Nhà khoa học đang tinh chế một quy trình sớm có thể giúp cung cấp nước sạch cho nhiều người trong các vùng khan hiếm nước. Quá trình này sử dụng cát và nguyên liệu thực vật sẵn có ở nhiều quốc gia đang phát triển.
(trái) Hạt giống M. oleifera chưa bóc vỏ, (hạt trung gian) vỏ hạt, (phải) hạt nghiền nát trước khi chiết xuất protein.
Nhà cung cấp: Đại học Kỹ thuật Carnegie Mellon
Theo Liên Hợp Quốc, 2,1 tỷ người không được tiếp cận với các dịch vụ nước uống được quản lý một cách an toàn, phần lớn trong số họ sống ở các nước đang phát triển.
Kỹ sư y sinh và kỹ sư hóa học của Đại học Carnegie Mellon, Bob Tilton và Todd Przybycien gần đây là đồng tác giả của một bài báo với tiến sĩ. sinh viên Brittany Nordmark và Toni Bechtel, và cựu sinh viên John Riley, tiếp tục tinh chỉnh quy trình sớm có thể giúp cung cấp nước sạch cho nhiều người trong các vùng khan hiếm nước. Quá trình này, được tạo ra bởi cựu sinh viên và đồng tác giả Stephanie Velegol của Tilton, sử dụng cát và nguyên liệu thực vật sẵn có ở nhiều quốc gia đang phát triển để tạo ra một phương tiện lọc nước giá rẻ và hiệu quả, được gọi là “f-cát”.
“F-cát” sử dụng protein từ cây Moringa oleifera , một loại cây có nguồn gốc từ Ấn Độ phát triển tốt ở vùng khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới. Cây được trồng cho thực phẩm và dầu tự nhiên, và hạt giống đã được sử dụng cho một loại lọc nước thô sơ. Tuy nhiên, phương tiện thanh lọc truyền thống này để lại một lượng lớn cacbon hữu cơ hòa tan (DOC) từ hạt, cho phép vi khuẩn tái phát sau 24 giờ. Điều này chỉ để lại một cửa sổ ngắn trong đó nước có thể uống được.
Velegol, hiện là giáo sư kỹ thuật hóa học tại Đại học Penn State, đã có ý tưởng kết hợp phương pháp lọc nước với phương pháp lọc cát phổ biến ở các khu vực đang phát triển. Bằng cách chiết xuất các protein hạt giống và hấp thụ (tôn trọng) chúng lên bề mặt của các hạt silica, thành phần chính của cát, cô tạo ra cát. F-cát vừa giết chết các vi sinh vật và làm giảm độ đục, bám dính vào các hạt và chất hữu cơ. Những chất gây ô nhiễm không mong muốn và DOC sau đó có thể được rửa sạch, để lại nước sạch lâu hơn, và cát đã sẵn sàng để tái sử dụng.
Trong khi quy trình cơ bản đã được chứng minh và hiệu quả, vẫn còn nhiều câu hỏi xung quanh việc tạo và sử dụng của f-sand – câu hỏi Tilton và Przybycien đã giải quyết để trả lời.
Liệu cô lập một số protein từ hạt M. oleifera có làm tăng hiệu quả của f-sand không? Có phải các axit béo và dầu được tìm thấy trong hạt có quan trọng đối với quá trình hấp phụ không? Điều kiện nước sẽ có hiệu lực gì? Nồng độ protein cần thiết để tạo ra một sản phẩm hiệu quả là gì?
Câu trả lời cho những câu hỏi này có thể có ý nghĩa lớn đối với tương lai của f-cát.
Phân số
Hạt của M. oleifera chứa ít nhất tám protein khác nhau. Tách các protein này, một quá trình được gọi là phân đoạn, sẽ giới thiệu một bước khác cho quá trình này. Trước khi nghiên cứu của họ, các tác giả đã giả định rằng việc cô lập một số protein nhất định có thể cung cấp một sản phẩm hoàn thiện hiệu quả hơn.
Tuy nhiên, thông qua quá trình thử nghiệm, Tilton và Przybycien thấy rằng đây không phải là trường hợp. Phân tách các protein có ít ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng hấp thụ các hạt silica của protein, có nghĩa là bước này không cần thiết cho quá trình tạo cát.
Phát hiện rằng phân đoạn là không cần thiết đặc biệt thuận lợi cho kịch bản khan hiếm tài nguyên, trong đó f-sand được dự định sẽ được sử dụng. Để lại bước này trong quá trình này sẽ giúp cắt giảm chi phí, yêu cầu xử lý thấp hơn và đơn giản hóa quy trình tổng thể.
Axit béo
Một trong những lý do chính M. oleifera được trồng hiện nay là cho các axit béo và các loại dầu được tìm thấy trong hạt. Chúng được chiết xuất và bán thương mại. Tilton và Przybycien quan tâm để biết liệu các axit béo này có ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ protein hay không.
