Apabila perubahan iklim, tahap pencemaran dan penduduk semakin meningkat, kemanusiaan berisiko mengurangkan sumber yang paling diperlukan - air tawar.

Isu ini sangat teruk oleh 2025, 1.8 bilion orang dijangka tinggal di kawasan yang mempunyai kekurangan air mutlak, dan ⅔ dunia boleh berada di bawah keadaan tekanan air, Pertubuhan Bangsa-Bangsa Bersatu memberi amaran.

Kekurangan air boleh menyebabkan kematian dan penyakit yang meluas, dan membawa kepada pergeseran ratusan juta orang di seluruh dunia.

Dalam artikel ini, kami menyerlahkan usaha baru-baru ini oleh beberapa universiti untuk menangani krisis air global.

Apakah kelangkaan air?

Kekurangan air boleh berlaku disebabkan kekurangan fizikal, kegagalan institusi untuk memastikan bekalan tetap, atau kekurangan infrastruktur yang mencukupi.

PBB melaporkan penggunaan air telah meningkat lebih dari dua kali ganda kadar kenaikan penduduk sejak abad yang lalu, yang mengakibatkan semakin banyak kawasan menghadapi kesulitan mendapatkan air dari sumber yang dapat dipercayai.

Memandangkan air tawar hanya mencecah kira-kira 2.5 peratus daripada bekalan air Bumi, kawasan di seluruh dunia bergelut untuk bersaing dengan tuntutan penduduk.

Kini terdapat 844 juta orang yang hidup tanpa akses kepada air bersih, yang menyebabkan lebih banyak kematian setiap tahun daripada keganasan atau peperangan.

Di manakah kita mendapat air kita?

Dari persentase 2.5 air tawar yang tersedia untuk penggunaan manusia, hanya kira-kira 1 peratus daripadanya mudah diakses, kerana kebanyakannya terperangkap dalam glasier dan salji.

Air bawah tanah merupakan sumber air tawar terbesar di dunia, dan membekalkan air minum kepada lebih daripada 50 peratus penduduk AS.

Sayangnya, disebabkan penambahan akuifer, air bawah tanah semakin berkurangan di banyak tempat di dunia, termasuk Amerika Syarikat akuifer adalah lapisan bawah tanah air-bearing batuan telap atau bahan longgar, seperti batu, pasir atau lumpur, dari mana air bawah tanah boleh dikeluarkan menggunakan air perigi.

Air bawah tanah sedang berkurangan dengan begitu cepat sehingga akuifer di India, selatan Sepanyol dan Itali boleh habis di antara 2040 dan 2060, sementara di Lembah Tengah California, Tulare Basin dan lembah San Joaquin Selatan boleh lebih cepat daripada itu.

Selain itu, di Amerika Syarikat, sumber air tawar utama termasuk Sungai Colorado dan Lake Mead di Arizona mula kering.

Menurut Projek Air, sesetengah penyelidik percaya bahawa Lake Mead, yang membekalkan air kepada 22 juta orang di AS, boleh menjadi kering oleh 2021.

Usaha Universiti untuk melegakan krisis air

Walaupun bilangannya tidak menggalakkan, terdapat banyak usaha oleh universiti untuk membantu melegakan krisis air.

Dari penapisan ke teknik penyahgaraman, berikut adalah beberapa contoh kerja luar biasa yang telah dicapai oleh universiti baru-baru ini.

MIT, menggunakan air bawah tanah payau

Menurut penyelidik MIT, satu cara untuk membantu menyelesaikan krisis air adalah dengan melihat di luar air tawar.

Para penyelidik telah menemui cara untuk menghilangkan pelbagai komposisi air bawah tanah payau - jenis air bawah tanah yang mengandungi lebih kemasinan daripada air tawar, tetapi tidak seperti air laut.

Jumlah air bawah tanah payau di AS adalah kira-kira 800 kali lebih besar daripada jumlah air bawah tanah yang dikeluarkan di seluruh negara, namun kurang daripada 1 peratus bekalan air negara berasal dari sumber ini.

Oleh itu, menurut para penyelidik, menggunakan sebahagian kecil daripada air payau yang banyak di Amerika Syarikat secara dramatik dapat memperbaiki prospek masyarakat yang kelaparan air.

"AS mempunyai lebih banyak air bawah tanah daripada air bawah tanah yang segar. Dan kebanyakan air bawah tanah di dunia sedang digunakan, sehingga banyak akuifer air tawar menunjukkan tanda-tanda penurunan, "katanya. John Lienhard, pengarah Makmal Keselamatan Air dan Makanan Dunia Abdul Latif Jameel di MIT.

Lienhard dan pasukannya menggunakan termodinamik, sains yang berkaitan dengan hubungan antara haba dan tenaga, untuk mengkaji bagaimana komposisi air tanah payau yang berbeza akan menjejaskan tenaga yang diperlukan untuk penyahgaraman.

