Большинство из нас привыкли открывать кран и лить воду. Мы редко задаемся вопросом, произойдет ли это или достаточно ли чистая вода, чтобы в ней можно было купаться или пить. Хотя процесс поддержания качества воды практически незаметен для большинства из нас, удаление бактерий и загрязняющих веществ из воды требует больших усилий как со стороны человека, так и со стороны систем очистки.
Мохаммад Ализаде Фард, докторант факультета гражданской и экологической инженерии Мичиганского технологического института, и Брайан Баркдолл, профессор гражданской и экологической инженерии, разрабатывают низкотехнологичные и доступные решения для улучшения качества воды в муниципальных резервуарах для воды. для удаления микрозагрязнителей из воды с использованием возобновляемых материалов.
Их исследование было опубликовано в трех журналах - Journal of Hydraulic Engineering, Journal of Molecular Liquids и Colloids and Surfaces A - а четвертая статья находится на рассмотрении. Их работа доказывает, что решения сложных проблем могут быть элегантными в своей простоте.
Элегантное низкотехнологичное решение
В общинах по всей стране есть большие резервуары для хранения воды для муниципальных питьевых нужд. Многие такие резервуары имеют входную линию для подачи воды в резервуар и выходную линию. Однако эти линии входа и выхода часто проходят на дне резервуара. Хотя резервуары наполняются ежедневно, вода в верхней части резервуара никогда не используется и застаивается. Несмотря на то, что многие муниципальные системы водоснабжения обрабатываются хлором, верхний слой воды может стать рассадником бактерий, водорослей или болезней, передающихся через воду, таких как лямблии и кишечная палочка.
«Если вода не движется, (бактерии и водоросли) могут начать расти», - говорит Баркдолл.«Это может быть не источник воды, это может быть воздух. Или хлор в стоячей воде может быть израсходован через некоторое время. Вы хотите, чтобы вода продолжала двигаться, особенно в жарких регионах страны».
Но если в сообществе или в окрестностях большой пожар, резервуар для воды значительно опускается, и люди пьют стоячую воду.
«Итак, когда у вас есть огонь, вся стоячая вода уходит в каждый дом», - говорит Баркдолл. «После пожара люди заболевают, это известная вещь. Это проблема, которую мы пытаемся решить».
Чтобы решить эту проблему, Ализаде Фард и Баркдолл создали насадки, похожие на насадки для душа, которые можно добавлять к новым или существующим резервуарам для воды с минимальными затратами. Добавление разбрызгивателя из ПВХ-трубы в верхней части резервуара и обратного разбрызгивателя в нижней части резервуара обеспечивает подачу воды в систему и поддерживает циркуляцию всей воды. Ализаде Фард и Баркдолл опубликовали свою статью об этой простой, но эффективной системе в Journal of Hydraulic Engineering 15 марта. Они надеются, что это будет низкотехнологичное решение, которое легко примут менеджеры по качеству воды.
Незримая угроза: микрозагрязнители
Но органические загрязнители - не единственный источник загрязнения воды. Немногие муниципальные системы оборудованы для обработки микрозагрязнителей, таких как фармацевтические препараты, гормоны, микропластик, наночастицы в носках и синтетическом флисе, а также противогрибковые соединения - даже те виды промышленных отходов, которые присутствуют в очень низких концентрациях. Несмотря на небольшое количество - всего микрограммы - этих загрязняющих веществ в воде, они все же оказывают канцерогенное воздействие на людей и водных существ. Модернизация очистных сооружений для фильтрации микрозагрязнителей обходится дорого, поэтому Баркдолл и Ализаде Фард ищут возможные решения.
«Эти загрязняющие вещества оказывают долгосрочное воздействие на здоровье», - говорит Ализаде Фард. «Большинство наших очистных сооружений не предназначены для удаления их из воды, поэтому важно найти надежное решение проблемы».
Исследователи пришли к идее поглощения загрязняющих веществ из воды. Адсорбция происходит, когда молекулы практически прилипают к поверхности. Первый метод, испытанный Ализаде Фардом и Баркдоллом, заключался в использовании покрытых полимером магнитных наночастиц для адсорбции тоналида (используется для маскировки запахов и часто встречается в моющих средствах), бисфенола-А (более известного как BPA, который используется для придания пластику прозрачности и прочности), триклозана. (антибактериальное и противогрибковое средство, используемое в чистящих средствах, которое сейчас запрещено), метолахлор (гербицид), кетопрофен (противовоспалительное средство) и эстриол (добавка эстрогена).
Магнитные наночастицы с полимерным покрытием были наиболее эффективны при адсорбции кетопрофена и BPA, удаляя загрязняющие вещества за 15 минут с эффективностью 98 и 95 процентов, соответственно, при использовании всего 0,1 миллиграмма адсорбента.
Но что происходит, когда наночастицы делают свою работу? Поскольку адсорбент является магнитным, исследователи могут использовать магниты для удаления наночастиц из воды.
Баркдолл и Ализаде Фард говорят, что одним из ключевых компонентов их работы является то, что адсорбенты можно использовать повторно после промывки восстановительным раствором метанола. В лаборатории наночастицы с полимерным покрытием были восстановлены и использованы снова пять раз, прежде чем наблюдалось снижение эффективности.
Исследователи также использовали магнитные углеродные нанотрубки и активированный уголь в качестве абсорбентов. В ходе лабораторных испытаний наночастицы с полимерным покрытием оказались наиболее эффективными.
Следующие шаги: эмпирическая проверка исследования
Исследователи говорят, что следующим этапом будет масштабирование для использования на водоочистных сооружениях. Удаление микрозагрязнителей из воды с использованием устойчивой и доступной технологии дает возможность защитить здоровье человека и водной среды без дорогостоящей модернизации очистных сооружений.
К сожалению, некоторые из величайших проблем человечества возникают по их собственной вине. Но новаторские и проверенные технологии для решения проблем, созданных человеком, давно предопределены провидением и, несомненно, будут продолжаться.
«Инженерам-строителям и экологам придется заниматься тем, что нам доставит общество», - говорит Ализаде Фард. «Мы должны будем удалить наночастицы и другие вещества, такие как опиоиды. Это тема, которую мы должны обсуждать как в политическом, так и в социальном плане».