Duktig, Grundläggande ingenjörskonst skulle kunna räcka långt för att förhindra vattenburna sjukdomar och exponering för cancerframkallande ämnen i vatten.

De flesta av oss är vana vid att öppna en kran och vatten kommer ut. Vi ifrågasätter sällan om detta kommer att hända eller om vattnet är tillräckligt rent för att bada i eller dricka. Även om processen att upprätthålla vattenkvaliteten är praktiskt taget osynlig för de flesta av oss, att ta bort bakterier och föroreningar från vatten kräver mycket ansträngning från både människor och behandlingssystem.

Mohammad Alizadeh Fard, en doktorand vid Michigan Techs avdelning för civil- och miljöteknik, och Brian Barkdoll, professor i byggnads- och miljöteknik, utvecklar lågteknologiska, överkomliga lösningar för att förbättra vattenkvaliteten i kommunala vattentankar, och att avlägsna mikroföroreningar från vatten med hjälp av förnybara material.

Deras forskning har publicerats i tre tidskrifter: Journal of Hydraulic Engineering , Journal of Molecular Liquids , och Kolloider och ytor A —med ett fjärde dokument i väntan på granskning. Deras arbete bevisar att lösningar på irriterande problem kan vara eleganta i sin enkelhet.

En elegant, Lågteknologisk lösning

I samhällen runt om i landet, Det finns stora vattentankar för kommunalt dricksbruk. Många sådana tankar har en ledning för att förse tanken med vatten, och en linje ut. Dock, dessa ledningar in och ut är ofta vid tankens botten. Även om tankarna fylls på dagligen, vattnet på toppen av tanken används aldrig och blir stillastående. Även om många kommunala vattenförsörjningar behandlas med klor, det översta vattenlagret kan bli en grogrund för bakterier, alger eller vattenburna sjukdomar, såsom giardia och E. coli.

"Om vattnet inte rör sig, (bakterier och alger) kan börja växa, " Barkdoll säger. "Det kanske inte kommer ursprungligen från vattenkällan; det kan vara från luften. Eller så kan kloret i det stillastående vattnet vara förbrukat efter en tid. Du vill att vattnet ska fortsätta röra sig, särskilt i varma regioner i landet."

Men om det är en stor brand i samhället eller den omgivande landsbygden, vattentanken dras ner betydligt, och folk dricker sedan det stillastående vattnet.

"Så, när du har en eld, allt stillastående vatten går ut till allas hus, " säger Barkdoll. "Efter en brand, människor blir sjuka, det är en känd sak. Det är problemet som vi försöker lösa."

För att åtgärda problemet, Alizadeh Fard och Barkdoll skapade duschhuvudliknande tillbehör som kan läggas till nya eller befintliga vattentankar för minimal kostnad. Lägga till en PVC-rörsprinkler på toppen av tanken, och en omvänd sprinkler i botten av tanken, sprutar in vatten i systemet och håller allt vatten cirkulerande. Alizadeh Fard och Barkdoll publicerade sin artikel om detta enkla men effektiva system i Journal of Hydraulic Engineering den 15 mars. De hoppas att det kommer att vara en lågteknologisk lösning som är lätt att använda för vattenkvalitetschefer.

Osynligt hot:mikroföroreningar

Men organiska föroreningar är inte den enda källan till förorenat vatten. Få kommunala system är utrustade för att hantera mikroföroreningar – som läkemedel, hormoner, mikroplaster, nanopartiklar i strumpor och syntetisk fleece, och svampdödande föreningar – även typer av industriavfall som finns i mycket låga koncentrationer. Trots de små mängderna - bara mikrogram - av dessa föroreningar i vatten, de har fortfarande cancerframkallande effekter på människor och vattenlevande varelser. Att eftermontera reningsverk för att filtrera efter mikroföroreningar är dyrt, leder Barkdoll och Alizadeh Fard att utforska potentiella lösningar.

"Dessa föroreningar har långsiktiga effekter på hälsan, " säger Alizadeh Fard. "De flesta av våra reningsverk har inte utformats för att ta bort dem från vattnet, så det är viktigt att hitta en pålitlig lösning för att lösa problemet."

Forskarna slog till på idén att adsorbera föroreningar från vatten. Adsorption uppstår när molekyler i huvudsak fastnar på en yta. Den första metoden som Alizadeh Fard och Barkdoll testade var att använda polymerbelagda magnetiska nanopartiklar för att adsorbera tonalid (används för att maskera lukter och finns ofta i tvättmedel), Bisfenol-A (bättre känd som BPA, används för att göra plast klar och seg), Triclosan (ett antibakteriellt och antisvampmedel som används i rengöringsprodukter som nu är förbjudet), Metolaklor (en ogräsmedel), Ketoprofen (ett antiinflammatoriskt medel) och Estriol (ett östrogentillskott).

De polymerbelagda magnetiska nanopartiklarna var mest effektiva för att adsorbera Ketoprofen och BPA, ta bort föroreningarna på 15 minuter med 98 och 95 procent effektivitet, respektive, med endast 0,1 milligram av adsorbenten.

Men vad händer när nanopartiklarna har gjort sitt? Eftersom adsorbenten är magnetisk, forskarna kan använda magneter för att ta bort nanopartiklarna från vattnet.

Barkdoll och Alizadeh Fard säger att en av nyckelkomponenterna i deras arbete är att adsorbenterna är återanvändbara när de sköljts med en återställande metanollösning. I labbet, de polymerbelagda nanopartiklarna återställdes och användes igen fem gånger innan de såg minskad effektivitet.

Forskarna har även använt magnetiska kolnanorör och aktivt kol som absorbenter. Under labbförsöken, de polymerbelagda nanopartiklarna har hittills visat sig vara de mest effektiva.

Nästa steg:Validera forskningen empiriskt

Forskarna säger att nästa fas är att skala upp för användning i vattenreningsverk. Att ta bort mikroföroreningar från vatten med hjälp av teknologi som är hållbar och prisvärd erbjuder potentialen att skydda människors och vattenlevande hälsa utan dyrbar eftermontering av reningsverk.

Tyvärr, några av mänsklighetens största problem är de som de själva har skapat. Men banbrytande och validering av teknik för att lösa mänskligt skapade problem har länge varit förutseende och kommer utan tvekan att fortsätta.

"Civil- och miljöingenjörer kommer att behöva hantera vad samhället överlämnar till oss, " Alizadeh Fard säger. "Vi måste ta bort nanopartiklar, och andra saker som opioider. Det är ett ämne vi måste diskutera politiskt och socialt också."