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Apr 29, 2024

Solar

Forscher haben ein durch Sonnenlicht betriebenes Hydrogel mit luffaähnlicher Struktur entwickelt, das große Mengen Wasser, das mit Ölen, Metallen und Mikroplastik verunreinigt ist, schnell reinigen kann. Das Material,

Forscher haben ein durch Sonnenlicht betriebenes Hydrogel mit luffaähnlicher Struktur entwickelt, das große Mengen Wasser, das mit Ölen, Metallen und Mikroplastik verunreinigt ist, schnell reinigen kann. Das Material, das auch bei bewölktem Himmel funktioniert, könnte ausreichend Trinkwasser in Trinkwasserqualität liefern, um den täglichen Bedarf eines Menschen zu decken.

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

In der neuen Arbeit stellte ein Forscherteam unter der Leitung von Rodney Priestley und Xiaohui Xu von der Princeton University ein Luffa-ähnliches Solarabsorbergel (LSAG) mit einer miteinander verbundenen offenporigen Struktur her. Das Gel kann aus verschiedenen verunreinigten Quellen Wasser in Trinkwasserqualität mit einer Geschwindigkeit von etwa 26 kg/m2/h produzieren, was hoch genug ist, um den täglichen Wasserbedarf eines Menschen 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 von Luffa inspirierte PNIPAm-Hydrogel durch radikalische Polymerisation unter Verwendung des gemischten Lösungsmittels als Polymerisationsmedium entwickelt“, erklärt Xu. „Anschließend haben wir das PNIPAm mit PDA und PSBMA über einen In-situ-Polymerisationsansatz funktionalisiert und so ein multifunktionales und äußerst langlebiges Solarabsorbermaterial zur Wasserreinigung erhalten.“

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, unterhalb derer das Gel hydrophil ist. Sie beobachteten, dass das Gel aufquillte, indem es große Mengen Wasser aufnahm und gleichzeitig Verunreinigungen einfing.

Anschließend setzten sie das Gel simuliertem Sonnenlicht zwischen 0,5 und 1 kW/m2 (0,5–1 Sonne) aus und erhöhten dadurch seine Temperatur über seinen LCST-Wert. Dadurch wechselt das Gel von einem hydrophilen in einen hydrophoben Zustand, wodurch das gereinigte Wasser schnell freigesetzt werden kann, sagt Xu. Tatsächlich gab das Gel in nur 10–20 Minuten etwa 70 % der gespeicherten Flüssigkeit ab.

Der solarbetriebene Wasserreiniger ist vom Kugelfisch inspiriert

Laut den Forschern, die über ihre Arbeit in ACS Central Science berichten, könnte das neue Solarabsorbergel ein „neues Paradigma für die solare Wasserproduktion mit dem Potenzial eröffnen, den täglichen menschlichen Bedarf zu decken“.

Das Team arbeitet derzeit an der Entwicklung eines antibakteriellen Hydrogels, das im Wasser vorkommende Bakterien effizient abtöten kann. „Wir werden auch die Fähigkeit unseres Gels testen, mit PFAS [Per- und Polyfluoralkylsubstanzen] kontaminiertes Wasser zu reinigen“, sagt Xu gegenüber Physics World.