Volgens de Verenigde Naties, 2,1 miljard mensen hebben geen toegang tot veilig beheerde drinkwatervoorzieningen, waarvan de meerderheid in ontwikkelingslanden woont.

Carnegie Mellon University's Biomedical Engineering en Chemical Engineering Professors Bob Tilton en Todd Przybycien zijn onlangs co-auteur van een paper met Ph.D. studenten Bretagne Nordmark en Toni Bechtel, en alumnus John Riley, verdere verfijning van een proces dat binnenkort zou kunnen helpen om velen in gebieden met waterschaarste van schoon water te voorzien. Het proces, gemaakt door Tiltons voormalige student en co-auteur Stephanie Velegol, maakt gebruik van zand en plantaardig materiaal dat in veel ontwikkelingslanden gemakkelijk verkrijgbaar is om een ​​goedkoop en effectief waterfiltratiemedium te creëren, "f-zand" genoemd.

"F-sand" gebruikt eiwitten van de Moringa oleifera-plant, een boom afkomstig uit India die goed groeit in tropische en subtropische klimaten. De boom wordt gekweekt voor voedsel en natuurlijke oliën, en de zaden worden al gebruikt voor een soort rudimentaire waterzuivering. Echter, deze traditionele manier van zuiveren laat grote hoeveelheden opgeloste organische koolstof (DOC) achter uit de zaden, waardoor bacteriën na slechts 24 uur opnieuw kunnen groeien. Dit laat slechts een korte periode waarin het water drinkbaar is.

Velegol, die nu hoogleraar chemische technologie is aan de Penn State University, kwam op het idee om deze methode van waterzuivering te combineren met zandfiltratiemethodes die in ontwikkelingsgebieden gebruikelijk zijn. Door de zaadeiwitten te extraheren en te adsorberen (te hechten) aan het oppervlak van silicadeeltjes, het hoofdbestanddeel van zand, ze creëerde f-zand. F-zand doodt zowel micro-organismen als troebelheid, hechten aan fijnstof en organisch materiaal. Deze ongewenste verontreinigingen en DOC kunnen dan worden uitgewassen, waardoor het water langer schoon blijft, en het f-zand klaar voor hergebruik.

Hoewel het basisproces bewezen en effectief was, er waren nog steeds veel vragen over de creatie en het gebruik van f-sand - vragen die Tilton en Przybycien wilden beantwoorden.

Zou het isoleren van bepaalde eiwitten uit de M. oleifera-zaden de effectiviteit van f-sand verhogen? Zijn de vetzuren en oliën in de zaden belangrijk voor het adsorptieproces? Welk effect zouden de watercondities hebben? Welke eiwitconcentratie is nodig om een ​​effectief product te creëren?

De antwoorden op deze vragen kunnen grote gevolgen hebben voor de toekomst van f-sand.

fractionering

Het zaad van M. oleifera bevat minstens acht verschillende eiwitten. Door deze eiwitten te scheiden, een proces dat fractionering wordt genoemd, zou een nieuwe stap in het proces introduceren. Voorafgaand aan hun onderzoek, de auteurs theoretiseerden dat het isoleren van bepaalde eiwitten een efficiënter eindproduct zou kunnen opleveren.

Echter, tijdens het testen, Tilton en Przybycien ontdekten dat dit niet het geval was. Het fractioneren van de eiwitten had weinig waarneembaar effect op het vermogen van de eiwitten om te adsorberen aan de silicadeeltjes, wat betekent dat deze stap niet nodig was voor het creatieproces van f-sand.

De bevinding dat fractionering niet nodig is, is met name voordelig voor het scenario met schaarse hulpbronnen waarin f-zand bedoeld is om te worden gebruikt. Door deze stap uit het proces te laten, kunt u kosten besparen, lagere verwerkingsvereisten, en vereenvoudigt het totale proces.

Vetzuren

Een van de belangrijkste redenen waarom M. oleifera momenteel wordt gekweekt, is vanwege de vetzuren en oliën die in de zaden worden aangetroffen. Deze worden gewonnen en commercieel verkocht. Tilton en Przybycien wilden weten of deze vetzuren ook een effect hadden op het eiwitadsorptieproces.

