Secondo le Nazioni Unite, 2,1 miliardi di persone non hanno accesso a servizi di acqua potabile gestiti in sicurezza, la maggior parte dei quali vive in paesi in via di sviluppo.

I professori di ingegneria biomedica e ingegneria chimica della Carnegie Mellon University, Bob Tilton e Todd Przybycien, sono stati recentemente co-autori di un articolo con il dottorato di ricerca. studenti Brittany Nordmark e Toni Bechtel, e l'alunno John Riley, raffinare ulteriormente un processo che potrebbe presto contribuire a fornire acqua pulita a molti nelle regioni con scarsità d'acqua. Il processo, creato da Stephanie Velegol, ex studentessa e co-autrice di Tilton, utilizza sabbia e materiali vegetali facilmente disponibili in molte nazioni in via di sviluppo per creare un mezzo di filtrazione dell'acqua economico ed efficace, chiamato "f-sabbia".

"F-sand" utilizza le proteine ​​della pianta Moringa oleifera, un albero originario dell'India che cresce bene nei climi tropicali e subtropicali. L'albero è coltivato per il cibo e gli oli naturali, ei semi sono già utilizzati per una sorta di rudimentale depurazione dell'acqua. Però, questo metodo tradizionale di purificazione lascia elevate quantità di carbonio organico disciolto (DOC) dai semi, permettendo ai batteri di ricrescere dopo appena 24 ore. Questo lascia solo una breve finestra in cui l'acqua è potabile.

Velegol, che ora è professore di ingegneria chimica alla Penn State University, ha avuto l'idea di combinare questo metodo di purificazione dell'acqua con metodi di filtrazione a sabbia comuni nelle aree in via di sviluppo. Estraendo le proteine ​​del seme e adsorbendole (aderendo) alla superficie delle particelle di silice, il componente principale della sabbia, ha creato f-sand. La sabbia F uccide i microrganismi e riduce la torbidità, aderente al particolato e alla materia organica. Questi contaminanti indesiderati e DOC possono quindi essere lavati via, lasciando l'acqua pulita più a lungo, e la f-sand pronta per il riutilizzo.

Sebbene il processo di base fosse collaudato ed efficace, c'erano ancora molte domande sulla creazione e l'uso di f-sand, domande a cui Tilton e Przybycien hanno deciso di rispondere.

L'isolamento di determinate proteine ​​dai semi di M. oleifera aumenterebbe l'efficacia di f-sand? Gli acidi grassi e gli oli presenti nei semi sono importanti per il processo di adsorbimento? Che effetto avrebbero le condizioni dell'acqua? Quale concentrazione di proteine ​​è necessaria per creare un prodotto efficace?

Le risposte a queste domande potrebbero avere grandi implicazioni sul futuro di f-sand.

frazionamento

Il seme di M. oleifera contiene almeno otto diverse proteine. Separando queste proteine, un processo noto come frazionamento, introdurrebbe un altro passo nel processo. Prima della loro ricerca, gli autori hanno teorizzato che l'isolamento di determinate proteine ​​potrebbe fornire un prodotto finito più efficiente.

Però, attraverso il corso dei test, Tilton e Przybycien hanno scoperto che non era così. Il frazionamento delle proteine ​​ha avuto un effetto poco visibile sulla capacità delle proteine ​​di adsorbire le particelle di silice, il che significa che questo passaggio non era necessario per il processo di creazione di f-sand.

La scoperta che il frazionamento non è necessario è particolarmente vantaggiosa per lo scenario di scarsità di risorse in cui si intende utilizzare f-sand. Lasciare questo passaggio fuori dal processo aiuta a ridurre i costi, minori requisiti di lavorazione, e semplificare l'intero processo.

Acidi grassi

Uno dei motivi principali per cui la M. oleifera viene attualmente coltivata è per gli acidi grassi e gli oli che si trovano nei semi. Questi vengono estratti e venduti commercialmente. Tilton e Przybycien erano interessati a sapere se questi acidi grassi avessero un effetto anche sul processo di adsorbimento delle proteine.

