Slim, fundamentele engineering zou een grote bijdrage kunnen leveren aan het voorkomen van door water overgedragen ziekten en blootstelling aan kankerverwekkende stoffen in water.

De meesten van ons zijn gewend om een ​​kraan open te draaien en er komt water uit. We vragen ons zelden af ​​of dit zal gebeuren of dat het water schoon genoeg is om in te baden of te drinken. Hoewel het proces van het handhaven van de waterkwaliteit voor de meesten van ons praktisch onzichtbaar is, het verwijderen van bacteriën en verontreinigingen uit water vergt veel inspanning van zowel mens als behandelingssystemen.

Mohammed Alizadeh Fard, een doctoraalstudent aan de afdeling Civiele en Milieutechniek van Michigan Tech, en Brian Barkdoll, hoogleraar civiele techniek en milieutechniek, ontwikkelen low-tech, betaalbare oplossingen om de waterkwaliteit in gemeentelijke watertanks te verbeteren, en om microverontreinigingen uit het water te verwijderen met behulp van hernieuwbare materialen.

Hun onderzoek is gepubliceerd in drie tijdschriften: Tijdschrift voor Waterbouwkunde , Journal of Molecular Liquids , en Colloïden en oppervlakken A -met een vierde paper in afwachting van beoordeling. Hun werk bewijst dat oplossingen voor vervelende problemen elegant kunnen zijn in hun eenvoud.

Een elegante, Low-tech oplossing

In gemeenschappen over het hele land, er zijn grote wateropslagtanks voor gemeentelijk drinkgebruik. Veel van dergelijke tanks hebben een leiding om de tank van water te voorzien, en een line-out. Echter, deze leidingen naar binnen en naar buiten bevinden zich vaak op de bodem van de tank. Hoewel de tanks dagelijks worden bijgevuld, het water aan de bovenkant van de tank wordt nooit gebruikt en stagneert. Hoewel veel gemeentelijke watervoorzieningen worden behandeld met chloor, de bovenste waterlaag kan een broedplaats worden voor bacteriën, algen of door water overgedragen ziekten, zoals Giardia en E. coli.

"Als het water niet beweegt, (bacteriën en algen) kunnen gaan groeien, " zegt Barkdoll. "Het komt misschien niet oorspronkelijk uit de waterbron; het kan vanuit de lucht zijn. Of het chloor in het stilstaande water kan na verloop van tijd opgebruikt zijn. Je wilt dat het water blijft bewegen, vooral in warme streken van het land."

Maar als er een grote brand is in de gemeenschap of het omliggende platteland, het waterreservoir wordt aanzienlijk naar beneden getrokken, en mensen drinken dan het stilstaande water.

"Dus, als je vuur hebt, al het stilstaande water gaat naar ieders huis, " zegt Barkdoll. "Na een brand, mensen worden ziek, dat is een bekend iets. Dat is het probleem dat we proberen op te lossen."

Om het probleem te verhelpen, Alizadeh Fard en Barkdoll creëerden douchekopachtige opzetstukken die tegen minimale kosten aan nieuwe of bestaande watertanks kunnen worden toegevoegd. Het toevoegen van een PVC-pijpsprinkler aan de bovenkant van de tank, en een omgekeerde sproeier op de bodem van de tank, injecteert water in het systeem en zorgt ervoor dat al het water blijft circuleren. Alizadeh Fard en Barkdoll publiceerden hun artikel over dit eenvoudige maar effectieve systeem op 15 maart in de Journal of Hydraulic Engineering. Ze hopen dat het een low-tech oplossing zal zijn die gemakkelijk door waterkwaliteitsmanagers kan worden toegepast.

