tipici filtri da banco per uso domestico, richiede la sostituzione regolare dei filtri.

Il cuore del nuovo dispositivo è un gel che cambia a seconda della temperatura. A temperatura ambiente, il gel può agire come una spugna, assorbendo l'acqua. Quando riscaldato a 33 gradi Celsius (91 gradi Fahrenheit), il gel fa il contrario:spinge l'acqua fuori dai suoi pori.

Il gel è costituito da una struttura a nido d'ape altamente porosa. Un esame più attento rivela che il nido d'ape è costituito da lunghe catene di molecole ripetute, noto come poli(N-isopropilacrilammide), che sono reticolati per formare una maglia. All'interno della maglia, alcune regioni contengono molecole a cui piace avere acqua nelle vicinanze, o sono idrofili, mentre altre regioni sono idrofobiche o idrorepellenti.

A temperatura ambiente, le catene sono lunghe e flessibili, e l'acqua può facilmente fluire attraverso l'azione capillare nel materiale per raggiungere le regioni amanti dell'acqua. Ma quando il sole riscalda il materiale, le catene idrofobiche si aggregano e spingono l'acqua fuori dal gel.

Questo gel si trova all'interno di altri due strati che impediscono ai contaminanti di raggiungere il gel interno. Lo strato intermedio è un materiale di colore scuro chiamato polidopamina che trasforma la luce solare in calore e tiene fuori anche i metalli pesanti e le molecole organiche. Con PDA a posto, la luce del sole può riscaldare il materiale interno anche se la temperatura esterna effettiva non è molto calda.

Lo strato esterno finale è uno strato filtrante di alginato, che impedisce agli agenti patogeni e ad altri materiali di entrare nel gel.

Xu ha affermato che una delle sfide per realizzare il dispositivo è stata quella di formulare il gel interno per avere le proprietà corrette per l'assorbimento dell'acqua. Inizialmente il gel era fragile, quindi ha modificato la composizione fino a renderla flessibile. Xu ha sintetizzato i materiali e condotto studi per valutare la capacità del dispositivo di purificare l'acqua, aiutato dai coautori Sehmus Ozden e Navid Bizmark, associati di ricerca post-dottorato presso il Princeton Institute for the Science and Technology of Materials.

Sujit Datta, professore assistente di ingegneria chimica e biologica, e Craig Arnold, la Susan Dod Brown Professor of Mechanical and Aerospace Engineering e direttore del Princeton Institute for the Science and Technology of Materials, collaborato allo sviluppo della tecnologia.

Il team sta esplorando modi per rendere la tecnologia ampiamente disponibile con l'aiuto di Princeton Innovation, che supporta i ricercatori dell'Ateneo nella traduzione delle scoperte in tecnologie e servizi a beneficio della società.