Según las Naciones Unidas, 2,1 mil millones de personas carecen de acceso a servicios de agua potable administrados de manera segura, la mayoría de los cuales viven en países en desarrollo.
Los profesores de Ingeniería Biomédica e Ingeniería Química de la Universidad Carnegie Mellon, Bob Tilton y Todd Przybycien, recientemente fueron coautores de un trabajo con los estudiantes de doctorado Brittany Nordmark y Toni Bechtel, y el ex alumno John Riley, refinando aún más un proceso que pronto podría ayudar a proporcionar agua limpiaEl proceso, creado por la ex alumna y coautora de Tilton, Stephanie Velegol, utiliza arena y materiales vegetales fácilmente disponibles en muchos países en desarrollo para crear un medio de filtración de agua barato y eficaz, denominado "arena f"."
"F-sand" utiliza proteínas de la Moringa oleifera planta, un árbol nativo de la India que crece bien en climas tropicales y subtropicales. El árbol se cultiva para alimentos y aceites naturales, y las semillas ya se usan para un tipo de purificación de agua rudimentaria. Sin embargo, este medio tradicional de purificación dejadetrás de grandes cantidades de carbono orgánico disuelto DOC de las semillas, lo que permite que las bacterias vuelvan a crecer después de solo 24 horas. Esto deja solo una pequeña ventana en la que el agua es potable.
Velegol, quien ahora es profesor de ingeniería química en la Universidad Penn State, tuvo la idea de combinar este método de purificación de agua con métodos de filtración de arena comunes en las áreas en desarrollo. Al extraer las proteínas de las semillas y adsorberlas adherirlas a la superficiede partículas de sílice, el componente principal de la arena, ella creó la arena F. La arena F mata los microorganismos y reduce la turbidez, adhiriéndose a partículas y materia orgánica. Estos contaminantes indeseables y el DOC se pueden lavar, dejando el agua limpia por más tiempo, y el f-sand listo para su reutilización.
Si bien el proceso básico fue comprobado y efectivo, todavía había muchas preguntas sobre la creación y el uso de f-sand, preguntas que Tilton y Przybycien resolvieron responder.
Aislaría ciertas proteínas del M. oleifera ¿las semillas aumentan la efectividad de f-sand? ¿Son importantes los ácidos grasos y los aceites encontrados en las semillas para el proceso de adsorción? ¿Qué efecto tendrían las condiciones del agua? ¿Qué concentración de proteínas es necesaria para crear un producto efectivo?
Las respuestas a estas preguntas podrían tener grandes implicaciones en el futuro de f-sand.
Fraccionamiento
La semilla de M. oleifera contiene al menos ocho proteínas diferentes. La separación de estas proteínas, un proceso conocido como fraccionamiento, introduciría otro paso al proceso. Antes de su investigación, los autores teorizaron que aislar ciertas proteínas podría proporcionar un producto final más eficiente.
Sin embargo, durante el transcurso de las pruebas, Tilton y Przybycien descubrieron que este no era el caso. El fraccionamiento de las proteínas tuvo poco efecto discernible sobre la capacidad de las proteínas para adsorberse a las partículas de sílice, lo que significa que este paso era innecesario para la arena fproceso de creación.
El hallazgo de que el fraccionamiento es innecesario es particularmente ventajoso para el escenario de escasez de recursos en el que se pretende utilizar f-sand. Dejar este paso fuera del proceso ayuda a reducir costos, reducir los requisitos de procesamiento y simplificar el proceso general.
ácidos grasos
una de las principales razones M. oleifera actualmente se cultiva para los ácidos grasos y aceites que se encuentran en las semillas. Estos se extraen y se venden comercialmente. Tilton y Przybycien estaban interesados en saber si estos ácidos grasos también tenían un efecto en el proceso de adsorción de proteínas.
