Leiding, arseen, en andere zware metalen zijn door menselijke activiteiten in toenemende mate aanwezig in watersystemen over de hele wereld, zoals het gebruik van pesticiden en recenter, de gebrekkige verwijdering van elektronisch afval. Chronische blootstelling aan zelfs maar sporen van deze verontreinigingen, bij concentraties van delen per miljard, kan slopende gezondheidsproblemen veroorzaken bij zwangere vrouwen, kinderen, en andere kwetsbare bevolkingsgroepen.

Het monitoren van water op zware metalen is een formidabele taak, echter, met name voor regio's met beperkte middelen, waar werknemers vele liters water moeten verzamelen en monsters chemisch moeten conserveren voordat ze naar verre laboratoria worden vervoerd voor analyse.

Om het monitoringproces te vereenvoudigen, MIT-onderzoekers hebben een aanpak ontwikkeld genaamd SEPSTAT, voor vastefase-extractie, behoud, opslag, vervoer, en analyse van sporenverontreinigingen. De methode is gebaseerd op een kleine, gebruiksvriendelijk apparaat dat het team heeft ontwikkeld, die sporen van verontreinigingen in water absorbeert en ze in een droge staat bewaart, zodat de monsters gemakkelijk per post kunnen worden gedropt en naar een laboratorium kunnen worden verzonden voor verdere analyse.

Het apparaat lijkt op een kleine, flexibele propeller, of klop, die in een typische monsterfles past. Wanneer enkele minuten in de fles rondgedraaid, het instrument kan de meeste sporenverontreinigingen in het watermonster absorberen. Een gebruiker kan het apparaat aan de lucht drogen of met een stuk papier afvegen, maak het dan plat en stuur het in een envelop naar een laboratorium, waar wetenschappers het in een zuuroplossing kunnen dopen om de verontreinigingen te verwijderen en ze te verzamelen voor verdere analyse in het laboratorium.

"We hebben dit in eerste instantie ontworpen voor gebruik in India, maar het heeft me veel geleerd over onze eigen waterproblemen en sporen van verontreinigingen in de Verenigde Staten, " zegt apparaatontwerper Emily Hanhauser, een afgestudeerde student in MIT's Department of Mechanical Engineering. "Bijvoorbeeld, iemand die heeft gehoord over de watercrisis in Flint, Michigan, die nu wil weten wat er in hun water zit, zou op een dag zoiets online kunnen bestellen, doe de test zelf, en stuur het naar een laboratorium."

Hanhauser en haar collega's publiceerden onlangs hun resultaten in het tijdschrift Milieuwetenschap en -technologie . Haar MIT co-auteurs zijn Chintan Vaishnav van het Tata Center for Technology and Design en de MIT Sloan School of Management; Johannes Hart, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde; en Rohit Karnik, hoogleraar werktuigbouwkunde en associate afdelingshoofd onderwijs, samen met Michael Bono van de Boston University.

Van theezakjes tot gardes

Het team was oorspronkelijk bedoeld om de watermonitoring-infrastructuur in India te begrijpen. Miljoenen watermonsters worden verzameld door werknemers in lokale laboratoria in het hele land, die zijn uitgerust om elementaire waterkwaliteitsanalyses uit te voeren. Echter, om sporenverontreinigingen te analyseren, werknemers van deze lokale laboratoria moeten grote aantallen watermonsters chemisch bewaren en de vaten vervoeren, vaak over honderden kilometers, naar staatshoofdsteden, waar gecentraliseerde laboratoria faciliteiten hebben om sporenverontreinigingen goed te analyseren.

"Als je veel van deze monsters verzamelt en ze naar een laboratorium probeert te brengen, het is behoorlijk zwaar werk, en er is een aanzienlijke transportbelemmering, ' zegt Hanhauser.

Om de logistiek van watermonitoring te stroomlijnen, zij en haar collega's vroegen zich af of ze de noodzaak om het water te transporteren konden omzeilen, en in plaats daarvan de verontreinigingen zelf vervoeren, in droge toestand.

