Air adalah penting untuk kehidupan, tetapi hampir 2.1 bilion orang - lebih daripada 28 peratus penduduk dunia - kekurangan akses kepada air minuman yang selamat, Pertubuhan Bangsa-bangsa Bersatu memberi amaran.

Krisis ini semata-mata menyebabkan lebih banyak kematian setiap tahun daripada keganasan atau peperangan, dan begitu drastik sehingga setiap minit seorang anak meninggal akibat penyakit yang berkaitan dengan air, mengakibatkan keperluan mendesak untuk tindakan.

Nasib baik, jurutera bioperubatan dan jurutera kimia dari Carnegie Mellon University (CMU) mempunyai penyelesaian.

Kaedah mereka terletak pada sifat-sifat benih.

Mereka menggunakan bahan pasir dan tumbuhan yang didapati mudah didapati di banyak negara membangun - idea yang diilhamkan oleh Stephanie Velegol, bekas pelajar kedoktoran CMU dan kini seorang profesor kejuruteraan kimia di Penn State University, yang dia panggil "f-pasir"- untuk membangun medium penapisan air murah dan berkesan.

Penyelidikan ini boleh didapati dalam jurnal ACS Langmuir.

Apakah "pasir"?

F-pasir menggunakan protein benih dari kilang Moringa oleifera, pokok asli India yang boleh tumbuh dengan baik di iklim tropika dan subtropika. Biasanya, pokok itu ditanam untuk makanan dan minyaknya yang bernilai secara komersil, dan benih telah digunakan untuk jenis proses pembersihan air rendah.

Walau bagaimanapun, pembersihan asas ini meninggalkan jumlah karbon organik yang terlarut dari biji benih, yang membolehkan bakteria diperbaharui sedikit sebanyak jam 24 - meninggalkan bingkai masa yang agak pendek di mana air boleh diminum.

Untuk mengelakkan masalah ini, Velego mempunyai idea untuk menggabungkan kaedah ini dengan teknik penapisan pasir yang biasa terjadi di kawasan-kawasan yang sedang membangun.

Ini kerana f-pasir sepenuhnya berasaskan gagasan yang bertentangan dengan caj elektrik yang menarik, dijelaskan Bob Tilton, Profesor Chevron Kejuruteraan Kimia dan Kejuruteraan Bioperubatan di CMU.

"Pasir kebanyakannya dikenakan secara negatif. Protein dari biji Moringa oleifera adalah positif, dan kebanyakan bahan pencemar yang digantung (tanah liat yang digantung atau zarah mineral lain, bakteria, bahan organik yang terurai semula secara semulajadi yang terdapat di alam sekitar) yang harus dikeluarkan dari air untuk membuatnya boleh dicaj secara negatif, "Katanya.

Bagaimana ia berfungsi

Untuk mempersiapkan f-pasir, Tilton menjelaskan, protein larut air pertama diekstrak dari benih dengan menghancurkannya dan merendamnya di dalam air. Penyelesaian yang dihasilkan kemudian dicurahkan ke dalam campuran pasir dan air yang sangat tebal dan basah yang dipanggil buburan.

Pada masa ini, caj pasir negatif menarik kepada caj protein yang positif, menyebabkan protein melekat pada pasir, dan seterusnya, mencipta "pasir f". Air yang berlebihan kemudiannya boleh dikeluarkan dan pasir f boleh dicurahkan ke dalam lajur.

Lajur itu boleh diperbuat daripada bahan, seperti paip PVC dengan mesh di bahagian bawah, atau sekeping buluh, kata Tilton.

Kemudian, untuk menggunakan pasir f, satu hanya akan menuangkan air melalui lajur, dan bahan pencemar yang dicas negatif akan berpegang pada protein positif yang dikenakan pada biji pasir, mewujudkan sistem penapisan yang mudah dan cerdas.

"Idea Stephanie ialah jika anda dapat mengurungkan protein yang menggumpalkan bahan pencemar ke pasir (mengetahui tentang penahan pasir dan protein) dan kemudian bilas pasir, anda boleh menurunkan sebatian organik secara dramatik untuk mencegah pertumbuhan semula mikrob," Kata Tilton.

Menyiasat asid lemak

Walaupun proses asas terbukti berkesan, para penyelidik masih mempunyai banyak persoalan tentang penciptaan dan penggunaan f-sand - soalan-soalan yang Tilton dan Todd Przybycien, seorang profesor kejuruteraan kimia di CMU, cuba menjawab.

