Nästa generation av forskare och uppfinnare hittar redan metoder för att ta itu med samhällets problem. Idag rapporterar en grupp gymnasieelever och deras instruktör en lösning på problemet med blyförorening i dricksvatten – ett billigt krantillbehör som tar bort denna giftiga metall. Till skillnad från konventionella filter som för närvarande finns på marknaden, inkluderar deras en patron gjord av biologiskt nedbrytbar plast och indikerar när den är "förbrukad" genom att gula kranvattnet.

Forskarna kommer att presentera sina resultat idag vid American Chemical Societys (ACS) vårmöte.

"För några år sedan såg jag en video av en kvinna i Michigan som slog på sitt kranvatten, och det blev brunt", säger Rebecca Bushway, som är projektets huvudutredare. Hon presenterar också arbetet på mötet. "Det fick mig att tänka - eftersom det verkligen inte finns någon säker nivå av bly i dricksvattnet, skulle det inte vara bra att ha ett vattenfilter som kan tala om för dig att ditt vatten är förorenat, långt innan det blir brunt på grund av bly?"

Även om vissa rör har sanerats i USA, får miljontals hem, särskilt de i låginkomstsamhällen, fortfarande dricksvatten genom blyinnehållande rör. Om vattnets kemi inte är idealisk, eller det flyter snabbt på grund av hög efterfrågan, kan rören korrodera. När det frätande materialet innehåller bly löses eller flagnar den giftiga metallen i vattnet och förorenar det med en mörk missfärgning och ibland synliga partiklar.

Tills gamla rör kan ersättas med blyfria versioner, kan filter hjälpa till att ta bort eller minska denna förorening från kranvatten. Även om olika blyfiltreringssystem finns, kan deras höga kostnad och stora storlek utgöra hinder. Dessutom ger få av dem någon indikation på att de bör bytas, och ingen indikerar att vattnet skulle kunna utgöra en omedelbar hälsorisk.

Bushway, en naturvetenskapslärare vid Barrie Middle and Upper School, undrade högt för sin kemiklass på högstadiet om det fanns ett litet filter – liknande de som är gjorda för camping för att rena vatten – som de kunde göra av billiga komponenter för att enkelt ta bort bly. Eleverna var entusiastiska över idén och de började tänka på projektet 2020 när covid-19-restriktioner höll dem utanför klassrummet. Medan de var hemma träffades teamet virtuellt och diskuterade design för ett tillbehör för att skruva ett filter på en vattenkran. Sedan vårterminen 2021, när de återvände till klassrummet, 3D-printade de bilagan och ett 3 tum högt filterhus, med en biologiskt nedbrytbar plast. Deras sista steg var att fylla patronerna med en blandning av kalciumfosfat och kaliumjodidpulver.

"Kalciumfosfat binder först med löst bly i vatten och bildar blyfosfat och fritt kalcium. Kalciumet, som är ofarligt, hamnar i vattnet och blyfosfatet stannar i filtret", förklarar Bushway. Blyfosfat, som är ett inert fast ämne, fångas inuti filtret av en nylonskärm på enhetens botten. När reaktionskapaciteten för kalciumfosfatet har uppnåtts, reagerar löst bly med kaliumjodid, vilket gör vattnet gult, en indikator på att bly är närvarande.

Och även om kemin i sig är ganska enkel, har det varit mer komplicerat att skapa vattenfiltreringssystemet för att göra vad forskarna tänkt sig. Till exempel tenderar kalciumfosfat att klumpa ihop sig, vilket gör att reaktionshastigheten mellan fosfat och bly minskar när ytan minskar. Så, teamets ledande ingenjörsstudent inkorporerade sexkantiga avfasningar inuti filtret. "Det här är en innovation, som kom från en av gymnasieeleverna, som kommer att få vattnet att spiralera när det går igenom och hindra pulvret från att klumpa sig", säger Bushway.

Därefter kommer eleverna att lägga till en liten spektrofotometer med en enda våglängds lysdiod till botten av filterpatronen, där vattnet matas ut. Deras plan är att ha en indikatorlampa som tänds så snart detektorn identifierar blyjodidens gula färg. Bushway säger att detta kommer att indikera att bly finns i vattnet, även innan färgen kan upptäckas av ett mänskligt öga.

Teamets mål är att tillverka och sälja sina filter för mindre än $1 styck, vilket Bushway tror att de är på väg att göra. Eftersom höljena använder biologiskt nedbrytbar plast kan kostnaden utvecklas lite högre, men materialet skulle bidra till att minska filtrets totala miljöpåverkan.

Processen med att utveckla filtret har varit mycket tillfredsställande, enligt Bushway. "I slutändan har den här erfarenheten visat eleverna att de kan göra skillnad för någon, och det finns problem som de kan fixa med naturvetenskap", säger hon. + Utforska vidare

EPA bekräftar att filter minskar bly i Michigan citys vatten