Гидрогель со структурой люфы очистил воду в четыре раза быстрее

Американские материаловеды создали гидрогель с открытопористой структурой, подобной люфе - материалу из мякоти одноименного тропического растения. Фильтр на основе такого гидрогеля может очищать воду от масла, металлов и микропластика в четыре раза быстрее, чем в случае обычного гидрогеля. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Central Science.

С проблемой недостатка чистой воды сегодня сталкиваются два из трех жителей планеты, а изменение климата может сделать ситуацию еще более острой. Ученые постоянно ищут новые способы очистки воды, пытаясь сделать материалы для фильтров максимально доступными, а сам процесс – быстрым и простым.

Один из таких способов – использование термочувствительных гидрогелей. Такой материал сделан из сшитых между собой цепочек гидрофильного полимера. При погружении в воду гидрогель быстро набухает, впитывая в себя большие объемы воды (до 500 процентов от начального объема). Загрязнения при этом или вовсе не проникают в гидрогель или проникают с гораздо меньшей скоростью. А для извлечения воды достаточно нагреть гидрогель – при повышении температуры в нем происходит фазовый переход, из гидрофильного он становится гидрофобным, и поглощенная вода выталкивается наружу. Недавно ученые синтезировали гидрогели, в которых фазовый переход происходит уже при 32-33 градусах Цельсия. Такой температуры можно достичь нагреванием на Солнце, поэтому дополнительная энергия для очистки воды не потребуется.

Тем не менее, производительность гидрогелевых фильтров пока далека от оптимальной. На стадии извлечения первыми прогреваются и освобождаются от воды приповерхностные области материала. Высохший плотный слой становится препятствием для воды, выходящей из более глубоких слоев материала. Из-за этого скорость извлечения снижается, а значительная часть воды и вовсе остается запертой внутри фильтра.

Американские материаловеды под руководством Рудни Пристли (Rodney Priestley) из Принстонского Университета нашли способ справиться с этой проблемой. Они предположили, что для быстрого извлечения воды нужен гель с открытопористой структурой, в котором все поры связаны друг с другом и имеют выход к поверхности материала. Такую структуру имеет люфа.

Основу гидрогеля изготовили из термочувствительного поли(N-изопропилакриламида) (PNIPAm). Чтобы добиться нужной структуры, ученые экспериментировали с растворителями. Гидрогель, полученный из традиционного водного раствора мономеров, имеет преимущественно закрытопористую структуру – то есть поры в нем изолированы, и не все имеют выход к поверхности. Авторы добавляли к воде разные количества этиленгликоля – этот растворитель хорошо смешивается с водой, но плохо растворяет PNIPAm, и в результате полимерные волокна формируются быстрее и получаются более тонкими. Нужной открытопористой структуры удалось добиться при замене 67 процентов воды на этиленгликоль.

Чтобы фильтрация было эффективнее, к PNIPAm добавили еще два полимера: поли(сульфобетаин)метакрилат (PSBMA) и полидопамин (PDA). PSBMA – цвиттер-ионный полимер, то есть в его составе есть положительно и отрицательно заряженные фрагменты. На поверхности гидрогеля с добавками PSBMA образуется поляризованный слой воды, которая защищает материал от бактерий и от обрастания масляными пленками. А PDA связывает те загрязнители, которые все же впитались в гидрогель вместе с водой.

Подобрав оптимальный состав гидрогеля, ученые снизили температуру извлечения воды до 31 градуса Цельсия. Скорость извлечения получилась рекордной: 26,8 килограммов на квадратный метр в час. Это почти вчетверо больше, чем предыдущий результат для гидрогелевых фильтров, работающих от солнечного тепла.

За 5 минут облучения под ярким солнечным светом (1 киловатт на квадратный метр) открытопористый гель отдает около 70 процентов всей впитанной воды. Ученые внимательно изучали поверхность материала методами сканирующей электронной микроскопии и не заметили образования плотного приповерхностного слоя, который бы мешал извлечению воды из более глубоких слоев. Гидрогель с закрытопористой структурой за это время отдал лишь 3 процента воды – как раз из-за образования запирающего приповерхностного слоя.

Впрочем, новым фильтром можно будет пользоваться не только в жаркие и солнечные дни. Пристли и его коллеги провели испытания при интенсивности солнечного света в 0,75 и 0,5 киловатт на квадратный метр и также сумели извлечь из гидрогеля 70 процентов воды. Правда времени для этого потребовалось чуть больше – 15 и 20 минут соответственно.

Эксперименты подтвердили, что новый гидрогель может очистить воду от бактерий, органических красителей, солей металлов и частиц микропластика. Материал также пригоден для очистки воды от масла, в том числе – для разделения водно-масляных эмульсий. Авторы отмечают, что для достижения лучших результатов фильтр можно использовать повторно несколько раз. Например, после двукратного пропускания загрязненной солями хрома воды через фильтр, концентрация металла в воде снизилась до 0,07 миллионных долей.

В прошлом году мы писали о гигроскопичном материале на основе глюкоманнана – полисахарида из корней растения конняку. Этот материал улавливает воду из атмосферы, а затем отдает ее под действием солнечного тепла, так же, как и гидрогель Грэй и ее коллег. За сутки можно получить до 13,3 литра чистой воды на каждый килограмм сорбента.