เครื่องกรองน้ำ

อุปกรณ์นี้มีลักษณะคล้ายฟองน้ำขนาดใหญ่ที่ซับน้ำได้ แต่ทิ้งสารปนเปื้อน เช่น ตะกั่ว น้ำมัน และเชื้อโรคไว้เบื้องหลัง ในการเก็บน้ำบริสุทธิ์จากฟองน้ำ เพียงแค่วางไว้ในแสงแดด นักวิจัยได้อธิบายถึงอุปกรณ์ดัง กล่าวในบทความที่ตีพิมพ์ในวารสารAdvanced Materials ในสัปดาห์นี้ Rodney Priestley, Pomeroy และ Betty Perry Smith ศาสตราจารย์ด้านเคมีและวิทยาศาสตร์กล่าวว่า แรงบันดาลใจสำหรับอุปกรณ์ดังกล่าวมาจากปลาปักเป้า ซึ่งเป็นสายพันธุ์ที่กินน้ำเพื่อให้ร่างกายพองตัวเมื่อถูกคุกคาม จากนั้นจึงปล่อยน้ำออกมาเมื่ออันตรายผ่านพ้นไป วิศวกรรมชีวภาพ และรองคณบดีฝ่ายนวัตกรรมของ Princeton "สำหรับฉันแล้ว สิ่งที่น่าตื่นเต้นที่สุดเกี่ยวกับงานนี้ก็คือมันสามารถทำงานนอกระบบได้อย่างสมบูรณ์ ทั้งในระดับขนาดใหญ่และขนาดเล็ก" Priestley กล่าว "นอกจากนี้ยังสามารถทำงานในโลกที่พัฒนาแล้วในพื้นที่ที่ต้องการทำน้ำให้บริสุทธิ์แบบต้นทุนต่ำและไม่ต้องใช้พลังงาน" Xiaohui Xu นักวิจัยหลังปริญญาเอกของ Princeton Presidential ในภาควิชาวิศวกรรมเคมีและชีวภาพและผู้ร่วมประดิษฐ์ ได้ช่วยพัฒนาวัสดุเจลที่เป็นหัวใจของอุปกรณ์ "ไม่มีแสงแดด" Xu กล่าว "และวัสดุที่ใช้ทำอุปกรณ์นี้มีต้นทุนต่ำและไม่เป็นพิษ ดังนั้นนี่จึงเป็นวิธีที่คุ้มค่าและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมในการผลิตน้ำบริสุทธิ์" ผู้เขียนตั้งข้อสังเกตว่าเทคโนโลยีนี้ให้อัตราการทำน้ำให้บริสุทธิ์ด้วยพลังงานแสงอาทิตย์แบบพาสซีฟสูงที่สุดในบรรดาเทคโนโลยีที่แข่งขันกัน วิธีหนึ่งในการใช้เจลคือวางไว้ในแหล่งน้ำในตอนเย็น และวันถัดไปวางไว้กลางแสงแดดเพื่อสร้างน้ำดื่มในแต่ละวัน Xu กล่าว เครื่องกรองน้ำ เจลสามารถชำระล้างน้ำที่ปนเปื้อนด้วยปิโตรเลียมและน้ำมันอื่นๆ โลหะหนัก เช่น ตะกั่ว สารโมเลกุลเล็ก และเชื้อโรค เช่น ยีสต์ ทีมงานได้แสดงให้เห็นว่าเจลยังคงรักษาความสามารถในการกรองน้ำได้อย่างน้อยสิบรอบของการแช่และการปล่อย โดยไม่สามารถตรวจพบการลดประสิทธิภาพลงได้ ผลการวิจัยพบว่าสามารถใช้เจลซ้ำได้ ในการสาธิตอุปกรณ์ในสภาพการใช้งานจริง Xu ได้นำอุปกรณ์ไปที่ทะเลสาบคาร์เนกีในวิทยาเขตของมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน Xu วางเจลลงในน้ำเย็น (25 องศาเซลเซียส หรือ 77 องศาฟาเรนไฮต์) ของทะเลสาบ ซึ่งมีจุลินทรีย์ที่ทำให้ไม่ปลอดภัยที่จะดื่ม และปล่อยให้มันแช่อยู่ในน้ำในทะเลสาบเป็นเวลาหนึ่งชั่วโมง ในตอนท้ายของชั่วโมง Xu ยกเจลขึ้นจากน้ำและวางไว้บนภาชนะ เมื่อดวงอาทิตย์อุ่นเจล น้ำบริสุทธิ์จะไหลเข้าสู่ภาชนะในชั่วโมงถัดไป นักวิจัยกล่าวว่าอุปกรณ์ดังกล่าวกรองน้ำได้เร็วกว่าวิธีการทำน้ำให้บริสุทธิ์ด้วยพลังงานแสงอาทิตย์แบบพาสซีฟ วิธีการที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์อื่นๆ ส่วนใหญ่ใช้แสงอาทิตย์ในการระเหยน้ำ ซึ่งใช้เวลานานกว่าการดูดซับและปล่อยโดยเจลชนิดใหม่ วิธีการกรองน้ำแบบอื่นๆ ต้องใช้ไฟฟ้าหรือแหล่งพลังงานอื่นเพื่อสูบน้ำผ่านเมมเบรน การกรองแบบพาสซีฟด้วยแรงโน้มถ่วงเช่นเดียวกับตัวกรองแบบตั้งโต๊ะในครัวเรือนทั่วไป จำเป็นต้องเปลี่ยนตัวกรองเป็นประจำ หัวใจของอุปกรณ์ใหม่คือเจลที่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ ที่อุณหภูมิห้อง เจลสามารถทำหน้าที่เป็นฟองน้ำซับน้ำได้ เมื่อได้รับความร้อนถึง 33 องศาเซลเซียส (91 องศาฟาเรนไฮต์) เจลจะทำตรงกันข้าม นั่นคือจะดันน้ำออกจากรูขุมขน เจลประกอบด้วยโครงสร้างคล้ายรังผึ้งซึ่งมีรูพรุนสูง การตรวจสอบอย่างใกล้ชิดเผยให้เห็นว่ารังผึ้งประกอบด้วยสายโซ่ยาวของโมเลกุลที่ซ้ำกัน ซึ่งเรียกว่าโพลี (N-isopropylacrylamide) ซึ่งเชื่อมโยงข้ามกันเพื่อสร้างตาข่าย ภายในตาข่าย บางบริเวณมีโมเลกุลที่ชอบมีน้ำอยู่ใกล้ๆ หรือชอบน้ำ ในขณะที่บริเวณอื่นๆ ไม่ชอบน้ำหรือไม่ซับน้ำ ที่อุณหภูมิห้อง โซ่จะยาวและยืดหยุ่นได้ และน้ำสามารถไหลผ่านเส้นเลือดฝอยเข้าสู่วัสดุเพื่อไปยังบริเวณที่ต้องการน้ำได้อย่างง่ายดาย แต่เมื่อแสงอาทิตย์ทำให้วัสดุอุ่นขึ้น โซ่ที่ไม่ชอบน้ำจะจับตัวกันเป็นก้อนและบังคับให้น้ำออกจากเจล เจลนี้อยู่ภายในอีก 2 ชั้นที่ป้องกันไม่ให้สารปนเปื้อนเข้าถึงเนื้อเจลด้านใน ชั้นกลางเป็นวัสดุสีเข้มที่เรียกว่าโพลีโดปามีนซึ่งเปลี่ยนแสงแดดเป็นความร้อน และยังป้องกันโลหะหนักและโมเลกุลอินทรีย์ เมื่อใช้ PDA แสงจากดวงอาทิตย์จะทำให้วัสดุด้านในร้อนขึ้น แม้ว่าอุณหภูมิภายนอกจริงจะไม่อุ่นมากก็ตาม ชั้นภายนอกขั้นสุดท้ายเป็นชั้นกรองอัลจิเนต ซึ่งป้องกันเชื้อโรคและวัสดุอื่นๆ ไม่ให้เข้าสู่เจล Xu กล่าวว่าหนึ่งในความท้าทายในการผลิตอุปกรณ์คือการกำหนดเจลภายในให้มีคุณสมบัติที่ถูกต้องในการดูดซับน้ำ ในขั้นต้นเจลมีความเปราะ ดังนั้นเธอจึงเปลี่ยนส่วนประกอบจนกว่าจะยืดหยุ่นได้ Xu สังเคราะห์วัสดุและทำการศึกษาเพื่อประเมินความสามารถของอุปกรณ์ในการทำน้ำให้บริสุทธิ์ โดยได้รับความช่วยเหลือจากผู้เขียนร่วม Sehmus Ozden และ Navid Bizmark นักวิจัยหลังปริญญาเอกใน Princeton Institute for Science and Technology of Materials Sujit Datta ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและชีวภาพ และ Craig Arnold ศาสตราจารย์ Susan Dod Brown แห่งวิศวกรรมเครื่องกลและการบินและอวกาศ และผู้อำนวยการสถาบัน Princeton Institute for the Science and Technology of Materials ได้ร่วมมือกันในการพัฒนาเทคโนโลยีดังกล่าว