At overliste patogener – forskning har til formål at løse centrale vandfiltreringsudfordringer

I år 2025 forventes det, at næsten 2 milliarder mennesker vil bo i områder med knaphed på vand. Disse fremskrivninger peger på behovet for avancerede vand- og spildevandsbehandlingsteknologier for at give muligheder for et stadigt stigende vandbehov.

Et af trinene i vanddekontaminering er filtrering, at fjerne skadelige patogener som bakterier, vira og andre uønskede partikler. Løbende forskningsprojekter ved Texas A&M University bygger videre på tidligere arbejde med at forbedre filtreringsmetoder for at give omkostningseffektive, rent drikkevand.

Dr. Shankar Chellam, J. Walter "Deak" Porter '22 &James W. "Bud" Porter '51 Professor i Zachry Department of Civil Engineering, blev for nylig tildelt to National Science Foundation-bevillinger til at løse filtreringsudfordringer. En, et samarbejdsprojekt med Dr. Ruth Baltus fra Clarkson University, søger at forstå faktorer, der tillader mere komplekse partikler som vira på tværs af filtermembranen. Den anden, et samarbejdsprojekt med Dr. Nick Cogan fra Florida State University, er at finde en løsning til at fjerne den tilhørende tilstopning af disse filtre.

Forebyggelse af virusforurening af drikkevand er af afgørende betydning for folkesundheden. Mens teknologier som mikro- og ultrafiltrering direkte kan fjerne svære at desinficere parasitter, såsom Giardia og Cryptosporidium, sammen med de fleste bakterier og andre materialer, disse metoder er ikke effektive til at fjerne vira og nogle bakterier. Tidligere filtreringsmodeller betragtede partikler med en enklere form, som kugler og kapsler. Med disse former i tankerne, filtre er designet til at give den ultimative afvisningsrate. Imidlertid, vira og bakterier findes i mange former og størrelser. Nogle har endda et "hoved" og "hale", som kan give dem en fordel ved at glide gennem filteret.

"Tænk på filteret som en forhindringsbane, " sagde Chellam. "Størstedelen af ​​forurenende stoffer afvises, når de passerer gennem filteret. Imidlertid, nogle er i stand til at manøvrere gennem filteret på grund af en mere fleksibel form eller evne til at deformere eller bryde fra hinanden."

Når et filter bruges, bliver det sammenklumpet med partikler. De nuværende tilstopningsreaktioner for at regenerere filteret resulterer i høje omkostninger i tid, arbejds- eller materialeudgifter.

En primær løsning, som holdet forfølger, er at størkne eller sammenklumpe vira, øge deres størrelse for bedre at filtrere dem, hvilket samtidig påvirker mængden af ​​filtertilstopning. Som svar på tilstopningsproblemet, holdet planlægger at studere en tilbageskylningsproces for at rydde op i det tilstoppede filter. Holdet vil periodisk vende retningen af ​​vandstrømmen for at fjerne de partikler, der oprindeligt var aflejret på filteroverfladen. Resultaterne af teamets arbejde vil være nyttige for kommunale og industrielle vandbehandlingssamfund, hvor disse løsninger vil reducere kapital- og energiomkostninger.

Holdet vil også studere mekanikken bag vira, der passerer gennem filterporerne. Selvom denne del af arbejdet måske ikke tilbyder en løsning på problemet, det vil føje til den grundlæggende forståelse af virusmobilitet og filtrering. Dette særlige projekt vil fokusere på den bedste måde at hindre forskellige formede partikler, såsom halevirus, fleksible filamentøse vira og deformerbare bakterier, på tværs af membraner.

Et vigtigt aspekt af forskningen er, at eksperimenter vil blive designet til at efterligne komplekse systemer, der repræsenterer virkelige systemer. Gennem integreret eksperimentel og teoretisk indsats, holdet bestræber sig på at udvikle en forbedret forståelse af de faktorer, der tillader partikler at transportere gennem filtre.

Når først de undersøgte metoder viser sig at være effektive og peger på en sand forståelse af, hvordan patogener filtreres, så kan filtermembraner implementeres optimalt. Hvis og hvornår de er, de vil fungere bedre end eksisterende, konventionelle sandfiltre til at forbedre folkesundheden og forhindre forurening i industrielle og bioteknologiske processer. Dette vil ophæve behovet for at tage den konservative tilgang med at bruge et tættere membranfilter med meget små porer, hvilket unødigt øger omkostningerne.

Disse to tilskud har også betydning for "distribueret" vandrensning, som beskriver behandling på stedet i stedet for en centraliseret behandling, fx i nødsituationer efter orkaner eller oversvømmelser. Selvom membranfiltreringsteknologien endnu ikke er vidt spredt på grund af de relativt høje omkostninger og mangel på en forenklet, anvendelig metode, en vellykket konklusion i forskningen vil gøre det muligt at implementere mere af den avancerede teknologi til kommunale og industrielle applikationer.

Resultater genereret fra dette projekt vil være vigtige for et mere optimalt design af mikro- og ultrafiltreringssystemer og for praktiske anvendelser relateret til vand- og spildevandsbehandling og fødevarer, bioteknologiske og farmaceutiske aktiviteter. Bredere uddannelsesmæssige virkninger omfatter udvikling af videnskabelige opsøgende aktiviteter rettet mod videnskab, teknologi, teknik og matematik (STEM) i grundskolen.