Гидрогель помог солнечному свету опреснить воду
Американские материаловеды разработали наноструктурированный гидрогель, который может очищать и опреснять воду путем ее испарения за счет солнечной энергии. Такой материал использует до 94 процентов от всей энергии падающего на него солнечного света и позволяет в день получать до 23 литров опресненной воды с одного квадратного метра поверхности, пишут ученые в статье в Nature Nanotechnology.
Одним из наиболее перспективных способов очистки и опреснения воды считается методика испарения воды за счет солнечной энергии (solar vapor generation). При использовании такого метода солнечный свет сначала поглощается погруженным в воду солнечным генератором пара, что приводит к испарению воды, которая потом собирается в очищенном или опресненном виде. Обычно в качестве основного материала генератора предлагают использовать наночастицы, способные поглощать солнечный свет, или наноструктурированные материалы с большой площадью поверхности. Тем не менее, существующие на данный момент прототипы солнечных генераторов пара либо недостаточно эффективно используют энергию солнечного света для испарения воды, либо используют слишком дорогие методы оптической фокусировки света, поэтому пока их практическое применение не оправдано.
Для решения этой проблемы американские материаловеды под руководством Юя Гуйхуа (Guihua Yu) из Техасского университета в Остине предложили использовать в качестве материала солнечного генератора пара наноструктурированный гидрогель с иерархической системой пор из поливинилового спирта и полипиррола. Полученный учеными материал не только содержит сложную систему пор, состоящую из широких миллиметровых полостей, микрометровых каналов и нанометровых пор между полимерными молекулами, но и способен поглощать практически весь солнечный свет в видимой и инфракрасной областях спектра.
По замыслу ученых, состоящий из такого гидрогеля генератор пара плавает по поверхности воды, поэтому поглощение света приводит к нагреванию наружной поверхности материала и испарению воды в нанопорах. За счет иерархической системы каналов в эти поры из резервуара непрерывно подводится все новая вода, при этом из-за неравномерного разогрева материала практически полностью удается подавить разогрев воды в резервуаре, так что вся солнечная энергия идет только на испарение.
Измерения эффективности разработанного прототипа солнечного генератора пара показали, что на испарение идет до 94 процентов энергии падающего на поверхность материала солнечного света, что приводит к получению до 3,2 килограммов пара с одного квадратного метра поверхности в час. Кроме того, такой материал способен и на долговременную работу: по словам ученых, за день с квадратного метра поверхности соленой воды можно получить от 18 до 23 литров опресненной воды.
Ученые утверждают, что предложенный ими метод можно использовать для очистки и опреснения практически любой воды (например, он был проверен на воде из Мертвого моря), при этом он значительно эффективнее и дешевле практически всех современных способов дистилляции.
Другим перспективным материалом для очистки воды от растворенных в ней солей считаются двумерные материалы. Опреснять воду солнечным светом предлагают, например, с помощью оксида графена. Также графеновые мембраны позволяют увеличить прочность таких устройств. Еще более перспективным материалом для создания опресняющих воду мембран называют и другой двумерный материал — дисульфид молибдена.
