Ученые разработали параллельный метод сбора тумана и очистки воды

Сбор тумана предлагает регионам, лишенным озер и рек, еще один источник пресной воды, но в городских центрах, где воды часто не хватает, существует дополнительная проблема загрязнения воздуха. Теперь исследователи разработали простой способ одновременного сбора воды из тумана и удаления вредных загрязнений — достижение, которое может помочь обеспечить миллионам людей во всем мире доступ к безопасной питьевой воде.

Как сообщается сегодня в журнале Nature Sustainability, исследователи демонстрируют, как наноинженерная стальная сетка со специальным покрытием, работающим на солнечной энергии, может собирать капли воды из тумана, а затем обрабатывать воду, чтобы сделать ее безопасной для питья. Покрытие, полимер, состоящий из наночастиц диоксида титана, обладает уникальной способностью сохранять реакционную способность под воздействием солнечного света и круглосуточно удалять загрязнения, дождь или сияние.

По словам главного исследователя Томаса Шуциуса, доцента кафедры машиностроения Калифорнийского университета в Беркли, этот полностью пассивный гибридный подход к сбору и очистке воды является «первым в своей области». Ранее он был доцентом ETH Zurich, где и была выполнена большая часть этой работы.

«С помощью сбора воды мы хотим решить проблему создания питьевой воды там, где она необходима, но одновременно существует проблема загрязнения воздуха в городских центрах», — сказал Шутциус. «Мы думаем, что ответ — параллельная очистка, поэтому нашей целью было разработать коллекторы тумана, которые могли бы как собирать воду, так и удалять часть этих загрязнений — особенно органических загрязнений — оставаясь при этом пассивными».

Круглодневное и всепогодное решение

В течение многих лет исследователи разрабатывали пассивные системы для эффективного сбора микроскопических капель воды из тумана, часто используя большие вертикальные ограждения из наноскопической тканой сетки. Однако эта предыдущая работа была сосредоточена на незагрязненном тумане. В городских и промышленных условиях и даже в районах с подветренной стороны капли тумана могут быть загрязнены опасными уровнями органических загрязнителей, многие из которых связаны с раком или другими серьезными проблемами со здоровьем, что делает собранную воду небезопасной для питья.

Томас Шуциус, доцент кафедры машиностроения Калифорнийского университета в Беркли.

Чтобы удалить эти загрязнения из уловленных капель воды из тумана, исследователи обратились к полимерным покрытиям. Ведущий автор Ритвик Гош, ученый из Института исследования полимеров Макса Планка и приглашенный исследователь в ETH Zurich, ранее обнаружил, что можно в ограниченной степени лечить загрязненный туман с помощью сетчатых покрытий, содержащих фотокаталитически активные наночастицы оксидов металлов. например, диоксид титана.

Такие покрытия становятся реактивными под воздействием солнечного света и заставляют молекулы загрязнений в каплях тумана разлагаться на безвредные вещества, что делает собранную воду безопасной для питья. Но для работы этих покрытий требовалось активное и непрерывное освещение ультрафиолетовыми лампами, что ограничивало их способность эффективно бороться с органическими загрязнителями.

В этом последнем исследовании Шутциус и Гош сделали следующий шаг, чтобы сделать обработку полностью пассивной: они оптимизировали покрытие из наночастиц, чтобы оно могло продолжать обрабатывать воду, не требуя круглосуточного воздействия ультрафиолета.

«Ключевым моментом здесь является то, что мы можем сделать поверхность реактивной, когда солнечно, и она останется реактивной, даже когда туман или пасмурно, демонстрируя почти емкостное поведение», — сказал Шуциус, описывая способность реактивного покрытия накапливать заряд, подобно тому, как аккумулятор, позволяющий эффективно очищать воду независимо от погодных условий и времени суток.

Отличник в лечении

В рамках этого исследования исследователи протестировали два типа покрытия: гидрофильное и гидрофобное. Оба одинаково хорошо справлялись со сбором воды, но гидрофильная версия превосходно справлялась с очисткой.

Поскольку гидрофильное покрытие притягивает воду, собранные капли воды образуют тонкую пленку вдоль сетки, позволяя молекулам загрязняющих веществ перемещаться на небольшое расстояние, прежде чем столкнуться с реактивным покрытием сетки, что затем приводит к их разложению. И наоборот, гидрофобное или водоотталкивающее покрытие заставляет воду накапливаться на сетке толстым слоем, что требует больше времени для того, чтобы частицы загрязняющих веществ достигли реактивной поверхности.