Wasser ist lebensnotwendig, aber fast 2.1 Milliarden Menschen - über 28 Prozent der Weltbevölkerung - haben keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser, warnen die Vereinten Nationen.

Allein diese Krise verursacht mehr Todesfälle pro Jahr als Gewalt oder Krieg und ist so drastisch, dass jedes Kind an einer wasserbedingten Krankheit stirbt, die zu einer Krankheit führt dringender Handlungsbedarf.

Glücklicherweise haben biomedizinische Ingenieure und Chemieingenieure der Carnegie Mellon University (CMU) eine Lösung.

Ihre Methode liegt in den Eigenschaften eines Samens.

Sie verwenden Sand und Pflanzenmaterialien, die in vielen Entwicklungsländern leicht erhältlich sind - eine Idee von Stephanie Velegol, eine ehemalige CMU-Doktorandin und jetzt Professorin für Chemieingenieurwesen an der Penn State University, die sie „F-Sand- um ein billiges und effektives Wasserfiltermedium zu entwickeln.

Die Forschung ist in der Zeitschrift verfügbar ACS Langmuir.

Was ist F-Sand?

F-Sand verwendet Samenproteine ​​der Moringa oleifera-Pflanze, einem in Indien heimischen Baum, der in tropischen und subtropischen Klimazonen gut wachsen kann. Typischerweise wird der Baum wegen seiner kommerziell wertvollen Nahrungsmittel und Öle kultiviert, und die Samen wurden für eine Art minderwertigen Wasseraufbereitungsprozesses verwendet.

Diese rudimentäre Reinigung hinterlässt jedoch große Mengen an gelöstem organischem Kohlenstoff aus den Samen, wodurch Bakterien in nur 24-Stunden nachwachsen können - was zu einem drastisch kurzen Zeitraum führt, in dem das Wasser trinkbar ist.

Um dieses Problem zu umgehen, hatte Velego die Idee, diese Methode mit Sandfiltrationstechniken zu kombinieren, die in Entwicklungsgebieten üblich sind.

Dies liegt daran, dass f-Sand vollständig auf der Idee basiert, dass sich entgegengesetzte elektrische Ladungen anziehen, erklärt Bob Tilton, der Chevron-Professor für Chemieingenieurwesen und Biomedizintechnik an der CMU.

„Sand ist meist negativ geladen. Die Proteine ​​aus den Samen von Moringa oleifera sind positiv geladen, und die meisten der suspendierten Verunreinigungen (suspendierter Ton oder andere mineralische Partikel, Bakterien, die natürlicherweise in der Umwelt vorhandenes organisches Material zersetzen), die aus dem Wasser entfernt werden müssen, um es trinkbar zu machen, sind negativ geladen. " er sagte.

So funktioniert's

Zur Vorbereitung von f-Sand, erklärte Tilton, werden die wasserlöslichen Proteine ​​zuerst aus den Samen extrahiert, indem sie zerkleinert und in Wasser getränkt werden. Die resultierende Lösung wird dann in eine sehr dicke, feuchte Mischung aus Sand und Wasser gegossen, die als Aufschlämmung bezeichnet wird.

Zu diesem Zeitpunkt zieht die negative Sandladung die positive Proteinladung an, wodurch die Proteine ​​am Sand haften bleiben und anschließend „F-Sand“ bilden. Das überschüssige Wasser kann dann abgelassen und der F-Sand eingegossen werden in eine Spalte.

Die Säule kann aus Materialien wie einem PVC-Rohr mit Maschen am Boden oder sogar einem Stück Bambus bestehen, sagte Tilton.

Um dann den f-Sand zu verwenden, würde man einfach Wasser durch die Säule gießen, und die negativ geladenen Verunreinigungen würden an den positiv geladenen Proteinen auf den Sandkörnern haften bleiben, wodurch ein einfaches und einfallsreiches Filtrationssystem geschaffen wird.

"Stephanies Idee war, dass man, wenn man die Proteine, die die Verunreinigungen zusammenballen, auf Sand beschränken könnte (und die Ladung von Sand und Proteinen kennt) und dann den Sand abspült, die restlichen organischen Verbindungen drastisch reduzieren könnte, um ein erneutes Wachstum von Mikroben zu verhindern." sagte Tilton.

Untersuchung von Fettsäuren

Obwohl sich der grundlegende Prozess als effektiv erwiesen hat, hatten die Forscher immer noch viele Fragen zur Erstellung und Verwendung von f-sand - Fragen, die Tilton und er stellten Todd Przybycien, Professor für Chemieingenieurwesen an der CMU, wollte antworten.