Александр Дубов
При этом микропластик оказался не только сорбентом, но и источником активных частиц синглетного кислорода
Китайские экологи выяснили, что частицы микропластика в сочетании с УФ-фильтрами солнцезащитных средств способны усилить токсическое действие хрома. Микрочастицы полистирола не только сорбируют на себя свободные ионы хрома и его комплексы с компонентами УФ-фильтров, но и выступают источниками синглетного кислорода. Из-за этого хром переходит в степень окисления +6 и становится более токсичным. Результаты исследования опубликованы в журнале Environmental Science & Technology Letters. Микропластиком называют частицы пластика размером менее пяти миллиметров. Такие частицы уже обнаруживали в воде, воздухе, почве, а также в человеческой крови и плаценте. Ученые пока плохо понимают, насколько опасен для человека микропластик. Но уже точно известно, что микрочастицы пластика хорошо адсорбируют не только органические вещества, но и различные тяжелые металлы — например, медь и серебро. Сорбция металлов обычно ускоряется под действием солнечного света — частицы микропластика становится более гидрофильными, а на их поверхности появляется больше кислородных и гидроксильных групп, способных связываться с ионами металла. Кельвин Се-Инь Люн (Kelvin Sze-Yin Leung) из Политехнического Университета Гонконга и его коллеги решили выяснить, как ведут себя частицы микропластика при контакте с солями хрома и производными бензофенона. Бензофенон (дифенилкетон) и его производные — популярные компоненты органических солнцезащитных фильтров, они попадают в морскую воду, когда люди на пляже используют солнцезащитную косметику. Сначала ученые приготовили взвесь микрочастиц полистирола в воде. Они сравнивали два вида частиц — свежие и те, которые были предварительно обработаны ультрафиолетовым излучением. Затем к взвеси добавили раствор нитрата хрома Cr(NO3)3 и препараты солнцезащитных фильтров. В этом случае Люн и его коллеги тоже решили сравнить между собой четыре коммерчески доступных солнцезащитных фильтра на основе бензофенона — BP-1, BP-2, BP-3 и BP-8. Эксперимент проводили в темноте при постоянном перемешивании, в кислой среде (pH 4,5), чтобы предотвратить осаждение хрома. Через десять суток частицы микропластика отделили на стеклянном фильтре и исследовали методами масс-спектрометрии и ренгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Оказалось, что бензофенон и его производные облегчают сорбцию хрома на микрочастицы. Масса адсорбированного металла увеличивалась в 1,4 — 5,8 раз. Сорбция бензофенона на микрочастицы увеличивает их поверхностный отрицательный заряд, что тоже облегчает взаимодействие с положительно заряженными ионами хрома. Бензофенон, и орто-гидроксибензофенон могут также образовывать с хромом комплексы, которые сорбируются на микропластик лучше, чем свободные ионы хрома. Как и ожидалось, микрочастицы полистирола, обработанные УФ-излучением, сорбировали больше хрома, чем необработанные. Но интересно, что добавки бензофенона сделали этот эффект слабее, а с одним из препаратов даже наблюдался небольшой обратный эффект. Авторы объяснили это тем, что сорбция комплексов хрома происходит не так, как сорбция свободных ионов, и гидрофильность поверхности перестает иметь решающее значение. Подробнее изучив результаты рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, авторы заметили еще один интересный результат: до 60 процентов хрома на поверхности микрочастиц переходило из степени окисления +3 в степень окисления +6. В контрольных экспериментах с УФ-фильтрами, но без микрочастиц такого не происходило. Люн и его коллеги предположили, что частицы полистирола выступают источниками частиц синглетного кислорода и гидроксил-радикалов, которые инициируют окисление хрома. Впрочем, полный механизм всего процесса и роль в нем УФ-фильтров пока не до конца ясны. Авторы лишь отметили, что присутствие в фильтрах гидроксибензофенона ускоряет окисление хрома. Чтобы оценить, как меняется токсичность, ученые провели эксперименты с водорослями Chlorella vulgaris. Микрочастицы с сорбированным хромом и УФ-фильтрами влияли на жизнедеятельность водорослей негативно — авторы фиксировали потерю до двадцати процентов биомассы. При этом добавление такого же количества солей хрома, солей хрома с УФ-фильтрами, или микрочастиц без хрома было менее вредно (потеря биомассы менее пяти процентов). Авторы объяснили это более высокой токсичностью Cr6+, для образования которого нужны все три компонента. Авторы предполагают, что схожие процессы могут происходить и с другими органическими загрязнениями (например, антибиотиками) и другими тяжелыми металлами. В прошлом месяце мы писали о работе французских экологов, которые изучали синтетические и натуральные микроволокна в водах Средиземного моря. Оказалось, что они содержат почти 200 видов различных бактерий, некоторые из которых патогенны для людей. А проверить свои знания о микропластике можно, пройдя наш тест.