Enligt FN, 2,1 miljarder människor saknar tillgång till säkert hanterade dricksvattentjänster, av vilka majoriteten bor i utvecklingsländer.

Carnegie Mellon Universitys professorer i biomedicinsk teknik och kemiteknik Bob Tilton och Todd Przybycien var nyligen medförfattare till en uppsats tillsammans med Ph.D. studenter Brittany Nordmark och Toni Bechtel, och alumnen John Riley, ytterligare förfina en process som snart kan bidra till att ge rent vatten till många i områden med vattenbrist. Processen, skapad av Tiltons tidigare student och medförfattare Stephanie Velegol, använder sand och växtmaterial som är lätt tillgängliga i många utvecklingsländer för att skapa ett billigt och effektivt vattenfiltreringsmedium, kallas "f-sand".

"F-sand" använder proteiner från Moringa oleifera-växten, ett träd hemma i Indien som växer bra i tropiska och subtropiska klimat. Trädet odlas för mat och naturliga oljor, och fröna används redan för en typ av rudimentär vattenrening. Dock, detta traditionella sätt att rening lämnar efter sig stora mängder löst organiskt kol (DOC) från fröna, så att bakterier kan växa igen efter bara 24 timmar. Detta lämnar bara ett kort fönster där vattnet är drickbart.

Velegol, som nu är professor i kemiteknik vid Penn State University, hade idén att kombinera denna metod för vattenrening med sandfiltreringsmetoder som är vanliga i utvecklingsområden. Genom att extrahera fröproteinerna och adsorbera (häfta) dem till ytan av kiseldioxidpartiklar, huvudkomponenten i sand, hon skapade f-sand. F-sand både dödar mikroorganismer och minskar grumlighet, fastnar på partiklar och organiskt material. Dessa oönskade föroreningar och DOC kan sedan tvättas ut, lämnar vattnet rent längre, och f-sanden redo för återanvändning.

Även om den grundläggande processen var bevisad och effektiv, det fanns fortfarande många frågor kring f-sands skapande och användning – frågor Tilton och Przybycien löste sig på att besvara.

Skulle isolering av vissa proteiner från M. oleifera-frön öka f-sandens effektivitet? Är fettsyrorna och oljorna som finns i fröna viktiga för adsorptionsprocessen? Vilken effekt skulle vattenförhållandena ha? Vilken koncentration av proteiner krävs för att skapa en effektiv produkt?

Svaren på dessa frågor kan få stora konsekvenser för framtiden för f-sand.

Fraktionering

Fröet av M. oleifera innehåller minst åtta olika proteiner. Att separera dessa proteiner, en process som kallas fraktionering, skulle införa ytterligare ett steg i processen. Inför sin forskning, författarna teoretiserade att isolering av vissa proteiner kan ge en mer effektiv färdig produkt.

Dock, genom testförloppet, Tilton och Przybycien fann att så inte var fallet. Fraktionering av proteinerna hade liten märkbar effekt på proteinernas förmåga att adsorbera till kiseldioxidpartiklarna, vilket innebär att det här steget var onödigt för processen för att skapa f-sand.

Upptäckten att fraktionering är onödig är särskilt fördelaktigt för det resursknappa scenariot där f-sand är tänkt att användas. Att lämna detta steg utanför processen hjälper till att minska kostnaderna, lägre bearbetningskrav, och förenkla den övergripande processen.

Fettsyror

En av de främsta anledningarna till att M. oleifera odlas för närvarande är fettsyrorna och oljorna som finns i fröna. Dessa utvinns och säljs kommersiellt. Tilton och Przybycien var intresserade av att veta om dessa fettsyror också hade en effekt på proteinadsorptionsprocessen.

