Tegen het jaar 2025 zullen naar verwachting bijna 2 miljard mensen in gebieden met waterschaarste leven. Deze prognoses wijzen op de behoefte aan geavanceerde water- en afvalwaterbehandelingstechnologieën om opties te bieden voor een steeds toenemende vraag naar water.

Een van de stappen bij waterzuivering is filtratie, om schadelijke ziekteverwekkers zoals bacteriën te verwijderen, virussen en andere ongewenste deeltjes. Lopende onderzoeksprojecten aan de Texas A&M University bouwen voort op eerder werk om filtratiemethoden te verbeteren om kostenefficiënte, schoon drinkwater.

Dr. Shankar Chellam, J. Walter "Deak" Porter '22 &James W. "Bud" Porter '51 Professor in de Zachry Department of Civil Engineering, heeft onlangs twee National Science Foundation-beurzen toegekend gekregen om filtratie-uitdagingen op te lossen. Een, een samenwerkingsproject met Dr. Ruth Baltus van Clarkson University, probeert factoren te begrijpen die complexere deeltjes zoals virussen door het filtermembraan mogelijk maken. De andere, een samenwerkingsproject met Dr. Nick Cogan van de Florida State University, is om een ​​oplossing te vinden om de bijbehorende verstopping van deze filters op te ruimen.

Het voorkomen van virusbesmetting van drinkwater is van het grootste belang voor de volksgezondheid. Terwijl technologieën zoals micro- en ultrafiltratie moeilijk te desinfecteren parasieten direct kunnen verwijderen, zoals Giardia en Cryptosporidium, samen met de meeste bacteriën en andere materialen, deze methoden zijn niet effectief in het verwijderen van virussen en sommige bacteriën. Eerdere filtratiemodellen beschouwden deeltjes met een eenvoudiger vorm, zoals bollen en capsules. Met die vormen in gedachten, filters zijn ontworpen om het ultieme afwijzingspercentage te bieden. Echter, virussen en bacteriën zijn er in vele soorten en maten. Sommige hebben zelfs een "kop" en "staart", waardoor ze een voordeel kunnen hebben om door het filter te glippen.

"Zie het filter als een hindernisbaan, " zei Chellam. "De meeste verontreinigingen worden afgewezen als ze door het filter gaan. Echter, sommigen kunnen door het filter manoeuvreren vanwege een flexibelere vorm of het vermogen om te vervormen of uit elkaar te vallen."

Als een filter wordt gebruikt, wordt het aangekoekt met deeltjes. De huidige ontstoppingsreacties om het filter te regenereren resulteren in hoge tijdskosten, arbeidskosten of materiaalkosten.

Een primaire oplossing die het team nastreeft, is het stollen of samenklonteren van de virussen, hun grootte vergroten om ze beter te filteren, wat tegelijkertijd invloed heeft op de mate van filterverstopping. Als antwoord op het verstoppingsprobleem, het team is van plan een terugspoelproces te bestuderen om het verstopte filter op te ruimen. Het team zal periodiek de richting van de waterstroom omkeren om de deeltjes te verwijderen die oorspronkelijk op het filteroppervlak zijn afgezet. De resultaten van het werk van het team zullen nuttig zijn voor gemeentelijke en industriële waterbehandelingsgemeenschappen, waar deze oplossingen de kapitaal- en energiekosten zouden verlagen.

Het team zal ook de mechanica bestuderen achter virussen die door de filterporiën gaan. Hoewel dit deel van het werk misschien geen oplossing voor het probleem biedt, het zal bijdragen aan het fundamentele begrip van virusmobiliteit en filtratie. Dit specifieke project zal zich richten op de beste manier om verschillende gevormde deeltjes te hinderen, zoals staartvirussen, flexibele draadvormige virussen en vervormbare bacteriën, over membranen heen.

Een belangrijk aspect van het onderzoek is dat experimenten worden ontworpen om complexe systemen na te bootsen die real-world systemen vertegenwoordigen. Door geïntegreerde experimentele en theoretische inspanningen, het team streeft naar een beter begrip van de factoren die ervoor zorgen dat deeltjes door filters worden getransporteerd.

Zodra de onderzochte methoden effectief blijken te zijn en wijzen op een goed begrip van hoe ziekteverwekkers worden gefilterd, dan kunnen filtermembranen optimaal worden geïmplementeerd. Als en wanneer ze zijn, ze zullen beter werken dan bestaande, conventionele zandfilters ter verbetering van de volksgezondheid en het voorkomen van verontreiniging in industriële en biotechnologische processen. Dit zal de noodzaak om de conservatieve benadering van het gebruik van een strakker membraanfilter met zeer kleine poriën teniet te doen, wat de kosten onnodig verhoogt.

Deze twee subsidies hebben ook gevolgen voor de "gedistribueerde" waterzuivering, die behandeling ter plaatse beschrijft in plaats van een gecentraliseerde behandeling, bijvoorbeeld in noodsituaties na orkanen of overstromingen. Hoewel membraanfiltratietechnologie nog niet wijdverbreid is vanwege de relatief hoge kosten en het ontbreken van een vereenvoudigde, aanvaardbare methode, een succesvolle afronding van het onderzoek zal het mogelijk maken meer van de geavanceerde technologie te implementeren voor gemeentelijke en industriële toepassingen.

De resultaten van dit project zullen belangrijk zijn voor een meer optimaal ontwerp van micro- en ultrafiltratiesystemen en voor praktische toepassingen met betrekking tot water- en afvalwaterbehandeling en voedsel, biotechnologische en farmaceutische operaties. Bredere educatieve effecten omvatten de ontwikkeling van wetenschappelijke outreach-activiteiten gericht op wetenschap, technologie, techniek en wiskunde (STEM) in het basisonderwijs.