Dengan melakukan ini, para penyelidik dapat merumuskan satu set data maklumat yang besar mengenai proses dan keperluan untuk menghilangkan air bawah tanah payau, serta peta kawasan di sekitar Amerika Syarikat dan dunia yang mempunyai sumber air bawah tanah berpotensi yang boleh digunakan.

"Penduduk yang semakin meningkat dan pemanasan dan iklim yang lebih berubah-ubah menimbulkan cabaran yang belum pernah berlaku untuk bandar, ladang, dan industri kami," kata Lienhard.

"Penggunaan air bawah air payau yang mampan, melalui penyahgaraman, dapat membantu mengembangkan bekalan air tawar kami. Pendekatan ini boleh menjadi salah satu komponen strategi pengurusan air bersepadu untuk banyak bahagian dunia yang diancam oleh kekurangan air. "

CMU, mekanisme berasaskan tumbuhan untuk penapisan air

Kaedah lain yang dapat membantu kawasan-kawasan yang berkhasiat air, terutamanya di kawasan sub-tropika, atau tropika seperti India, adalah dengan menggunakan bahan tumbuhan sebagai cara menyaring air yang tidak bersih.

Penyelidik di Universiti Carnegie Mellon telah membangunkan satu cara untuk menggabungkan protein benih dari kilang Moringa Oleifera, sebuah tumbuhan berharga secara komersial yang berasal dari India, dengan teknik penapisan pasir untuk menghasilkan mekanisme penapisan yang mudah dan berkesan.

Media yang terhasil dipanggil "f-pasir" dan berfungsi dengan menggunakan caj elektrik yang bertentangan.

"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 Bob Tilton, Profesor Chevron Kejuruteraan Kimia dan Kejuruteraan Bioperubatan di CMU.

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

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.

Tilton menjelaskan bahawa 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 juga di peringkat isi rumah individu," kata Tilton.

UT Dallas / Penn State, teknologi penuaian air yang diilhamkan oleh kumbang

Dalam satu lagi cara yang kreatif untuk membantu melegakan krisis air kita, para penyelidik dari University of Texas di Dallas dan Penn State University telah membangunkan permukaan yang boleh cepat mengumpul molekul air dari kabus dan wap udara dan mengarahkan mereka ke arah takungan di sepanjang mikrobroov yang dilincirkan.

"Permukaan licin arah hidropilik," atau SRS, diilhamkan oleh proses di mana organisma hidup, seperti kumbang gurun, tumbuhan periuk dan daun padi, secara semula jadi mengumpul dan mengarahkan air.

"Kumbang gurun menggunakan benjolan hidrofilik untuk menyerap titisan air dari kabut, dan juga menggunakan lilin hidrofobik berpola untuk menghilangkan titisan untuk diminum," ujarnya. Simon Dai, seorang penolong profesor kejuruteraan mekanikal di Sekolah Kejuruteraan dan Sains Komputer Erik Jonsson di UT Dallas.

Walaupun lebam hidrofilik di kumbang padang pasir menunjukkan cara mengumpul dan menggabungkan tetesan air dari udara, permukaan licin tanaman periuk dan alur arah miniscule pada daun padi menunjukkan bagaimana dengan cepat mengarahkan titisan air ke arah takungan.

Gabungan reka bentuk semulajadi ini mewujudkan permukaan yang mampu menangkap dan mengarahkan titisan air dengan cekap.

Untuk mencipta teknologi penuaian air, para penyelidik membina struktur permukaan berangka dan berarah, bersaiz nano ke dalamnya. Mereka kemudian menyalut permukaan dengan pelincir cecair hidrofilik.

Pelumas berfungsi dengan dua tujuan dengan menarik air dan mencipta permukaan yang licin, jadi titisan air bentuk itu dengan mudah dapat bergerak ke bawah dan menggabungkan untuk membuat titisan yang lebih besar.

"Kami menggunakan permukaan kasar yang berarah dengan pelincir cecair hidrofilik yang mudah alih molekul, jadi ia dapat membantu pengumpulan air yang terkumpul menjadi titisan yang lebih besar," kata Dai dalam satu kenyataan.

"Tambahan pula, bahan itu boleh diukur. Tidak seperti permukaan yang diilhamkan oleh kumbang di mana penciptaan titisan air hanya berlaku di kawasan tertentu, kita boleh mencipta permukaan yang kecil atau besar, semua dengan keupayaan untuk memerangkap dan menggerakkan air dengan pantas di mana-mana di permukaan. "

Gabungan alur arah dan permukaan licin hidrofilik terbukti lebih berkesan untuk menangkap dan mengarahkan tetesan air daripada permukaan yang setanding.