Untuk satu, para jurutera ingin mengetahui sama ada asid lemak dan minyak - aspek komersil berharga dari Moringa oleifera - memainkan peranan dalam proses penyerapan protein.

Secara keseluruhannya, mereka mendapati bahawa menghilangkan asid lemak tidak mempunyai kesan ke atas penyerapan protein, yang bermakna orang di rantau ini boleh mengeluarkan dan menjual minyak berharga ketika masih dapat mengekstrak protein untuk penapisan air.

Tahap konsentrasi

Di samping itu, para penyelidik ingin memahami apa yang harus dilakukan oleh protein benih yang diperlukan untuk menghasilkan produk yang berkesan.

Dalam erti kata lain, penyelidik perlu memastikan bahawa terdapat cukup protein yang dikenakan positif untuk mengatasi caj negatif zarah-zarah pasir, untuk menghasilkan caj positif bersih.

Ini adalah penting untuk f-pasir untuk bekerja.

Pasukan menggunakan teknik yang dikenali sebagai "pengukuran potensi aliran" untuk menentukan bagaimana caj di atas pasir bergantung kepada jumlah protein di permukaan.

Secara keseluruhannya, para penyelidik mendapati bahawa hanya kepekatan yang sangat kecil diperlukan untuk menukar caj dari negatif ke positif, yang akan membolehkan orang untuk memelihara bahan-bahan tumbuhan.

Di samping itu, mereka mengukur pelbagai kandungan air untuk menentukan sama ada teknik penapisan boleh memaparkan tahap fleksibiliti yang tinggi.

"Jumlah protein yang menyerap ke permukaan dikawal secara langsung oleh kepekatan protein dalam air 'besar' yang mandi permukaannya. Kami mengukur hubungan antara jumlah yang diserap dan kepekatan air pukal, untuk komposisi air yang berbeza yang mewakili air yang lembut, sederhana dan keras untuk cuba menangkap variasi yang luas dalam kandungan air semulajadi, "kata Tilton.

Tilton dan Przybycien mendapati bahawa protein dapat menyerap dengan baik ke pasir dalam keadaan air yang lembut dan keras, menggambarkan potensi proses penapisan untuk digunakan di pelbagai kawasan.

Langkah seterusnya

Setakat ini, penyelidikan telah diuji oleh Velegol di Rwanda, dan pasukan Tilton sedang menjalani ujian untuk menentukan kepekatan protein terendah yang akan berfungsi dengan pasir f, serta had prestasi f-pasir.

"Kami sedang menguji bagaimana pengubahan kecil dalam liputan pasir oleh protein mengubah prestasi lajur f-pasir untuk menjelaskan air keruh model - untuk benar-benar melihat bagaimana prosesnya yang mantap jika orang beroperasi pada kepekatan protein yang paling rendah," kata Tilton . "Kami juga menguji untuk mencari had prestasi f-pasir - contohnya, untuk mengetahui sama ada kehadiran kepekatan bahan organik yang tinggi di dalam sumber air boleh mengatasi pasir f dan menghalang keupayaannya untuk membuang pepejal terampai."

Walaupun mereka tidak melakukan analisis ekonomi, para penyelidik percaya bahawa kelimpahan Moringa akan menjadikan pasir f-agak berpatutan.

"Moringa tumbuh dengan baik di kawasan tropika dengan tanah berpasir. Oleh itu, di mana pun seseorang akan menanam pokok itu, terdapat juga banyak pasir yang boleh didapati (dan pasir boleh digunakan semula dengan membasuhnya dengan larutan garam), "kata Tilton. "Moringa juga merupakan pokok yang sangat cepat berkembang. Satu perkara yang baik tentang fakta bahawa kepekatan protein yang sangat rendah adalah cukup untuk menukar caj pasir dari negatif ke positif adalah bahawa pada dasarnya ia dapat menjadikan sumber benih lebih jauh. "

Selain itu, Tilton menjelaskan, f-pasir akan mudah disesuaikan dengan pengguna tempatan, kerana teknik itu memerlukan sedikit alat dan kerja yang agak mudah.

"Sistem boleh ditubuhkan untuk bekerja pada tahap yang sangat setempat, mungkin di peringkat isi rumah masing-masing," katanya.

Penyelidikan meletakkan teknologi novel ini satu langkah lebih dekat ke lapangan, sebagai teknik yang agak kos rendah yang boleh membawa air bersih kepada komuniti di seluruh dunia.