Un appareil inspiré du poisson-globe s’appuie sur la lumière du soleil pour produire de l’eau potable – Technoguide

Une nouvelle invention qui utilise la lumière du soleil pour purifier l’eau pourrait aider à résoudre le problème de l’approvisionnement en eau propre hors du réseau.

L’appareil ressemble à une grande éponge qui absorbe l’eau mais laisse des contaminants – comme le plomb, l’huile et les agents pathogènes – derrière. Pour récupérer l’eau purifiée de l’éponge, il suffit de la placer au soleil. Les chercheurs ont décrit l’appareil dans un article publié cette semaine dans la revue Advanced Materials.

L’inspiration de l’appareil est venue du poisson-globe, une espèce qui absorbe l’eau pour gonfler son corps lorsqu’elle est menacée, puis libère de l’eau lorsque le danger passe, a déclaré le co-inventeur de l’appareil Rodney Priestley, professeur de chimie et de Pomeroy et Betty Perry Smith. Génie biologique et vice-doyen de l’innovation à Princeton.

«Pour moi, la chose la plus excitante à propos de ce travail est qu’il peut fonctionner complètement hors réseau, à la fois à grande et à petite échelle», a déclaré Priestley. «Il pourrait également fonctionner dans les pays développés sur des sites où une purification de l’eau non alimentée à faible coût est nécessaire.

Xiaohui Xu, boursier de recherche postdoctorale présidentielle à Princeton au département de génie chimique et biologique et co-inventeur, a aidé à développer le matériau de gel au cœur de l’appareil.

“La lumière du soleil est gratuite”, a déclaré Xu, “et les matériaux pour fabriquer cet appareil sont peu coûteux et non toxiques, c’est donc un moyen rentable et respectueux de l’environnement de produire de l’eau pure.”

Les auteurs ont noté que la technologie offre le taux de purification solaire passif de l’eau le plus élevé de toutes les technologies concurrentes.

Une façon d’utiliser le gel serait de le placer dans une source d’eau le soir et de le placer le lendemain au soleil pour générer l’eau potable de la journée, a déclaré Xu.

Le gel peut purifier l’eau contaminée par du pétrole et d’autres huiles, des métaux lourds tels que le plomb, de petites molécules et des agents pathogènes tels que la levure. L’équipe a montré que le gel maintient sa capacité à filtrer l’eau pendant au moins dix cycles de trempage et de décharge sans réduction détectable des performances. Les résultats suggèrent que le gel peut être utilisé à plusieurs reprises.

Pour faire une démonstration de l’appareil dans des conditions réelles, Xu l’a emmené au lac Carnegie sur le campus de l’Université de Princeton.

Xu a placé le gel dans l’eau fraîche (25 degrés Celsius ou 77 degrés Fahrenheit) du lac, qui contient des micro-organismes qui le rendent impropre à la consommation, et l’a laissé absorber l’eau du lac pendant une heure.

À la fin de l’heure, Xu a sorti le gel de l’eau et l’a placé sur un récipient. Alors que le soleil réchauffait le gel, de l’eau pure coulait dans le récipient au cours de l’heure suivante.

L’appareil filtre l’eau beaucoup plus rapidement que les méthodes existantes de méthodes passives de purification de l’eau à énergie solaire, ont déclaré les chercheurs. La plupart des autres approches solaires utilisent la lumière du soleil pour évaporer l’eau, ce qui prend beaucoup plus de temps que l’absorption et la libération par le nouveau gel.

D’autres méthodes de filtration de l’eau nécessitent de l’électricité ou une autre source d’énergie pour pomper l’eau à travers une membrane. La filtration passive par gravité, comme avec les filtres de comptoir ménagers typiques, nécessite le remplacement régulier des filtres.

Au cœur du nouvel appareil se trouve un gel qui change en fonction de la température. À température ambiante, le gel peut agir comme une éponge, absorbant de l’eau. Lorsqu’il est chauffé à 33 degrés Celsius (91 degrés Fahrenheit), le gel fait le contraire: il pousse l’eau hors de ses pores.

Le gel se compose d’une structure en nid d’abeille qui est très poreuse. Une inspection plus approfondie révèle que le nid d’abeille est constitué de longues chaînes de molécules répétitives, appelées poly (N-isopropylacrylamide), qui sont réticulées pour former un maillage. Dans le maillage, certaines régions contiennent des molécules qui aiment avoir de l’eau à proximité, ou qui sont hydrophiles, tandis que d’autres régions sont hydrophobes ou hydrofuges.

À température ambiante, les chaînes sont longues et flexibles, et l’eau peut facilement s’écouler par capillarité dans le matériau pour atteindre les régions qui aiment l’eau. Mais lorsque le soleil réchauffe le matériau, les chaînes hydrophobes s’agglutinent et forcent l’eau à sortir du gel.

Ce gel se trouve à l’intérieur de deux autres couches qui empêchent les contaminants d’atteindre le gel interne. La couche intermédiaire est un matériau de couleur sombre appelé polydopamine qui transforme la lumière du soleil en chaleur et empêche également les métaux lourds et les molécules organiques d’entrer. Avec le PDA en place, la lumière du soleil peut chauffer le matériau intérieur même si la température extérieure réelle n’est pas très chaude.

La dernière couche externe est une couche filtrante d’alginate, qui empêche les agents pathogènes et autres matériaux de pénétrer dans le gel.

Xu a déclaré que l’un des défis de la fabrication de l’appareil était de formuler le gel interne pour qu’il ait les bonnes propriétés d’absorption d’eau. Au départ, le gel était cassant, elle a donc modifié la composition jusqu’à ce qu’elle soit flexible. Xu a synthétisé les matériaux et mené des études pour évaluer la capacité de l’appareil à purifier l’eau, aidé par les coauteurs Sehmus Ozden et Navid Bizmark, associés de recherche postdoctorale au Princeton Institute for the Science and Technology of Materials.

Sujit Datta, professeur adjoint de génie chimique et biologique, et Craig Arnold, professeur Susan Dod Brown de génie mécanique et aérospatial et directeur du Princeton Institute for the Science and Technology of Materials, ont collaboré au développement de la technologie.

L’équipe explore les moyens de rendre la technologie largement disponible avec l’aide de Princeton Innovation, qui soutient les chercheurs universitaires dans la traduction des découvertes en technologies et services au profit de la société.

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