Họ thấy rằng giống như phân đoạn, loại bỏ các axit béo có ít ảnh hưởng đến khả năng hấp thu protein của protein. Phát hiện này cũng có những tác động có lợi cho những người muốn thực hiện quy trình này ở các vùng đang phát triển. Do sự có mặt hoặc vắng mặt của các axit béo trong hạt có ít ảnh hưởng đến việc tạo ra hoặc chức năng của cát, người dân trong khu vực có thể loại bỏ và bán dầu có giá trị thương mại, và vẫn có thể trích xuất các protein từ các hạt còn lại nước lọc.
Sự tập trung
Một thông số khác của quá trình sản xuất f-sand mà Tilton và Przybycien đã thử nghiệm là sự tập trung các protein hạt giống cần thiết để tạo ra một sản phẩm hiệu quả. Nồng độ cần thiết có tác động lớn đến lượng hạt cần thiết, do đó có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả tổng thể và hiệu quả chi phí.
Chìa khóa để đạt được nồng độ thích hợp là đảm bảo rằng có đủ các protein tích điện dương để khắc phục điện tích âm của các hạt silica mà chúng được gắn vào, tạo ra một điện tích dương. Điện tích dương này là rất quan trọng để thu hút các chất hữu cơ tích điện âm, các hạt và vi khuẩn gây ô nhiễm nước.
Điều này liên quan đến một cải tiến tiềm năng khác đối với việc xử lý nước uống được điều tra bởi Tilton, Przybycien và Nordmark trong một ấn phẩm riêng biệt. Trong dự án này, họ đã sử dụng các protein hạt giống để làm đông tụ các chất gây ô nhiễm trong nước trước khi lọc f-cát. Điều này cũng dựa vào việc kiểm soát phí của các chất gây ô nhiễm, làm đông tụ khi chúng được trung hòa. Áp dụng quá nhiều chất đạm có thể quá tải chất gây ô nhiễm và ức chế đông máu.
“Có một điểm ngọt ở giữa,” Tilton nói, “và nó nằm trong chi tiết về cách các protein khác nhau trong các hỗn hợp protein hạt giống cạnh tranh với nhau để hấp thụ bề mặt, có xu hướng mở rộng vị trí ngọt ngào đó. “
Phạm vi nồng độ rộng này có nghĩa là không chỉ các quy trình xử lý nước được tạo ra ở nồng độ tương đối thấp, do đó bảo tồn vật liệu, nhưng ít có nguy cơ gây ô nhiễm nguồn nước bằng cách vượt quá nồng độ. Ở những nơi có thể thực hiện các phép đo chính xác, điều này rất quan trọng.
Độ cứng của nước
Độ cứng của nước là lượng khoáng hòa tan trong nước. Mặc dù các phòng thí nghiệm thường sử dụng nước khử ion, trong một quá trình được áp dụng trên nhiều môi trường thế giới thực, các nhà nghiên cứu phải chuẩn bị cho cả điều kiện nước mềm và nước cứng.
Tilton và Przybycien phát hiện ra rằng các protein có thể hấp thụ tốt các hạt silica và làm đông tụ các chất gây ô nhiễm lơ lửng trong cả điều kiện nước mềm và nước cứng. Điều này có nghĩa rằng quá trình này có khả năng có khả năng tồn tại trên một loạt các khu vực, bất kể độ cứng của nước.
Tilton và Przybycien gần đây đã xuất bản một bài báo về nghiên cứu này, ” Moringa oleifera Protein hạt hấp phụ Silica: Ảnh hưởng của độ cứng của nước, phân đoạn, và chiết xuất axit béo”, trong ACS Langmuir .
Nhìn chung, những kết luận mà Tilton, Przybycien, và các tác giả của họ đã đạt được có những lợi ích lớn cho những người ở các nước đang phát triển đang tìm kiếm một hình thức lọc nước rẻ và dễ tiếp cận. Công việc của họ đặt sự đổi mới mới này một bước gần hơn với lĩnh vực này, giúp rèn luyện con đường mà một ngày nào đó có thể thấy cát được triển khai trong các cộng đồng trên toàn thế giới đang phát triển. Họ đã chỉ ra rằng quá trình sản xuất f-sand hiển thị mức độ linh hoạt cao, vì nó có thể hoạt động ở một loạt các điều kiện nước và nồng độ protein mà không yêu cầu sự hiện diện của các axit béo hoặc nhu cầu phân đoạn.
“Đó là một khu vực phức tạp có thể dẫn đến thất bại – nó càng phức tạp, càng có nhiều cách có thể xảy ra sai lầm”, Tilton nói. “Tôi nghĩ điểm mấu chốt là điều này hỗ trợ ý tưởng rằng công nghệ đơn giản hơn có thể là công nghệ tốt hơn.”
Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2018/06/180620150246.htm
