L’acqua è essenziale per la vita, ma quasi 2.1 miliardi le persone – oltre il 28% della popolazione mondiale – non hanno accesso all’acqua potabile, avvertono le Nazioni Unite.

Questa crisi da sola causa più morti ogni anno della violenza o della guerra, ed è così drastica che ogni minuto un bambino muore per malattie legate all’acqua, con conseguente urgente necessità di azione.

Fortunatamente, gli ingegneri biomedici e gli ingegneri chimici della Carnegie Mellon University (CMU) hanno una soluzione.

Il loro metodo risiede nelle proprietà di un seme.

Usano sabbia e materiali vegetali facilmente disponibili in molte nazioni in via di sviluppo: un'idea concepita da Stefania Velegol, ex studentessa di dottorato della CMU e ora professoressa di ingegneria chimica alla Penn State University, che ha definito "f-sabbia” – per sviluppare un mezzo di filtrazione dell’acqua economico ed efficace.

La ricerca è disponibile sulla rivista ACS Langmuir.

Cos'è "f-sabbia"?

F-sand utilizza le proteine ​​dei semi della pianta Moringa oleifera, un albero originario dell'India che può crescere bene nei climi tropicali e subtropicali. In genere, l'albero viene coltivato per i suoi alimenti e oli di valore commerciale, e i semi sono stati utilizzati per un tipo di processo di purificazione dell'acqua di basso grado.

Tuttavia, questa purificazione rudimentale lascia elevate quantità di carbonio organico disciolto dai semi, che può consentire ai batteri di ricrescere in appena 24 ore, lasciando un periodo di tempo drasticamente breve in cui l’acqua è potabile.

Per aggirare questo problema, Velego ha avuto l’idea di combinare questo metodo con tecniche di filtrazione della sabbia comuni nelle aree in via di sviluppo.

Questo perché f-sand si basa completamente sull'idea che le cariche elettriche opposte si attraggono, ha spiegato Bob Tilton, il professore di Chevron in Ingegneria Chimica e Ingegneria Biomedica presso la CMU.

“La sabbia è per lo più caricata negativamente. Le proteine ​​dei semi di Moringa oleifera sono caricate positivamente e la maggior parte dei contaminanti sospesi (argilla sospesa o altre particelle minerali, batteri, materiale organico in decomposizione naturalmente presente nell'ambiente) che dovrebbero essere rimossi dall'acqua per renderla potabile hanno carica negativa, " Egli ha detto.

Come funziona

Per preparare la sabbia, spiega Tilton, le proteine ​​idrosolubili vengono prima estratte dai semi schiacciandole e immergendole in acqua. La soluzione risultante viene quindi versata in una miscela molto densa e umida di sabbia e acqua chiamata una sospensione.

In questo momento, la carica negativa della sabbia attrae la carica proteica positiva, facendo sì che le proteine ​​aderiscano alla sabbia e, successivamente, creino la “sabbia f”. L'acqua in eccesso può quindi essere drenata e la sabbia può essere versata in una colonna.

La colonna può essere realizzata con materiali diversi, come un tubo in PVC con rete sul fondo, o anche un pezzo di bambù, ha affermato Tilton.

Quindi, per usare la f-sand, si potrebbe semplicemente versare acqua attraverso la colonna, e gli agenti contaminanti caricati negativamente aderirebbero alle proteine ​​caricate positivamente sui granelli di sabbia, creando un sistema di filtrazione semplice e pieno di risorse.

"L'idea di Stephanie era che se si potessero confinare le proteine ​​che agglomerano i contaminanti nella sabbia (conoscendo la carica della sabbia e delle proteine) e poi sciacquare la sabbia, si potrebbero ridurre drasticamente i composti organici residui per prevenire la ricrescita microbica." disse Tilton.

Studio degli acidi grassi

Sebbene il processo di base si sia dimostrato efficace, i ricercatori avevano ancora molte domande sulla creazione e sull’uso di f-sand, domande che Tilton e Todd Przybycien, professore di ingegneria chimica alla CMU, ha cercato di rispondere.

Innanzitutto, gli ingegneri volevano sapere se gli acidi grassi e gli oli – gli aspetti commercialmente preziosi della Moringa oleifera – svolgessero un ruolo nel processo di assorbimento delle proteine.

