Внутренняя часть нецветущих деревьев, таких как сосна и гинкго, содержит заболонь, выстланную соломоподобными каналами, известными как ксилема, по которым вода поднимается вверх через ствол и ветви дерева. Каналы ксилемы соединены между собой тонкими мембранами, которые действуют как естественные сита, отфильтровывая пузырьки из воды и сока.
Инженеры Массачусетского технологического института исследовали естественную фильтрующую способность заболони и ранее изготовили простые фильтры из очищенных поперечных сечений веток заболони, продемонстрировав, что низкотехнологичная конструкция эффективно фильтрует бактерии.
Теперь та же команда усовершенствовала технологию и показала, что она работает в реальных ситуациях. Они изготовили новые ксилемные фильтры, которые могут отфильтровывать патогены, такие как кишечная палочка и ротавирус, в лабораторных тестах, и показали, что фильтр может удалять бактерии из загрязненных родниковых, водопроводных и грунтовых вод. Они также разработали простые методы продления срока годности фильтров, позволяющие древесным дискам очищать воду после хранения в сухом виде не менее двух лет.
Исследователи перенесли свои методы в Индию, где изготовили ксилемные фильтры из местных деревьев и протестировали фильтры на местных пользователях. Основываясь на их отзывах, команда разработала прототип простой системы фильтрации, оснащенной сменными ксилемными фильтрами, очищающими воду со скоростью один литр в час.
Их результаты, опубликованные сегодня в Nature Communications, показывают, что ксилемные фильтры могут использоваться в общественных местах для удаления бактерий и вирусов из загрязненной питьевой воды.
Исследователи изучают возможности сделать ксилемные фильтры доступными в больших масштабах, особенно в районах, где загрязненная питьевая вода является основной причиной болезней и смертей. Команда запустила веб-сайт с открытым исходным кодом, на котором размещены рекомендации по проектированию и изготовлению ксилемных фильтров из различных типов деревьев. Веб-сайт предназначен для поддержки предпринимателей, организаций и лидеров в представлении технологии более широким сообществам и вдохновения студентов на проведение собственных научных экспериментов с ксилемными фильтрами.
«Поскольку сырье широко доступно, а процессы изготовления просты, можно представить себе участие сообществ в закупке, изготовлении и распространении ксилемных фильтров», - говорит Рохит Карник, профессор машиностроения и заместитель начальника отдела образования. в Массачусетском технологическом институте. «Для мест, где единственным вариантом было пить нефильтрованную воду, мы ожидаем, что ксилемные фильтры улучшат здоровье и сделают воду пригодной для питья."
Соавторы исследования Карник - ведущий автор Критика Рамчандер и Люда Ван с факультета машиностроения Массачусетского технологического института, а также Мега Хегде, Аниш Энтони, Кендра Лейт и Эми Смит из MIT D-Lab.
Расчищая путь
В своих предыдущих исследованиях ксилемы Карник и его коллеги обнаружили, что природная фильтрующая способность древесного материала также имеет некоторые естественные ограничения. Когда древесина высохла, ситовидные мембраны ветвей начали прилипать к стенкам, уменьшая проницаемость фильтра или способность пропускать воду. Фильтры также, по-видимому, со временем «самозабиваются», накапливая древесные частицы, которые забивают каналы.
Удивительно, но два простых лечения преодолели оба ограничения. Замачивая небольшие поперечные сечения заболони в горячей воде в течение часа, затем опуская их в этанол и давая им высохнуть, Рамчандер обнаружил, что материал сохраняет свою проницаемость, эффективно фильтруя воду, не засоряя ее. Его фильтрацию также можно улучшить, настроив толщину фильтра в соответствии с типом дерева.
Исследователи нарезали и обработали небольшие поперечные срезы белой сосны с ветвей вокруг кампуса Массачусетского технологического института и показали, что полученные фильтры сохраняют проницаемость, сравнимую с коммерческими фильтрами, даже после хранения до двух лет, что значительно продлевает срок службы. срок годности фильтров.
Исследователи также проверили способность фильтров удалять загрязняющие вещества, такие как кишечная палочка и ротавирус - наиболее частая причина диарейных заболеваний. Обработанные фильтры удалили более 99 процентов обоих загрязняющих веществ, уровень очистки воды соответствует категории «две звезды комплексной защиты», установленной Всемирной организацией здравоохранения..
«Мы думаем, что эти фильтры могут разумно бороться с бактериальными загрязнениями», - говорит Рамчандер. «Но есть химические загрязнители, такие как мышьяк и фтор, действие которых мы пока не знаем», - отмечает она.
Основы
Воодушевленные результатами, полученными в лаборатории, исследователи отправились на полевые испытания своих разработок в Индию, страну с самым высоким в мире уровнем смертности от болезней, передающихся через воду, и где питьевая вода безопасна и надежна. вода недоступна для более чем 160 миллионов человек.
Более двух лет инженеры, в том числе исследователи из D-Lab Массачусетского технологического института, работали в горных и городских районах при содействии местных неправительственных организаций Himmotthan Society, Shramyog, Peoples Science Institute и Essmart. Они изготовили фильтры из местных сосен и протестировали их вместе с фильтрами из деревьев гинкго в США в местных источниках питьевой воды. Эти тесты подтвердили, что фильтры эффективно удаляют бактерии, обнаруженные в местной воде. Исследователи также провели интервью, фокус-группы и семинары по проектированию, чтобы понять текущую практику использования воды местными сообществами, а также проблемы и предпочтения в отношении решений по очистке воды. Они также собрали отзывы о дизайне.
«Одна из вещей, которые очень высоко оценили люди, заключалась в том, что этот фильтр представляет собой натуральный материал, который все узнают», - говорит Хегде. «Мы также обнаружили, что люди в домохозяйствах с низким доходом предпочитают платить меньшую сумму ежедневно, чем большую сумму реже. Это было препятствием для использования существующих фильтров, потому что стоимость замены была слишком высокой».
Используя информацию от более чем 1000 потенциальных пользователей по всей Индии, они разработали прототип простой системы фильтрации, снабженной емкостью наверху, которую пользователи могут наполнять водой. Вода стекает по трубе длиной 1 метр, проходит через ксилемный фильтр и выходит через носик с клапаном. Ксилемный фильтр можно заменять ежедневно или еженедельно, в зависимости от потребностей семьи.
Команда изучает способы производства ксилемных фильтров в больших масштабах с использованием местных ресурсов и таким образом, чтобы поощрять людей практиковать очистку воды как часть своей повседневной жизни - например, путем предоставления сменных фильтров по доступным ценам., пакеты с оплатой по мере использования.
"Фильтры Xylem изготавливаются из недорогих и широко доступных материалов, которые могут быть доступны в местных магазинах, где люди могут купить то, что им нужно, без предварительных вложений, как это характерно для других картриджей для фильтров для воды", Карник говорит. «На данный момент мы показали, что ксилемные фильтры обеспечивают реалистичную производительность».