Descubrieron que al igual que el fraccionamiento, la eliminación de los ácidos grasos tenía poco efecto sobre la capacidad de las proteínas para adsorberse. Este hallazgo también tiene implicaciones beneficiosas para aquellos que desean implementar este proceso en las regiones en desarrollo. Debido a la presencia o ausencia de ácidos grasosen las semillas tiene poco efecto en la creación o función de la arena f, las personas en la región pueden eliminar y vender el aceite comercialmente valioso, y aún así pueden extraer las proteínas de las semillas restantes para la filtración de agua.
concentración
Otro parámetro del proceso de fabricación de arena f que probaron Tilton y Przybycien fue la concentración de proteínas de semillas necesarias para crear un producto efectivo. La concentración necesaria tiene un impacto importante en la cantidad de semillas requerida, lo que a su vez tiene un efecto directoen eficiencia general y rentabilidad.
La clave para lograr la concentración adecuada es asegurarse de que haya suficientes proteínas cargadas positivamente para superar la carga negativa de las partículas de sílice a las que están unidas, creando una carga positiva neta. Esta carga positiva es crucial para atraer el orgánico cargado negativamentemateria, partículas y microbios que contaminan el agua.
Esto se relaciona con otra mejora potencial para el tratamiento del agua potable investigada por Tilton, Przybycien y Nordmark en una publicación separada. En este proyecto, utilizaron proteínas de semillas para coagular contaminantes en el agua antes de la filtración de arena f. Esto también depende decontrolando la carga de los contaminantes, que se coagulan cuando se neutralizan. Aplicar demasiada proteína puede sobrecargar los contaminantes e inhibir la coagulación.
"Hay una especie de punto dulce en el medio", dice Tilton, "y radica en los detalles de cómo las diferentes proteínas en estas mezclas de proteínas de semillas compiten entre sí por la adsorción a la superficie, que tiende a ampliar ese dulceMancha."
Este amplio rango de concentraciones significa que no solo se pueden crear procesos de tratamiento de agua a concentraciones relativamente bajas, conservando así los materiales, sino que hay poco riesgo de causar accidentalmente contaminación del agua al sobrepasar la concentración. En áreas donde las medidas exactas pueden ser difícileshacer, esto es crucial.
dureza del agua
La dureza del agua se refiere a la cantidad de minerales disueltos en el agua. Aunque los laboratorios a menudo usan agua desionizada, en un proceso destinado a aplicarse en una variedad de entornos del mundo real, los investigadores deben prepararse para condiciones de agua blanda y dura.
Tilton y Przybycien descubrieron que las proteínas podían adsorberse bien a las partículas de sílice y coagular contaminantes suspendidos, tanto en condiciones de agua blanda como dura. Esto significa que el proceso podría ser viable en una amplia gama de regiones, independientemente deDureza del agua.
Tilton y Przybycien publicaron recientemente un artículo sobre esta investigación " Moringa oleifera Adsorción de proteína de semilla a la sílice: efectos de la dureza del agua, el fraccionamiento y la extracción de ácidos grasos, "en ACS Langmuir .
En general, las conclusiones a las que llegaron Tilton, Przybycien y sus colegas autores tienen importantes beneficios para aquellos en los países en desarrollo que buscan una forma de purificación de agua barata y fácilmente accesible. Su trabajo coloca esta novedosa innovación un paso más cerca decampo, ayudando a forjar el camino que algún día puede ver la arena f desplegada en comunidades de todo el mundo en desarrollo. Han demostrado que el proceso de fabricación de arena f muestra un alto grado de flexibilidad, ya que puede trabajar en un rangode las condiciones del agua y las concentraciones de proteínas sin requerir la presencia de ácidos grasos o la necesidad de fraccionamiento.
"Es un área donde la complejidad podría conducir al fracaso; cuanto más complejo es, más formas en que algo podría salir mal", dice Tilton. "Creo que la conclusión es que esto respalda la idea de que la tecnología más simple podría serel mejor "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería, Universidad Carnegie Mellon . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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