По данным Организации Объединенных Наций, 2,1 миллиарда человек не имеют доступа к безопасно управляемым услугам питьевой воды, большинство из которых проживает в развивающихся странах.
Профессора биомедицинской инженерии и химической инженерии Университета Карнеги-Меллона Боб Тилтон и Тодд Пжибисьен недавно написали статью в соавторстве с доктором философии. студенты Бриттани Нордмарк и Тони Бехтел, а также выпускник Джон Райли, продолжая совершенствовать процесс, который вскоре может помочь обеспечить чистой водой многих жителей регионов с дефицитом воды. Процесс, созданный бывшей ученицей и соавтором Тилтона Стефани Велегол, использует песок и растительные материалы, доступные во многих развивающихся странах, для создания дешевой и эффективной среды для фильтрации воды, называемой «f-sand»."
"F-sand" использует белки из растения Moringa oleifera, дерева, произрастающего в Индии, которое хорошо растет в тропическом и субтропическом климате. Дерево выращивают для производства продуктов питания и натуральных масел, а семена уже используются для элементарной очистки воды. Однако этот традиционный способ очистки оставляет большое количество растворенного органического углерода (РОУ) в семенах, что позволяет бактериям восстановиться уже через 24 часа. Это оставляет только короткое окно, в котором вода пригодна для питья.
Велегол, который в настоящее время является профессором химического машиностроения в Университете штата Пенсильвания, придумал объединить этот метод очистки воды с методами фильтрации через песок, распространенными в развивающихся районах. Извлекая белки семян и адсорбируя (прикрепляя) их к поверхности частиц кремнезема, основного компонента песка, она создала f-песок. F-песок убивает микроорганизмы и снижает мутность, прилипая к твердым частицам и органическим веществам. Эти нежелательные загрязняющие вещества и DOC затем можно вымыть, оставив воду чистой на более длительный срок, а фторсодержащий песок готов к повторному использованию.
Несмотря на то, что основной процесс был проверен и эффективен, оставалось еще много вопросов, связанных с созданием и использованием f-sand - вопросы, на которые Тилтон и Пшибисьен решили ответить.
Повысит ли эффективность f-sand выделение определенных белков из семян M. oleifera? Важны ли жирные кислоты и масла, содержащиеся в семенах, для процесса адсорбции? Какое влияние окажут водные условия? Какая концентрация белков необходима для создания эффективного продукта?
Ответы на эти вопросы могут иметь большое значение для будущего f-sand.
Фракционирование
Семя M. oleifera содержит не менее восьми различных белков. Разделение этих белков, процесс, известный как фракционирование, представляет собой еще один этап процесса. До своего исследования авторы предположили, что выделение определенных белков может обеспечить более эффективный готовый продукт.
Однако в ходе тестирования Тилтон и Пшибициен обнаружили, что это не так. Фракционирование белков не оказало заметного влияния на способность белков адсорбироваться на частицах кремнезема, а это означает, что этот шаг был ненужным для процесса создания f-песка.
Вывод о том, что фракционирование не требуется, особенно выгоден для сценария с дефицитом ресурсов, в котором предполагается использовать f-песок. Исключение этого шага из процесса помогает сократить расходы, снизить требования к обработке и упростить весь процесс.
Жирные кислоты
Одной из основных причин, по которой M. oleifera культивируется в настоящее время, являются жирные кислоты и масла, содержащиеся в семенах. Они извлекаются и продаются на коммерческой основе. Tilton и Przybycien интересовались, влияют ли эти жирные кислоты на процесс адсорбции белка.
Они обнаружили, что, как и фракционирование, удаление жирных кислот мало влияет на способность белков к адсорбции. Этот вывод также имеет полезные последствия для тех, кто хочет внедрить этот процесс в развивающихся регионах. Поскольку присутствие или отсутствие жирных кислот в семенах мало влияет на образование или функцию f-песка, жители региона могут собирать и продавать ценное с коммерческой точки зрения масло и при этом извлекать белки из оставшихся семян для фильтрация воды.
Концентрация
Другим параметром процесса производства фтористого песка, который тестировали Тилтон и Пшибисьен, была концентрация белков семян, необходимая для создания эффективного продукта. Необходимая концентрация оказывает большое влияние на требуемое количество семян, что, в свою очередь, напрямую влияет на общую эффективность и рентабельность.
Ключом к достижению правильной концентрации является наличие достаточного количества положительно заряженных белков для преодоления отрицательного заряда частиц кремнезема, к которым они прикреплены, создавая чистый положительный заряд. Этот положительный заряд имеет решающее значение для привлечения отрицательно заряженных органических веществ, твердых частиц и микробов, загрязняющих воду.
Это относится к другому потенциальному улучшению очистки питьевой воды, исследованному Tilton, Przybycien и Nordmark в отдельной публикации. В этом проекте они использовали белки семян для коагуляции загрязняющих веществ в воде перед фильтрацией фтористого песка. Это также зависит от контроля заряда загрязняющих веществ, которые коагулируют при нейтрализации. Применение слишком большого количества протеина может привести к избыточному заряду загрязняющих веществ и препятствовать коагуляции.
«Посередине есть своего рода сладкое пятно, - говорит Тилтон, - и оно заключается в деталях того, как различные белки в этих белковых смесях семян конкурируют друг с другом за адсорбцию на поверхности, которая, как правило, расширить это приятное место."
Этот широкий диапазон концентраций означает, что не только процессы очистки воды могут быть созданы при относительно низких концентрациях, тем самым сохраняя материалы, но и что существует небольшой риск случайного загрязнения воды при превышении концентрации. В областях, где точные измерения могут быть затруднены, это имеет решающее значение.
Жесткость воды
Жесткость воды относится к количеству растворенных минералов в воде. Хотя в лабораториях часто используется деионизированная вода, в процессе, предназначенном для применения в различных реальных средах, исследователи должны быть готовы к условиям как мягкой, так и жесткой воды.
Tilton и Przybycien обнаружили, что белки способны хорошо адсорбироваться на частицах кремнезема и коагулировать взвешенные загрязняющие вещества как в условиях мягкой, так и в жесткой воде. Это означает, что этот процесс потенциально может быть применим во многих регионах, независимо от жесткости воды.
Tilton и Przybycien недавно опубликовали статью об этом исследовании «Адсорбция белка семян Moringa oleifera на силикагеле: влияние жесткости воды, фракционирования и экстракции жирных кислот» в ACS Langmuir.
В целом выводы, к которым смогли прийти Тилтон, Пшибисьен и их коллеги-авторы, имеют большие преимущества для тех, кто в развивающихся странах ищет дешевую и легкодоступную форму очистки воды. Их работа приближает эту инновацию еще на один шаг к практическому применению, помогая проложить путь, по которому в один прекрасный день f-sand будет использоваться в сообществах по всему развивающемуся миру. Они показали, что процесс производства фтористого песка демонстрирует высокую степень гибкости, поскольку он может работать в различных условиях воды и концентрации белка, не требуя присутствия жирных кислот или необходимости фракционирования..
«Это та область, где сложность может привести к неудаче - чем она сложнее, тем чаще что-то может пойти не так», - говорит Тилтон. «Я думаю, суть в том, что это подтверждает идею о том, что более простая технология может быть лучше».