Ze vonden uiteindelijk inspiratie in het spotten van droog bloed, een eenvoudige techniek waarbij in iemands vinger wordt geprikt en een druppel bloed wordt opgevangen op een kaart van cellulose. Wanneer gedroogd, de chemicaliën in het bloed zijn stabiel en behouden, en de kaarten kunnen worden opgestuurd voor verdere analyse, het vermijden van de noodzaak om grote hoeveelheden bloed te bewaren en te verzenden.

Het team begon te denken aan een soortgelijk inzamelsysteem voor zware metalen, en keek door de literatuur naar materialen die zowel sporenverontreinigingen uit water konden absorberen als ze stabiel konden houden als ze droog waren.

Ze vestigden zich uiteindelijk op ionenuitwisselingsharsen, een materiaalklasse die wordt geleverd in de vorm van kleine polymeerkralen, enkele honderden microns breed. Deze kralen bevatten groepen moleculen gebonden aan een waterstofion. Wanneer ondergedompeld in water, de waterstof komt los en kan worden uitgewisseld met een ander ion, zoals een zwaar metaalkation, die de plaats van waterstof op de kraal inneemt. Op deze manier, de kralen kunnen zware metalen en andere sporenverontreinigingen uit water opnemen.

De onderzoekers zochten vervolgens naar manieren om de kralen in water onder te dompelen, en eerst een theezakje-achtig ontwerp overwogen. Ze vulden een gaasachtige zak met kralen en dompelden het onder in water dat ze met zware metalen hadden geprikt. Ze vonden, Hoewel, dat het dagen duurde voordat de kralen de verontreinigingen voldoende hadden geabsorbeerd als ze het theezakje gewoon in het water lieten. Toen ze het theezakje roerden, turbulentie versnelde het proces enigszins, maar het duurde nog veel te lang voor de kralen, verpakt in een groot theezakje, om de verontreinigingen op te nemen.

uiteindelijk, Hanhauser ontdekte dat een handroerontwerp het beste werkte om metaalverontreinigingen binnen een redelijke tijd in water op te nemen. Het apparaat is gemaakt van een polymeergaas dat in verschillende propellerachtige panelen is gesneden. Binnen elk paneel, Hanhauser met de hand gestikte kleine zakken, die ze vulde met polymeerkralen. Vervolgens naaide ze elk paneel rond een polymeerstaafje om op een soort eierklopper of garde te lijken.

De wateren testen

De onderzoekers fabriceerden verschillende apparaten, testte ze vervolgens op monsters van natuurlijk water verzameld rond Boston, inclusief de Charles en Mystic rivieren. Ze verrijkten de monsters met verschillende zware metalen verontreinigingen, zoals lood, koper, nikkel, en cadmium, stak vervolgens een apparaat in de fles van elk monster, en draaide het met de hand rond om de verontreinigingen op te vangen en te absorberen. Vervolgens plaatsten ze de apparaten op een aanrecht om een ​​nacht te drogen.

Om de verontreinigingen uit het apparaat te halen, ze doopten het apparaat in zoutzuur. De waterstof in de oplossing verwijdert effectief alle ionen die aan de polymeerparels zijn bevestigd, inclusief zware metalen, die vervolgens kunnen worden verzameld en geanalyseerd met instrumenten zoals massaspectrometers.

De onderzoekers ontdekten dat door het apparaat in het watermonster te roeren, het apparaat was in staat om ongeveer 94 procent van de metaalverontreinigingen in elk monster te absorberen en te behouden. In hun recente proeven, ze ontdekten dat ze de verontreinigingen nog steeds konden detecteren en hun concentraties in de originele watermonsters konden voorspellen, met een nauwkeurigheidsbereik van 10 tot 20 procent, zelfs na opslag van het apparaat tot twee jaar in droge toestand.

Met een kostprijs van minder dan $ 2, de onderzoekers geloven dat het apparaat het transport van monsters naar gecentraliseerde laboratoria zou kunnen vergemakkelijken, verzameling en bewaring van monsters voor toekomstige analyse, en verwerving van waterkwaliteitsgegevens op een gecentraliseerde manier, die, beurtelings, kan helpen bij het identificeren van besmettingsbronnen, gids beleid, en een beter waterkwaliteitsbeheer mogelijk te maken.