Gymnasieelever udvikler et billigt filter til at fjerne bly fra postevandet

Den næste generation af videnskabsmænd og opfindere er allerede ved at finde tilgange til at løse samfundets problemer. I dag rapporterer en gruppe gymnasieelever og deres instruktør en løsning på problemet med blyforurening i drikkevand - et billigt vandhanetilbehør, der fjerner dette giftige metal. I modsætning til konventionelle filtre, der i øjeblikket er på markedet, inkluderer deres en patron lavet af biologisk nedbrydelig plast og indikerer, hvornår den er "brugt op" ved at gøre postevandet gult.

Forskerne vil præsentere deres resultater i dag på forårsmødet i American Chemical Society (ACS).

"For et par år siden så jeg en video af en kvinde i Michigan, der tændte for sit postevand, og den blev brun," siger Rebecca Bushway, som er projektets hovedefterforsker. Hun præsenterer også arbejdet på mødet. "Det fik mig til at tænke - fordi der virkelig ikke er noget sikkert niveau af bly i drikkevandet, ville det så ikke være rart at have et vandfilter, der kunne fortælle dig, at dit vand er forurenet, længe før det bliver brunt på grund af bly?"

Selvom nogle rør er blevet udbedret i USA, modtager millioner af hjem, især dem i lavindkomstsamfund, stadig drikkevand gennem blyholdige rør. Hvis vandets kemi ikke er ideel, eller det flyder hurtigt på grund af stor efterspørgsel, kan rørene korrodere. Når det korroderende materiale indeholder bly, opløses eller flager det giftige metal i vandet og forurener det med en mørk misfarvning og nogle gange synlige partikler.

Indtil gamle rør kan udskiftes med blyfri versioner, kan filtre hjælpe med at fjerne eller reducere dette forurenende stof fra postevand. Selvom der findes forskellige blyfiltreringssystemer, kan deres høje omkostninger og store størrelse være barrierer. Derudover giver få af dem nogen indikation af, at de bør ændres, og ingen indikerer, at vandet kan udgøre en umiddelbar sundhedsrisiko.

Bushway, en naturfagslærer på Barrie Middle and Upper School, spekulerede højt over for sin kemiklasse på øverste niveau i gymnasiet, om der var et lille filter - svarende til dem, der er lavet til camping for at rense vand - som de kunne lave af billige komponenter for nemt at fjerne bly. Eleverne var begejstrede for ideen, og de begyndte at tænke på projektet i 2020, da COVID-19-restriktioner holdt dem ude af klasseværelset. Mens de var hjemme, mødtes holdet virtuelt og diskuterede designs til et tilbehør til at skrue et filter på en håndvasks vandhane. Så i forårssemesteret 2021, da de vendte tilbage til klasseværelset, 3D-printede de vedhæftningen og et 3-tommer højt filterhus ved hjælp af en biologisk nedbrydelig plast. Deres sidste trin var at fylde patronerne med en blanding af calciumphosphat og kaliumiodidpulver.

"Calciumfosfat binder sig først med opløst bly i vand og danner blyfosfat og frit calcium. Kalciumet, som er uskadeligt, ender i vandet, og blyfosfatet bliver i filteret," forklarer Bushway. Blyfosfat, som er et inert fast stof, fanges inde i filteret af en nylonskærm i bunden af ​​enheden. Når calciumphosphatets reaktionskapacitet er nået, reagerer opløst bly med kaliumiodid, som gør vandet gult, en indikator på, at bly er til stede.

Og selvom kemien i sig selv er ret ligetil, har det været mere kompliceret at lave vandfiltreringssystemet til at gøre, hvad forskerne havde til hensigt. For eksempel har calciumphosphat tendens til at klumpe sig sammen, hvilket får reaktionshastigheden mellem det og føre til at falde, efterhånden som overfladearealet falder. Så holdets ledende ingeniørstuderende inkorporerede sekskantede affasninger inde i filteret. "Det er en nyskabelse, som kom fra en af ​​gymnasieeleverne, som vil få vandet til at spiralere, mens det går igennem og forhindre pulveret i at klumpe sig," siger Bushway.

Dernæst vil eleverne tilføje et lillebitte spektrofotometer med en enkelt-bølgelængde LED til bunden af ​​filterpatronen, hvor vandet bliver dispenseret. Deres plan er at have et indikatorlys, der tænder, så snart detektoren identificerer blyjodidets gule farve. Bushway siger, at dette vil indikere, at bly er i vandet, selv før farven kan spores af et menneskeligt øje.

Holdets mål er at lave og sælge deres filtre for mindre end $1 hver, hvilket Bushway tror, ​​de er på vej til at gøre. Fordi husene bruger biologisk nedbrydelig plast, kan omkostningerne udvikle sig lidt højere, men materialet vil hjælpe med at reducere filterets samlede miljøpåvirkning.

Processen med at udvikle filteret har været meget tilfredsstillende, ifølge Bushway. "I sidste ende har denne erfaring vist eleverne, at de kan gøre en forskel for nogen, og der er problemer, som de kan løse med naturvidenskab," siger hun. + Udforsk yderligere

EPA bekræfter, at filtre reducerer bly i Michigan Citys vand