År 2025 beräknas det att nästan 2 miljarder människor kommer att bo i områden med vattenbrist. Dessa prognoser pekar på behovet av avancerad vatten- och avloppsreningsteknik för att tillhandahålla alternativ för ett ständigt ökande vattenbehov.

Ett av stegen i vattensanering är filtrering, för att ta bort skadliga patogener som bakterier, virus och andra oönskade partiklar. Pågående forskningsprojekt vid Texas A&M University bygger på tidigare arbete för att förbättra filtreringsmetoder för att tillhandahålla kostnadseffektiva, rent dricksvatten.

Dr Shankar Chellam, J. Walter "Deak" Porter '22 &James W. "Bud" Porter '51 Professor vid Zachry Department of Civil Engineering, tilldelades nyligen två National Science Foundation-anslag för att lösa filtreringsutmaningar. Ett, ett samarbetsprojekt med Dr Ruth Baltus från Clarkson University, försöker förstå faktorer som tillåter mer komplexa partiklar som virus genom filtermembranet. Den andra, ett samarbetsprojekt med Dr. Nick Cogan från Florida State University, är att bestämma en lösning för att åtgärda den tillhörande igensättningen av dessa filter.

Att förhindra viruskontamination av dricksvatten är av största vikt för folkhälsan. Medan teknologier som mikro- och ultrafiltrering direkt kan ta bort svårdesinficerade parasiter, såsom Giardia och Cryptosporidium, tillsammans med de flesta bakterier och andra material, dessa metoder är inte effektiva för att ta bort virus och vissa bakterier. Tidigare filtreringsmodeller betraktade partiklar med en enklare form, som sfärer och kapslar. Med dessa former i åtanke, filter har utformats för att ge den ultimata avvisningsgraden. Dock, virus och bakterier finns i många former och storlekar. Vissa har till och med ett "huvud" och "svans" som kan ge dem en fördel att glida igenom filtret.

"Tänk på filtret som en hinderbana, ", sade Chellam. "Majoriteten av föroreningar kasseras när de passerar genom filtret. Dock, vissa kan manövrera genom filtret på grund av en mer flexibel form eller förmåga att deformeras eller bryta isär."

När ett filter används blir det kakade med partiklar. De nuvarande täppningssvaren för att regenerera filtret resulterar i en hög tidskostnad, arbets- eller materialkostnader.

En primär lösning som teamet eftersträvar är att stelna eller klumpa ihop virusen, öka deras storlek för att bättre filtrera dem, vilket samtidigt påverkar mängden filtertilltäppning. Som svar på igensättningsproblemet, teamet planerar att studera en backspolningsprocess för att rensa upp det igensatta filtret. Teamet kommer periodiskt att vända riktningen på vattenflödet för att ta bort partiklarna som ursprungligen deponerades på filterytan. Resultaten av teamets arbete kommer att vara användbara för kommunala och industriella vattenreningssamhällen där dessa lösningar skulle minska kapital- och energikostnaderna.

Teamet kommer också att studera mekaniken bakom virus som passerar genom filterporerna. Även om denna del av arbetet kanske inte erbjuder en lösning på problemet, det kommer att lägga till den grundläggande förståelsen för virusrörlighet och filtrering. Detta speciella projekt kommer att fokusera på det bästa sättet att hindra olika formade partiklar, som tailed virus, flexibla filamentösa virus och deformerbara bakterier, över membran.

En viktig aspekt av forskningen är att experiment kommer att utformas för att efterlikna komplexa system som representerar verkliga system. Genom integrerade experimentella och teoretiska ansträngningar, teamet strävar efter att utveckla en förbättrad förståelse för de faktorer som gör att partiklar kan transporteras genom filter.

När väl de undersökta metoderna visar sig vara effektiva och pekar på en sann förståelse för hur patogener filtreras, då kan filtermembran implementeras optimalt. Om och när de är, de kommer att fungera bättre än befintliga, konventionella sandfilter för att förbättra folkhälsan och förhindra kontaminering i industriella och biotekniska processer. Detta kommer att förneka behovet av att ta det konservativa tillvägagångssättet att använda ett tätare membranfilter med mycket små porer vilket ökar kostnaden i onödan.

Dessa två bidrag har också konsekvenser för "distribuerad" vattenrening, som beskriver behandling på plats snarare än en centraliserad behandling, till exempel i nödsituationer efter orkaner eller översvämningar. Även om membranfiltreringstekniken ännu inte är utbredd på grund av de relativt höga kostnaderna och avsaknaden av en förenklad, användbar metod, en framgångsrik avslutning av forskningen kommer att göra det möjligt för mer av den avancerade tekniken att implementeras för kommunala och industriella tillämpningar.

Resultat som genereras från detta projekt kommer att vara viktiga för en mer optimal design av mikro- och ultrafiltreringssystem och för praktiska tillämpningar relaterade till vatten- och avloppsvattenrening och livsmedel, bioteknisk och farmaceutisk verksamhet. Bredare utbildningseffekter inkluderar utvecklingen av vetenskapsuppsökande aktiviteter inriktade på vetenskap, teknologi, teknik och matematik (STEM) i grundskolan.