Ongeziene dreiging:microverontreinigingen

Maar organische verontreinigingen zijn niet de enige bron van verontreinigd water. Er zijn maar weinig gemeentelijke systemen die zijn toegerust om microverontreinigingen aan te pakken, zoals geneesmiddelen, hormonen, microplastics, nanodeeltjes in sokken en synthetisch vlies, en antischimmelverbindingen, zelfs soorten industrieel afval die in zeer lage concentraties aanwezig zijn. Ondanks de kleine hoeveelheden – slechts microgrammen – van deze verontreinigende stoffen in water, ze hebben nog steeds kankerverwekkende effecten op mensen en waterdieren. Het aanpassen van zuiveringsinstallaties om te filteren op microverontreinigingen is duur, Barkdoll en Alizadeh Fard leiden om mogelijke oplossingen te onderzoeken.

"Deze verontreinigingen hebben langetermijneffecten op de gezondheid, " zegt Alizadeh Fard. "De meeste van onze zuiveringsinstallaties zijn niet ontworpen om ze uit het water te verwijderen, dus het is belangrijk om een ​​betrouwbare oplossing te vinden om het probleem aan te pakken."

De onderzoekers kwamen op het idee om verontreinigende stoffen uit water te adsorberen. Adsorptie treedt op wanneer moleculen in wezen aan een oppervlak blijven kleven. De eerste methode die Alizadeh Fard en Barkdoll testten, was het gebruik van met polymeer beklede magnetische nanodeeltjes om Tonalide te adsorberen (gebruikt om geuren te maskeren en wordt vaak aangetroffen in wasmiddelen), Bisfenol-A (beter bekend als BPA, gebruikt om plastic helder en taai te maken), Triclosan (een antibacterieel en schimmeldodend middel dat wordt gebruikt in schoonmaakproducten dat nu verboden is), Metolachloor (een herbicide), Ketoprofen (een ontstekingsremmer) en oestriol (een oestrogeensupplement).

De met polymeer beklede magnetische nanodeeltjes waren het meest effectief in het adsorberen van ketoprofen en BPA, het verwijderen van de verontreinigende stoffen in 15 minuten met een effectiviteit van 98 en 95 procent, respectievelijk, met slechts 0,1 milligram van het adsorbens.

Maar wat gebeurt er als de nanodeeltjes hun werk hebben gedaan? Omdat het adsorbens magnetisch is, de onderzoekers kunnen magneten gebruiken om de nanodeeltjes uit het water te halen.

Barkdoll en Alizadeh Fard zeggen dat een van de belangrijkste componenten van hun werk is dat de adsorbentia herbruikbaar zijn nadat ze zijn gespoeld met een herstellende methanoloplossing. In het labortorium, de met polymeer gecoate nanodeeltjes werden vijf keer hersteld en opnieuw gebruikt voordat ze een verminderde effectiviteit zagen.

De onderzoekers hebben ook magnetische koolstofnanobuisjes en actieve kool als absorptiemiddelen gebruikt. Tijdens de laboratoriumproeven de met polymeer beklede nanodeeltjes zijn tot nu toe het meest efficiënt gebleken.

Volgende stappen:het onderzoek empirisch valideren

De onderzoekers zeggen dat de volgende fase is om op te schalen voor gebruik in waterzuiveringsinstallaties. Het verwijderen van microverontreinigingen uit water met behulp van technologie die duurzaam en betaalbaar is, biedt het potentieel om de gezondheid van mens en water te beschermen zonder dure aanpassing van zuiveringsinstallaties.

Helaas, enkele van de grootste problemen van de mensheid hebben ze zelf veroorzaakt. Maar baanbrekende en validerende technologieën om door mensen gecreëerde problemen op te lossen, zijn al lang voorzien en zullen ongetwijfeld doorgaan.

"Burgerlijke en milieu-ingenieurs zullen moeten omgaan met de handen van de samenleving, " zegt Alizadeh Fard. "We zullen nanodeeltjes moeten verwijderen, en andere dingen zoals opioïden. Het is een onderwerp dat we ook politiek en sociaal moeten bespreken."