Hydrophilic, atau menarik air, permukaan seperti SRS boleh digunakan untuk beberapa tujuan dan industri, seperti penyaman udara, pemeluwapan dropwise untuk penjanaan kuasa dan penyahgaraman, dan penuaian air di kawasan-kawasan yang gersang.

"Proses sedia ada untuk mewujudkan air segar, seperti penyahgaraman, bergantung kepada peralihan dari wap ke air," kata Dai dalam satu kenyataan.

"Kami mahu mencipta permukaan yang boleh menangkap dan mengarahkan titisan air dengan cekap."

Universiti Rice, menyerap toksin daripada air

Penyelidik Universiti Rice telah mengusahakan sistem rawatan yang boleh pilih secara optimum toksin berbahaya dari air minuman dan air kumbahan dari kilang-kilang, sistem kumbahan dan telaga minyak dan gas.

Sistem ini menggunakan set elektrod komposit yang membolehkan pengionan kapasitif, teknologi untuk menyerap air dengan menggunakan perbezaan potensi elektrik di atas dua elektrod, yang sering dibuat daripada karbon berpori.

Elektrod yang berliang berliang boleh memilih secara terpilih menarik ion sasaran dari cecair melalui sistem seperti maze. Kemudian, apabila liang-liang itu diisi dengan toksin, elektrod boleh dibersihkan, dipulihkan dan digunakan semula.

Diketuai oleh Qilin Li, seorang profesor kejuruteraan awam dan alam sekitar dan sains bahan dan nanoengineering, sistem rawatan beras dijangka menjadi alternatif yang murah, penjimatan tenaga kepada sistem tradisional.

"Kaedah tradisional untuk menghapuskan segala-galanya, seperti osmosis terbalik, adalah mahal dan tenaga intensif," kata Li dalam satu kenyataan.

"Jika kita memikirkan satu cara untuk menangkap komponen kecil ini, kita dapat menjimatkan banyak tenaga."

Setakat ini, penyelidik telah menguji sistem penyingkiran ion-ion sulfat, mineral pembentuk skala yang dapat memberi air rasa pahit dan bertindak sebagai julap.

Untuk melakukan ini, elektroda sistem disalut dengan karbon diaktifkan, yang kemudiannya dilapisi oleh filem nipis zarah resin kecil yang dipegang oleh alkohol polyvinyl kuaternized.

Apabila air yang tercemar sulfat mengalir melalui saluran antara elektrod yang dikenakan, ion sulfat tertarik oleh elektrod, melalui salutan resin dan terikat pada karbon.

Ujian dalam makmal menunjukkan bahawa lapisan positif yang ditangkap ion sulfat yang ditangkap berbanding garam pada nisbah lebih daripada 20 hingga 1.

"Ini adalah sebahagian daripada skop penyelidikan yang luas untuk mencari cara untuk menghilangkan cecair ionik secara selektif," kata Li dalam satu kenyataan. "Terdapat banyak ion di dalam air. Tidak semuanya adalah toksik. Sebagai contoh, natrium klorida (garam) adalah sangat jinak. Kami tidak perlu mengeluarkannya melainkan kepekatan terlalu tinggi. "

"Bagi banyak aplikasi, kita boleh meninggalkan ion yang tidak berbahaya di belakang, tetapi terdapat beberapa ion tertentu yang perlu kita keluarkan. Contohnya, dalam beberapa telaga air minuman, terdapat arsenik. Di dalam paip air minuman kami, mungkin terdapat plumbum atau tembaga. Dan dalam aplikasi perindustrian, terdapat ion-ion kalsium dan sulfat yang membentuk skala, penimbunan deposit mineral yang terapung dan menyumbat paip. "

Para penyelidik sedang berusaha untuk mengembangkan pelapis untuk bahan pencemar lain dan bekerja dengan makmal di University of Texas di El Paso dan Arizona State University pada sistem ujian berskala besar.

Kesimpulan

Krisis air global memberi kesan kepada semua orang - bahkan mereka yang tidak merasakan kesan langsung - dan apabila tahap kekurangan terus meningkat, kita semua mesti melakukan bahagian kami untuk memastikan keselamatan air dan mengurangkan penyakit berkaitan air.

Nasib baik, usaha sedang dimulakan oleh para saintis, aktivis dan organisasi bukan keuntungan untuk membantu melegakan krisis di seluruh dunia.

Dalam era yang saling berkaitan, kami berada dalam kedudukan yang unik untuk bekerjasama untuk melindungi sumber yang paling penting kami.

Sekarang lebih dari sebelumnya, orang dan organisasi, seperti Water.org, Sedikit sekali, Air Untuk Rakyat and Air adalah Kehidupan, dapat bekerja di peringkat global untuk membantu komuniti yang kebuluran air dan memberi impak yang besar terhadap dunia yang berubah.