Hanno scoperto che molto simile al frazionamento, la rimozione degli acidi grassi ha avuto scarso effetto sulla capacità di assorbimento delle proteine. Questa scoperta ha anche implicazioni benefiche per coloro che desiderano implementare questo processo nelle regioni in via di sviluppo. Poiché la presenza o l'assenza di acidi grassi nei semi ha scarso effetto sulla creazione o sulla funzione di f-sabbia, le persone nella regione possono rimuovere e vendere l'olio di valore commerciale, ed essere ancora in grado di estrarre le proteine ​​dai semi rimanenti per la filtrazione dell'acqua.

Concentrazione

Un altro parametro del processo di produzione della sabbia f che Tilton e Przybycien hanno testato era la concentrazione di proteine ​​del seme necessarie per creare un prodotto efficace. La concentrazione necessaria ha un impatto importante sulla quantità di semi richiesta, che a sua volta ha un effetto diretto sull'efficienza complessiva e sull'efficacia dei costi.

La chiave per raggiungere la corretta concentrazione è garantire che ci siano abbastanza proteine ​​caricate positivamente per superare la carica negativa delle particelle di silice a cui sono attaccate, creando una carica netta positiva. Questa carica positiva è fondamentale per attirare la materia organica caricata negativamente, particolato, e microbi che contaminano l'acqua.

Ciò si riferisce a un altro potenziale miglioramento del trattamento dell'acqua potabile studiato da Tilton, Przybycien, e Nordmark in una pubblicazione separata. In questo progetto, hanno usato proteine ​​di semi per coagulare i contaminanti nell'acqua prima della filtrazione con sabbia. Ciò si basa anche sul controllo della carica dei contaminanti, che coagulano quando vengono neutralizzati. L'applicazione di troppe proteine ​​può sovraccaricare i contaminanti e inibire la coagulazione.

"C'è una specie di punto debole nel mezzo, "dice Tilton, "e sta nei dettagli di come le diverse proteine ​​in queste miscele proteiche di semi competono tra loro per l'adsorbimento in superficie, che tendeva ad ampliare quel punto debole."

Questa ampia gamma di concentrazioni significa che non solo è possibile creare processi di trattamento delle acque a concentrazioni relativamente basse, conservando così i materiali, ma che c'è poco rischio di causare accidentalmente contaminazione dell'acqua superando la concentrazione. Nelle aree in cui le misurazioni esatte possono essere difficili da effettuare, questo è cruciale.

Durezza dell'acqua

La durezza dell'acqua si riferisce alla quantità di minerali disciolti nell'acqua. Sebbene i laboratori utilizzino spesso acqua deionizzata, in un processo pensato per essere applicato in una vasta gamma di ambienti del mondo reale, i ricercatori devono prepararsi per condizioni di acqua dolce e dura.

Tilton e Przybycien hanno scoperto che le proteine ​​erano in grado di assorbire bene le particelle di silice, e per coagulare i contaminanti in sospensione, sia in condizioni di acqua dolce che dura. Ciò significa che il processo potrebbe essere potenzialmente praticabile in un'ampia gamma di regioni, indipendentemente dalla durezza dell'acqua.

Tilton e Przybycien hanno recentemente pubblicato un articolo su questa ricerca, "Adsorbimento delle proteine ​​dei semi di Moringa oleifera alla silice:effetti della durezza dell'acqua, frazionamento, ed estrazione di acidi grassi, " in ACS Langmuir .

Globale, le conclusioni che Tilton, Przybycien, ei loro colleghi autori sono stati in grado di ottenere grandi benefici per coloro che nei paesi in via di sviluppo cercano una forma economica e facilmente accessibile di purificazione dell'acqua. Il loro lavoro avvicina questa nuova innovazione al campo, aiutando a forgiare il percorso che un giorno potrebbe vedere f-sand schierato nelle comunità in tutto il mondo in via di sviluppo. Hanno dimostrato che il processo di produzione di f-sand mostra un alto grado di flessibilità, in quanto è in grado di lavorare in una gamma di condizioni dell'acqua e concentrazioni proteiche senza richiedere la presenza di acidi grassi o necessità di frazionamento.

"È un'area in cui la complessità potrebbe portare al fallimento:più è complessa, più modi in cui qualcosa potrebbe andare storto, " dice Tilton. "Penso che la linea di fondo sia che questo supporta l'idea che la tecnologia più semplice potrebbe essere la migliore".