Zum einen wollten die Ingenieure wissen, ob die Fettsäuren und Öle - die kommerziell wertvollen Aspekte von Moringa oleifera - eine Rolle beim Proteinabsorptionsprozess spielen.

Insgesamt stellten sie fest, dass die Entfernung der Fettsäuren nur einen geringen Einfluss auf die Proteinaufnahme hat, was bedeutet, dass die Menschen in der Region die wertvollen Öle entfernen und verkaufen können, während sie weiterhin in der Lage sind, die Proteine ​​zur Wasserfiltration zu extrahieren.

Konzentrationsstufen

Darüber hinaus wollten die Forscher verstehen, welche Konzentration von Samenproteinen erforderlich ist, um ein wirksames Produkt herzustellen.

Mit anderen Worten, die Forscher mussten sicherstellen, dass genügend positiv geladene Proteine ​​vorhanden waren, um die negative Ladung der Sandpartikel zu überwinden, um eine positive Nettoladung zu erzeugen.

Dies ist entscheidend, damit F-Sand funktioniert.

Das Team verwendete eine Technik, die als „Messung des Strömungspotentials“ bezeichnet wurde, um zu bestimmen, wie die Ladung auf dem Sand von der Menge an Protein auf der Oberfläche abhängt.

Insgesamt stellten die Forscher fest, dass nur sehr geringe Konzentrationen erforderlich waren, um die Ladung von negativ auf positiv umzuschalten, was es den Menschen ermöglicht, das Pflanzenmaterial zu schonen.

Darüber hinaus haben sie verschiedene Wassergehalte gemessen, um festzustellen, ob die Filtrationstechnik ein hohes Maß an Flexibilität aufweisen kann.

„Die Menge an Protein, die an einer Oberfläche adsorbiert wird, wird direkt durch die Proteinkonzentration in der Masse des Wassers gesteuert, das die Oberfläche badet. Wir haben die Beziehung zwischen der adsorbierten Menge und der Grundwasserkonzentration für verschiedene Wasserzusammensetzungen gemessen, die weiches, mäßig hartes und hartes Wasser darstellen, um die große Variation des natürlichen Wassergehalts zu erfassen “, sagte Tilton.

Tilton und Przybycien stellten fest, dass Proteine ​​in der Lage sind, sowohl unter weichen als auch unter harten Wasserbedingungen gut Sand zu absorbieren. Dies zeigt, dass der Filtrationsprozess in einer Vielzahl von Regionen eingesetzt werden kann.

Der nächste Schritt

Bisher wurde die Forschung von Velegol in Ruanda getestet, und Tiltons Team führt derzeit Tests durch, um die niedrigsten Proteinkonzentrationen zu bestimmen, die mit F-Sand funktionieren würden, sowie die Grenzen der Leistung von F-Sand.

"Wir testen derzeit, wie kleine Änderungen der Sandbedeckung durch Protein die Leistung von f-Sand-Säulen verändern, um das trübe Wasser des Modells zu klären - um wirklich zu sehen, wie robust der Prozess ist, wenn Menschen mit den niedrigsten Proteinkonzentrationen arbeiten", sagte Tilton . "Wir testen auch, um die Grenzen der Leistung von F-Sand herauszufinden - zum Beispiel, um festzustellen, ob das Vorhandensein hoher Konzentrationen organischer Substanzen im Quellwasser den F-Sand überfordern und seine Fähigkeit, suspendierte Feststoffe zu entfernen, beeinträchtigen könnte."

Obwohl sie keine wirtschaftliche Analyse durchgeführt haben, glauben die Forscher, dass der Überfluss an Moringa F-Sand ziemlich erschwinglich macht.

„Moringa wächst gut in tropischen Regionen mit sandigem Boden. Wo immer man den Baum wachsen lässt, ist auch viel Sand verfügbar (und der Sand kann durch Abwaschen mit einer Salzlösung wiederverwendet werden) “, sagte Tilton. „Moringa ist auch ein sehr schnell wachsender Baum. Eine gute Sache an der Tatsache, dass sehr niedrige Proteinkonzentrationen ausreichen, um die Sandladung von negativ auf positiv umzuschalten, ist, dass sie die Saatgutressource im Prinzip weiter fördern kann. “

Tilton erklärte, dass f-sand von lokalen Benutzern leicht angepasst werden kann, da die Technik nur wenige Werkzeuge und relativ einfache Arbeiten erfordert.

"Systeme könnten so eingerichtet werden, dass sie auf einer sehr lokalisierten Ebene funktionieren, wahrscheinlich sogar auf der Ebene einzelner Haushalte", sagte er.

Die Forschung bringt diese neuartige Technologie als relativ kostengünstige Technik, die Gemeinden auf der ganzen Welt sauberes Wasser bringen könnte, ein Stück näher ans Feld.