Ze ontdekten dat net als fractionering, het verwijderen van de vetzuren had weinig effect op het vermogen van de eiwitten om te adsorberen. Deze bevinding heeft ook gunstige implicaties voor degenen die dit proces in ontwikkelingsregio's willen implementeren. Aangezien de aan- of afwezigheid van vetzuren in de zaden weinig effect heeft op het ontstaan ​​of de functie van f-zand, mensen in de regio de commercieel waardevolle olie kunnen verwijderen en verkopen, en nog steeds in staat zijn om de eiwitten uit de resterende zaden te extraheren voor waterfiltratie.

Concentratie

Een andere parameter van het fabricageproces van f-sand dat Tilton en Przybycien hebben getest, was de concentratie van zaadeiwitten die nodig was om een ​​effectief product te creëren. De benodigde concentratie heeft een grote invloed op de benodigde hoeveelheid zaden, wat op zijn beurt een direct effect heeft op de algehele efficiëntie en kosteneffectiviteit.

De sleutel tot het bereiken van de juiste concentratie is ervoor te zorgen dat er voldoende positief geladen eiwitten zijn om de negatieve lading van de silicadeeltjes waaraan ze gehecht zijn te overwinnen, het creëren van een netto positieve lading. Deze positieve lading is cruciaal om de negatief geladen organische stof aan te trekken, deeltjes, en microben die het water verontreinigen.

Dit heeft betrekking op een andere potentiële verbetering van de drinkwaterbehandeling die door Tilton is onderzocht, Przybycien, en Nordmark in een aparte publicatie. In dit project, ze gebruikten zaadeiwitten om verontreinigingen in het water te coaguleren voorafgaand aan f-zandfiltratie. Dit is ook afhankelijk van het beheersen van de lading van de verontreinigingen, die stollen wanneer ze worden geneutraliseerd. Het aanbrengen van te veel eiwit kan de verontreinigingen overladen en de stolling remmen.

"Er is een soort zoete plek in het midden, " zegt Tilton, "en het ligt in de details van hoe de verschillende eiwitten in deze zaadeiwitmengsels met elkaar concurreren voor adsorptie aan het oppervlak, die de neiging had om die sweet spot te verbreden."

Door deze brede range aan concentraties kunnen niet alleen waterzuiveringsprocessen worden gerealiseerd bij relatief lage concentraties, waardoor materialen worden bespaard, maar dat er weinig risico is dat er per ongeluk waterverontreiniging wordt veroorzaakt door overschrijding van de concentratie. In gebieden waar exacte metingen moeilijk te maken zijn, dit is cruciaal.

Waterhardheid

Waterhardheid verwijst naar de hoeveelheid opgeloste mineralen in het water. Hoewel laboratoria vaak gedeïoniseerd water gebruiken, in een proces dat bedoeld is om te worden toegepast in een reeks omgevingen in de echte wereld, onderzoekers moeten zich voorbereiden op zowel zacht als hard water.

Tilton en Przybycien ontdekten dat eiwitten goed konden adsorberen aan de silicadeeltjes, en om zwevende verontreinigingen te coaguleren, in zowel zacht als hard water. Dit betekent dat het proces mogelijk levensvatbaar kan zijn in een groot aantal regio's, ongeacht de waterhardheid.

Tilton en Przybycien publiceerden onlangs een paper over dit onderzoek, "Moringa oleifera Seed Protein Adsorptie aan Silica:effecten van waterhardheid, fractionering, en vetzuurextractie, " in ACS Langmuir .

Algemeen, de conclusies die Tilton, Przybycien, en hun collega-auteurs wisten grote voordelen te bereiken voor mensen in ontwikkelingslanden die op zoek waren naar een goedkope en laagdrempelige vorm van waterzuivering. Hun werk brengt deze nieuwe innovatie een stap dichter bij het veld, helpen om het pad te banen dat op een dag f-sand kan zien worden ingezet in gemeenschappen in de derde wereld. Ze hebben aangetoond dat het fabricageproces van f-sand een hoge mate van flexibiliteit vertoont, omdat het in staat is om bij verschillende watercondities en eiwitconcentraties te werken zonder de aanwezigheid van vetzuren of fractionering.

"Het is een gebied waar complexiteit tot mislukking kan leiden - hoe complexer het is, hoe meer manieren er iets mis kan gaan, "zegt Tilton. "Het komt erop neer dat dit het idee ondersteunt dat de eenvoudigere technologie de betere zou kunnen zijn."