De volgende generatie wetenschappers en uitvinders vindt al manieren om de problemen van de samenleving aan te pakken. Tegenwoordig rapporteren een groep middelbare scholieren en hun instructeur een oplossing voor het probleem van loodverontreiniging in drinkwater - een goedkoop kraanhulpstuk dat dit giftige metaal verwijdert. In tegenstelling tot conventionele filters die momenteel op de markt zijn, bevat die van hen een patroon gemaakt van biologisch afbreekbaar plastic en geeft aan wanneer het "opgebruikt" is door het kraanwater geel te maken.

De onderzoekers presenteren hun resultaten vandaag op de voorjaarsbijeenkomst van de American Chemical Society (ACS).

"Een paar jaar geleden zag ik een video van een vrouw in Michigan die haar kraanwater aanzette en het werd bruin", zegt Rebecca Bushway, de hoofdonderzoeker van het project. Ze presenteert het werk ook op de bijeenkomst. "Dat zette me aan het denken - omdat er echt geen veilig niveau van lood in drinkwater is, zou het niet fijn zijn om een ​​waterfilter te hebben dat je kan vertellen dat je water verontreinigd is, lang voordat het bruin wordt door lood?"

Hoewel sommige leidingen in de VS zijn gesaneerd, ontvangen miljoenen huizen, vooral die in gemeenschappen met lage inkomens, nog steeds drinkwater via loodhoudende leidingen. Als de chemie van het water niet ideaal is, of als het snel stroomt vanwege de grote vraag, kunnen leidingen corroderen. Wanneer het corroderende materiaal lood bevat, lost het giftige metaal op of schilfert het af in het water, waardoor het verontreinigd wordt met een donkere verkleuring en soms zichtbare deeltjes.

Totdat oude leidingen kunnen worden vervangen door loodvrije versies, kunnen filters helpen deze verontreinigende stof uit kraanwater te verwijderen of te verminderen. Hoewel er verschillende loodfiltratiesystemen bestaan, kunnen hun hoge kosten en grote afmetingen een barrière vormen. Bovendien geven slechts enkele ervan een indicatie dat ze moeten worden vervangen, en geen enkele geeft aan dat het water een onmiddellijk gezondheidsrisico kan vormen.

Bushway, een natuurkundeleraar aan de Barrie Middle and Upper School, vroeg zich hardop af voor haar scheikundeklas op de middelbare school of er een klein filter was - vergelijkbaar met degene die zijn gemaakt voor kamperen om water te zuiveren - dat ze konden maken van goedkope componenten lood gemakkelijk te verwijderen. De studenten waren enthousiast over het idee en begonnen in 2020 over het project na te denken toen COVID-19-beperkingen hen buiten het klaslokaal hielden. Thuis ontmoette het team elkaar virtueel en bespraken ontwerpen voor een hulpstuk om een ​​filter op de kraan van een gootsteen te schroeven. In het voorjaarssemester van 2021, toen ze terugkeerden naar het klaslokaal, printten ze het opzetstuk en een 3-inch hoge filterbehuizing in 3D met behulp van een biologisch afbreekbaar plastic. Hun laatste stap was om de patronen te vullen met een mengsel van calciumfosfaat en kaliumjodidepoeder.

"Calciumfosfaat bindt eerst met opgelost lood in water om loodfosfaat en vrij calcium te vormen. Het calcium, dat onschadelijk is, komt in het water terecht en het loodfosfaat blijft in het filter", legt Bushway uit. Loodfosfaat, een inerte vaste stof, wordt in het filter opgesloten door een nylon scherm aan de onderkant van het apparaat. Zodra het reactievermogen van het calciumfosfaat is bereikt, reageert opgelost lood met kaliumjodide, waardoor het water geel wordt, een indicator dat er lood aanwezig is.

En hoewel de chemie zelf vrij eenvoudig is, was het ingewikkelder om het waterfiltratiesysteem te maken om te doen wat de onderzoekers van plan waren. Calciumfosfaat heeft bijvoorbeeld de neiging om samen te klonteren, waardoor de reactiesnelheid ertussen en leiden naar beneden gaat naarmate het oppervlak kleiner wordt. Daarom heeft de hoofdstudent-ingenieur van het team zeshoekige afschuiningen in het filter aangebracht. "Dat is een innovatie, afkomstig van een van de middelbare scholieren, die ervoor zorgt dat het water een spiraal vormt terwijl het er doorheen gaat en ervoor zorgt dat het poeder niet gaat klonteren", zegt Bushway.

Vervolgens voegen de studenten een kleine spectrofotometer met een enkele golflengte LED toe aan de onderkant van de filterpatroon, waar het water wordt afgegeven. Hun plan is om een ​​indicatielampje te hebben dat gaat branden zodra de detector de gele kleur van het loodjodide identificeert. Bushway zegt dat dit aangeeft dat er lood in het water zit, zelfs voordat de kleur door een menselijk oog kan worden gedetecteerd.

Het doel van het team is om hun filters te maken en te verkopen voor minder dan $ 1 per stuk, wat Bushway denkt te gaan doen. Omdat de behuizingen biologisch afbreekbaar plastic gebruiken, kunnen de kosten iets hoger worden, maar het materiaal zou de algehele milieu-impact van het filter helpen verminderen.

Het proces van het ontwikkelen van het filter is volgens Bushway zeer bevredigend geweest. "Uiteindelijk heeft deze ervaring studenten laten zien dat ze een verschil voor iemand kunnen maken, en dat er problemen zijn die ze met wetenschap kunnen oplossen", zegt ze. + Verder verkennen

EPA bevestigt dat filters het lood in het water van Michigan verminderen