De fann att det liknar fraktionering, avlägsnandet av fettsyrorna hade liten effekt på proteinernas förmåga att adsorbera. Denna upptäckt har också positiva konsekvenser för dem som vill implementera denna process i utvecklingsregioner. Eftersom närvaron eller frånvaron av fettsyror i fröna har liten effekt på skapandet eller funktionen av f-sand, människor i regionen kan ta bort och sälja den kommersiellt värdefulla oljan, och fortfarande kunna extrahera proteinerna från de återstående fröna för vattenfiltrering.

Koncentration

En annan parameter i tillverkningsprocessen för f-sand som Tilton och Przybycien testade var koncentrationen av fröproteiner som behövs för att skapa en effektiv produkt. Den nödvändiga koncentrationen har stor inverkan på mängden frön som krävs, vilket i sin tur har en direkt effekt på den totala effektiviteten och kostnadseffektiviteten.

Nyckeln till att uppnå rätt koncentration är att se till att det finns tillräckligt med positivt laddade proteiner för att övervinna den negativa laddningen av kiseldioxidpartiklarna som de är fästa vid, skapar en positiv nettoladdning. Denna positiva laddning är avgörande för att attrahera det negativt laddade organiska materialet, partiklar, och mikrober som förorenar vattnet.

Detta hänför sig till en annan potentiell förbättring av dricksvattenrening som undersökts av Tilton, Przybycien, och Nordmark i en separat publikation. I detta projekt, de använde fröproteiner för att koagulera föroreningar i vattnet innan f-sandfiltrering. Detta förlitar sig också på att kontrollera laddningen av föroreningarna, som koagulerar när de neutraliseras. Att applicera för mycket protein kan överladda föroreningarna och hämma koagulationen.

"Det finns typ en söt plats i mitten, säger Tilton, "och det ligger i detaljerna om hur de olika proteinerna i dessa fröproteinblandningar konkurrerar med varandra om adsorption till ytan, som tenderade att bredda den söta punkten."

Detta breda intervall av koncentrationer innebär att vattenreningsprocesser inte bara kan skapas vid relativt låga koncentrationer, därigenom bevara material, men att det är liten risk att av misstag orsaka vattenförorening genom att överskrida koncentrationen. I områden där exakta mätningar kan vara svåra att göra, detta är avgörande.

Vattenhårdhet

Vattenhårdhet avser mängden lösta mineraler i vattnet. Även om laboratorier ofta använder avjoniserat vatten, i en process avsedd att tillämpas i en rad verkliga miljöer, forskare måste förbereda sig för både mjuka och hårda vattenförhållanden.

Tilton och Przybycien fann att proteiner kunde adsorberas väl till kiseldioxidpartiklarna, och för att koagulera suspenderade föroreningar, i både mjukt och hårt vatten. Detta innebär att processen potentiellt kan vara genomförbar i ett brett spektrum av regioner, oavsett vattnets hårdhet.

Tilton och Przybycien publicerade nyligen en artikel om denna forskning, "Moringa oleifera fröproteinadsorption till kiseldioxid:effekter av vattenhårdhet, Fraktionering, och fettsyraextraktion, " i ACS Langmuir .

Övergripande, slutsatserna att Tilton, Przybycien, och deras medförfattare kunde nå har stora fördelar för dem i utvecklingsländer som letar efter en billig och lättillgänglig form av vattenrening. Deras arbete tar denna nya innovation ett steg närmare fältet, hjälpa till att skapa den väg som en dag kan se f-sand utplaceras i samhällen över hela utvecklingsvärlden. De har visat att tillverkningsprocessen för f-sand uppvisar en hög grad av flexibilitet, eftersom det kan arbeta vid en mängd olika vattenförhållanden och proteinkoncentrationer utan att kräva närvaro av fettsyror eller behov av fraktionering.

"Det är ett område där komplexitet kan leda till misslyckande - ju mer komplext det är, desto fler sätt kan något gå fel, " säger Tilton. "Jag tror att slutsatsen är att detta stödjer tanken att den enklare tekniken kan vara den bättre."