Фильтры с веток деревьев, используемые для эффективной очистки питьевой воды

Инженеры Массачусетского технологического института разработали фильтр для воды, сделанный из поперечных сечений ветвей деревьев, который может фильтровать бактерии из загрязненной воды.

Фильтр использует естественные просеивающие способности ксилемы – тонких взаимосвязанных мембран, обнаруженных в заболонных ветвях сосны, гинкго и других нецветущих деревьев.

Команда инженеров Массачусетского технологического института исследовала естественную фильтрующую способность заболони и ранее успешно изготовила простые фильтры из очищенных поперечных сечений ветвей заболони.

Теперь та же команда усовершенствовала технологию и показала, что она работает в реальных ситуациях. Они изготовили новые ксилемные фильтры, которые могут отфильтровывать патогены, такие как  кишечная палочка  и ротавирус, в лабораторных тестах, и показали, что фильтр может удалять бактерии из загрязненных источников, водопроводных и грунтовых вод. Они также разработали простые методы для продления срока годности фильтров, позволяющие древесным дискам очищать воду после хранения в сухом виде не менее двух лет.

Исследователи перенесли свои методы в Индию, где они сделали фильтры ксилемы из местных деревьев и протестировали фильтры на местных пользователях. Основываясь на их отзывах, команда разработала прототип простой системы фильтрации, оснащенной сменными ксилемными фильтрами, которые очищают воду со скоростью один литр в час.

Их результаты, опубликованные в  Nature Communications , показывают, что ксилемные фильтры могут использоваться в общественных местах для удаления бактерий и вирусов из загрязненной питьевой воды.

Исследователи изучают возможности сделать ксилемные фильтры доступными в больших количествах, особенно в районах, где загрязненная питьевая вода является основной причиной болезней и смерти. Команда запустила веб-сайт с открытым исходным кодом с инструкциями по проектированию и изготовлению ксилемных фильтров из различных типов деревьев. Веб-сайт предназначен для поддержки предпринимателей, организаций и лидеров, которые знакомят с этой технологией более широкие сообщества и вдохновляют студентов на проведение собственных научных экспериментов с ксилемными фильтрами.

«Поскольку сырье широко доступно, а производственные процессы просты, можно представить себе участие сообществ в закупке, производстве и распространении ксилемных фильтров», – говорит Рохит Карник, профессор машиностроения и младший руководитель отдела образования Массачусетского технологического института. «В местах, где единственным вариантом было пить нефильтрованную воду, мы ожидаем, что ксилемные фильтры улучшат здоровье и сделают воду пригодной для питья».

Соавторами исследования Карника являются ведущий автор Критика Рамчандер и Люда Ван из отдела машиностроения Массачусетского технологического института, а также Мегха Хегде, Аниш Энтони, Кендра Лейт и Эми Смит из D-Lab Массачусетского технологического института.

Расчищая путь
В своих предыдущих исследованиях ксилемы Карник и его коллеги обнаружили, что естественная фильтрующая способность древесного материала также имеет некоторые естественные ограничения. По мере высыхания древесины сетчатые мембраны ветвей начали прилипать к стенкам, снижая проницаемость фильтра или способность пропускать воду. Фильтры также со временем «самоблокировались», накапливая древесную материю, которая забивала каналы.

Удивительно, но два простых метода лечения преодолели оба ограничения. Замачивая небольшие поперечные срезы заболони в горячей воде в течение часа, затем погружая их в этанол и давая им высохнуть, Рамчандер обнаружил, что материал сохраняет свою проницаемость, эффективно фильтруя воду, не забиваясь. Его фильтрацию также можно улучшить, настроив толщину фильтра в соответствии с его типом дерева.

Исследователи нарезали и обработали небольшие поперечные срезы белой сосны из веток вокруг кампуса Массачусетского технологического института и показали, что полученные фильтры сохраняют проницаемость, сравнимую с коммерческими фильтрами, даже после хранения до двух лет, что значительно продлевает срок хранения фильтров.

Исследователи также проверили способность фильтров удалять загрязнители, такие как  кишечная палочка  и ротавирус – наиболее частая причина диарейных заболеваний. Обработанные фильтры удалили более 99 процентов обоих загрязняющих веществ, уровень очистки воды соответствует категории «двухзвездочной комплексной защиты», установленной Всемирной организацией здравоохранения.

«Мы думаем, что эти фильтры могут разумно устранять бактериальные загрязнения», – говорит Рамчандер. «Но есть химические загрязнители, такие как мышьяк и фтор, эффект которых мы еще не знаем», – отмечает она.

Основы
Ободренные результатами, полученными в лаборатории, исследователи переехали для полевых испытаний своих разработок в Индию, страну, которая испытала самый высокий в мире уровень смертности от болезней, передающихся через воду, и где безопасная и надежная питьевая вода недоступна. более 160 миллионов человек.

Более двух лет инженеры, в том числе исследователи из D-Lab Массачусетского технологического института, работали в горных и городских районах при содействии местных НПО Himmotthan Society, Shramyog, Peoples Science Institute и Essmart. Они изготовили фильтры из местных сосен и протестировали их, а также фильтры, сделанные из деревьев гинкго в США, с местными источниками питьевой воды. Эти испытания подтвердили, что фильтры эффективно удаляют бактерии, обнаруженные в местной воде. Исследователи также провели интервью, фокус-группы и семинары по дизайну, чтобы понять текущую практику использования воды в местных сообществах, а также проблемы и предпочтения в отношении решений по очистке воды. Они также собрали отзывы о дизайне.

«Одна из вещей, которые очень высоко оценили люди, – это тот факт, что этот фильтр – натуральный материал, который все признают», – говорит Хегде. «Мы также обнаружили, что люди из семей с низкими доходами предпочитают платить меньшую сумму ежедневно, а не большую сумму реже. Это было препятствием для использования существующих фильтров, потому что стоимость замены была слишком высокой ».

Опираясь на информацию от более чем 1000 потенциальных пользователей по всей Индии, они разработали прототип простой системы фильтрации, снабженной резервуаром наверху, который пользователи могут заполнять водой. Вода стекает по трубке длиной 1 метр через ксилемный фильтр и выходит через носик с клапаном. Ксилемный фильтр можно менять ежедневно или еженедельно, в зависимости от потребностей домохозяйства.

Команда изучает способы производства ксилемных фильтров в более крупных масштабах, с использованием местных ресурсов и таким образом, чтобы побудить людей практиковать очистку воды как часть своей повседневной жизни – например, путем предоставления сменных фильтров по доступной цене с оплатой по факту. готовые пакеты.

«Фильтры Xylem изготавливаются из недорогих и широко доступных материалов, которые могут быть доступны в местных магазинах, где люди могут купить то, что им нужно, без предварительных вложений, как это типично для других картриджей для фильтров для воды», – говорит Карник. «На данный момент мы показали, что ксилемные фильтры обеспечивают реалистичную производительность».

Это исследование было частично поддержано лабораторией Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS) в Массачусетском технологическом институте и Центром технологий и дизайна Тата Массачусетского технологического института.

READ:   Reclamation объявляет о возможности финансирования технологии опреснения воды

Related Posts