Forskere laver et vandfilter fra træet i trægrene

Hvis du er løbet tør for drikkevand under en campingtur ved søen, der er en enkel løsning:Afbryd en gren fra det nærmeste fyrretræ, skræl barken væk, og langsomt hæld søvand gennem pinden. Det improviserede filter skal fange eventuelle bakterier, producerer frisk, uforurenet vand.

Faktisk, et MIT-team har opdaget, at dette lavteknologiske filtreringssystem kan producere op til fire liter drikkevand om dagen-nok til at slukke tørsten hos en typisk person.

I et papir offentliggjort i denne uge i tidsskriftet PLoS ONE , forskerne viser, at et lille stykke træ kan filtrere mere end 99 procent af bakterierne ud E coli fra vand. De siger, at størrelsen på porerne i træved - som indeholder xylemvæv, der er udviklet til at transportere saft op ad et træs længde - også tillader vand igennem, mens de blokerer de fleste typer bakterier.

Medforfatter Rohit Karnik, lektor i maskinteknik ved MIT, siger, at træ er en lovende, lavpris, og effektivt materiale til vandfiltrering, især for landdistrikter, hvor mere avancerede filtreringssystemer ikke er let tilgængelige.

"Dagens filtreringsmembraner har porer i nanoskala, der ikke er noget, du let kan fremstille i en garage, "Karnik siger." Ideen her er, at vi ikke behøver at fremstille en membran, fordi det er let tilgængeligt. Du kan bare tage et stykke træ og lave et filter ud af det. "

Papirets medforfattere inkluderer Michael Boutilier og Jongho Lee fra MIT, Valerie Chambers fra Fletcher-Maynard Academy i Cambridge, Masse., og Varsha Venkatesh fra Jericho High School i Jericho, N.Y.

Tapning af saftstrømmen

Der er en række vandrensningsteknologier på markedet i dag, selvom mange har ulemper:Systemer, der er afhængige af klorbehandling, fungerer godt i stor skala, men er dyre. Kogende vand for at fjerne forurenende stoffer kræver meget brændstof for at opvarme vandet. Membranbaserede filtre, mens den er i stand til at fjerne mikrober, er dyre, kræver en pumpe, og kan let blive tilstoppet.

Sapwood kan tilbyde en lavpris, lille alternativ. Træet består af xylem, porøst væv, der leder saft fra et træs rødder til dets krone gennem et system af kar og porer. Hver karvæg er fyldt med små porer kaldet pitmembraner, hvorigennem saften i det væsentlige kan hoppe, flyder fra et fartøj til et andet, når det føder strukturer langs et træs længde. Porerne begrænser også kavitation, en proces, hvorved luftbobler kan vokse og sprede sig i xylem, til sidst dræber et træ. Xylemets små porer kan fange bobler, forhindrer dem i at sprede sig i træet.

"Planter har været nødt til at finde ud af, hvordan man filtrerer bobler, men tillader let strømning af saft, "Karnik observerer." Det er det samme problem med vandfiltrering, hvor vi vil filtrere mikrober ud, men opretholde en høj strømningshastighed. Så det er et dejligt tilfælde, at problemerne er ens. «

Ser rødt

For at undersøge sapwoods vandfiltreringspotentiale, forskerne samlede grene af hvid fyr og fjernede den ydre bark. De skar små sektioner af træ som var omkring en centimeter lang og en halv tomme bred, og monteret hver i plastrør, forseglet med epoxy og fastgjort med klemmer.

Inden der eksperimenteres med forurenet vand, gruppen brugte vand blandet med røde blækpartikler fra 70 til 500 nanometer i størrelse. Efter al væsken passerede, forskerne skår træet i halve på langs, og observerede, at meget af det røde farvestof var indeholdt i træets allerførste lag, mens filtratet, eller filtreret vand, var klar. Dette eksperiment viste, at savtræ naturligt er i stand til at filtrere partikler større end omkring 70 nanometer ud.

Imidlertid, i et andet forsøg, teamet fandt ud af, at savtræ ikke var i stand til at adskille 20-nanometerpartikler fra vand, tyder på, at der er en grænse for størrelsen af ​​partikler nåletræspinved kan filtrere.

At vælge den rigtige plante

Endelig, holdet flød inaktiveret, E coli -forurenet vand gennem træfilteret. Da de undersøgte xylemet under et fluorescerende mikroskop, de så, at der var akkumuleret bakterier omkring pitmembraner i træets første millimeter. Tæller bakteriecellerne i det filtrerede vand, forskerne fandt ud af, at træet var i stand til at filtrere mere end 99 procent af E coli fra vand.

Karnik siger, at træet sandsynligvis kan filtrere de fleste typer bakterier, hvoraf den mindste måler cirka 200 nanometer. Imidlertid, filteret kan sandsynligvis ikke fange de fleste vira, som er meget mindre i størrelse.

Karnik siger, at hans gruppe nu planlægger at evaluere filtreringspotentialet for andre typer træ. Generelt, blomstrende træer har mindre porer end nåletræer, hvilket tyder på, at de muligvis kan filtrere ud selv mindre partikler. Imidlertid, kar i blomstrende træer har en tendens til at være meget længere, hvilket kan være mindre praktisk til design af et kompakt vandfilter.

Designere, der er interesseret i at bruge træ som filtreringsmateriale, skal også finde måder at holde træet fugtigt på, eller at tørre det, mens xylem -funktionen bevares. I andre forsøg med tørret træ, Karnik fandt ud af, at vand enten ikke løb godt igennem, eller flød gennem revner, men filtrerede ikke forurenende stoffer ud.

"Der er stor variation mellem planter, "Karnik siger." Der kunne være meget bedre planter derude, der er egnede til denne proces. Ideelt set, et filter ville være en tynd skive træ, du kunne bruge i et par dage, smid det derefter ud og udskift det næsten uden omkostninger. Det er størrelsesordener billigere end de avancerede membraner på markedet i dag. "