Entro il 2025 si prevede che quasi 2 miliardi di persone vivranno in aree con scarsità d'acqua. Queste proiezioni indicano la necessità di tecnologie avanzate di trattamento delle acque e delle acque reflue per fornire opzioni per una domanda idrica sempre crescente.

Uno dei passaggi nella decontaminazione dell'acqua è la filtrazione, per rimuovere gli agenti patogeni nocivi come i batteri, virus e altre particelle indesiderate. I progetti di ricerca in corso presso la Texas A&M University si stanno basando su lavori precedenti per migliorare i metodi di filtrazione al fine di fornire acqua potabile pulita.

Dottor Shankar Chellam, J. Walter "Deak" Porter '22 &James W. "Bud" Porter '51 Professore al Dipartimento di Ingegneria Civile di Zachry, ha recentemente ricevuto due sovvenzioni dalla National Science Foundation per risolvere i problemi di filtrazione. Uno, un progetto in collaborazione con la dott.ssa Ruth Baltus della Clarkson University, cerca di comprendere i fattori che consentono particelle più complesse come i virus attraverso la membrana del filtro. L'altro, un progetto in collaborazione con il Dr. Nick Cogan della Florida State University, è determinare una soluzione per eliminare l'intasamento associato di questi filtri.

Prevenire la contaminazione da virus dell'acqua potabile è di fondamentale importanza per la salute pubblica. Mentre tecnologie come la micro e l'ultrafiltrazione possono rimuovere direttamente i parassiti difficili da disinfettare, come Giardia e Cryptosporidium, insieme alla maggior parte dei batteri e altri materiali, questi metodi non sono efficaci nella rimozione di virus e alcuni batteri. I precedenti modelli di filtrazione consideravano particelle di forma più semplice, come sfere e capsule. Con quelle forme in mente, i filtri sono stati progettati per fornire il massimo tasso di rigetto. Però, virus e batteri sono disponibili in molte forme e dimensioni. Alcuni hanno anche una "testa" e una "coda" che possono dare loro un vantaggio nello scivolare attraverso il filtro.

"Pensa al filtro come a un percorso a ostacoli, " ha detto Chellam. "La maggior parte dei contaminanti vengono respinti mentre passano attraverso il filtro. Però, alcuni sono in grado di manovrare attraverso il filtro grazie a una forma più flessibile o alla capacità di deformarsi o rompersi."

Quando viene utilizzato un filtro, si incrosta di particelle. Le attuali risposte di disostruzione per rigenerare il filtro comportano un costo elevato in termini di tempo, spese di manodopera o materiali.

Una soluzione primaria che il team sta perseguendo è quella di solidificare o raggruppare i virus, aumentandone le dimensioni per filtrarli meglio, che influisce contemporaneamente sulla quantità di intasamento del filtro. In risposta al problema di intasamento, il team prevede di studiare un processo di controlavaggio per eliminare il filtro intasato. Il team invertirà periodicamente la direzione del flusso d'acqua per rimuovere le particelle originariamente depositate sulla superficie del filtro. I risultati del lavoro del team saranno utili alle comunità di trattamento delle acque municipali e industriali dove queste soluzioni ridurrebbero i costi di capitale ed energetici.

Il team studierà anche i meccanismi alla base dei virus che passano attraverso i pori del filtro. Anche se questa parte del lavoro potrebbe non offrire una soluzione al problema, aggiungerà alla comprensione fondamentale della mobilità e della filtrazione del virus. Questo particolare progetto si concentrerà sul modo migliore per ostacolare particelle di forma diversa, come virus a coda, virus filamentosi flessibili e batteri deformabili, attraverso le membrane.

Un aspetto importante della ricerca è che gli esperimenti saranno progettati per imitare sistemi complessi che rappresentano sistemi del mondo reale. Attraverso sforzi sperimentali e teorici integrati, il team si sforza di sviluppare una migliore comprensione dei fattori che consentono alle particelle di essere trasportate attraverso i filtri.

Una volta che i metodi ricercati si dimostrano efficaci e indicano una vera comprensione di come vengono filtrati gli agenti patogeni, quindi le membrane filtranti possono essere implementate in modo ottimale. Se e quando lo sono, funzioneranno meglio di quelli esistenti, filtri a sabbia convenzionali per migliorare la salute pubblica e prevenire la contaminazione nei processi industriali e biotecnologici. Ciò eliminerà la necessità di adottare l'approccio conservativo di utilizzare un filtro a membrana più stretto con pori molto piccoli che aumenta inutilmente il costo.

Queste due sovvenzioni hanno anche implicazioni per la purificazione dell'acqua "distribuita", che descrive il trattamento in loco piuttosto che un trattamento centralizzato, per esempio in situazioni di emergenza dopo uragani o inondazioni. Sebbene la tecnologia di filtrazione a membrana non sia ancora molto diffusa a causa dei costi relativamente elevati e della mancanza di un sistema semplificato, metodo adottabile, una conclusione positiva della ricerca consentirà di implementare più tecnologia avanzata per applicazioni municipali e industriali.

I risultati generati da questo progetto saranno importanti per una progettazione più ottimale di sistemi di micro e ultrafiltrazione e per applicazioni pratiche relative al trattamento dell'acqua e delle acque reflue e al cibo, operazioni biotecnologiche e farmaceutiche. Gli impatti educativi più ampi includono lo sviluppo di attività di divulgazione scientifica orientate alla scienza, tecnologia, ingegneria e matematica (STEM) nell'istruzione primaria.