Nel complesso, hanno scoperto che la rimozione degli acidi grassi ha avuto scarso effetto sull’assorbimento delle proteine, il che significa che le persone nella regione possono rimuovere e vendere i preziosi oli pur essendo in grado di estrarre le proteine ​​per la filtrazione dell’acqua.

Livelli di concentrazione

Inoltre, i ricercatori volevano capire quale fosse la concentrazione necessaria di proteine ​​dei semi per creare un prodotto efficace.

In altre parole, i ricercatori dovevano assicurarsi che ci fossero abbastanza proteine ​​caricate positivamente per superare la carica negativa delle particelle di sabbia, al fine di creare una carica positiva netta.

Questo è fondamentale affinché f-sand funzioni.

Il team ha utilizzato una tecnica chiamata “misurazione del potenziale di flusso” per determinare come la carica sulla sabbia dipendesse dalla quantità di proteine ​​sulla superficie.

Nel complesso, i ricercatori hanno scoperto che erano necessarie solo concentrazioni molto piccole per cambiare la carica da negativa a positiva, il che consentirà alle persone di conservare i materiali vegetali.

Inoltre, hanno misurato diversi contenuti di acqua per determinare se la tecnica di filtrazione potesse mostrare un elevato grado di flessibilità.

“La quantità di proteine ​​che viene assorbita da una superficie è direttamente controllata dalla concentrazione di proteine ​​nell’acqua “sfusa” che bagna la superficie. Abbiamo misurato la relazione tra la quantità adsorbita e la concentrazione di acqua in massa, per diverse composizioni di acqua che rappresentano acqua dolce, moderatamente dura e dura per cercare di catturare l’ampia variazione nel contenuto di acqua naturale”, ha affermato Tilton.

Tilton e Przybycien hanno scoperto che le proteine ​​erano in grado di assorbirsi bene nella sabbia sia in condizioni di acqua dolce che dura, illustrando il potenziale di utilizzo del processo di filtrazione in un'ampia gamma di regioni.

Il prossimo passo

Finora, la ricerca è stata testata da Velegol in Ruanda, e il team di Tilton sta attualmente eseguendo test per determinare le concentrazioni proteiche più basse che funzionerebbero con f-sand, nonché i limiti delle prestazioni di f-sand.

"Stiamo attualmente testando come piccole alterazioni nella copertura della sabbia da parte delle proteine ​​alterano le prestazioni delle colonne f-sand per chiarire il modello di acqua torbida - per vedere davvero quanto sia robusto il processo se le persone dovessero operare alle concentrazioni proteiche più basse", ha affermato Tilton . “Stiamo anche testando per trovare i limiti delle prestazioni della f-sand, ad esempio per vedere se la presenza di alte concentrazioni di materia organica nell’acqua di fonte potrebbe sopraffare la f-sand e ostacolare la sua capacità di rimuovere i solidi sospesi”.

Sebbene non abbiano effettuato un’analisi economica, i ricercatori ritengono che l’abbondanza di Moringa renderà la sabbia abbastanza accessibile.

“La Moringa cresce bene nelle regioni tropicali con terreno sabbioso. Quindi, ovunque sia probabile che cresca l’albero, ci sarà anche molta sabbia disponibile (e la sabbia può essere riutilizzata lavandola via con una soluzione salina)”, ha detto Tilton. “La Moringa è anche un albero a crescita molto rapida. Un aspetto positivo del fatto che concentrazioni molto basse di proteine ​​siano sufficienti per cambiare la carica della sabbia da negativa a positiva è che in linea di principio può far sì che la risorsa seme vada oltre”.

Inoltre, ha spiegato Tilton, f-sand sarà facilmente adattato dagli utenti locali, poiché la tecnica richiede pochi strumenti e un lavoro abbastanza semplice.

"I sistemi potrebbero essere impostati per funzionare a livello molto localizzato, probabilmente anche a livello di singola famiglia", ha affermato.

La ricerca pone questa nuova tecnologia un passo avanti verso il campo, come una tecnica relativamente a basso costo che potrebbe portare acqua pulita alle comunità di tutto il mondo.