D'ici 2025, il est prévu que près de 2 milliards de personnes vivront dans des zones de pénurie d'eau. Ces projections soulignent le besoin de technologies avancées de traitement de l'eau et des eaux usées pour offrir des options pour une demande en eau toujours croissante.

Une des étapes de la décontamination de l'eau est la filtration, pour éliminer les agents pathogènes nocifs comme les bactéries, virus et autres particules indésirables. Les projets de recherche en cours à la Texas A&M University s'appuient sur des travaux antérieurs pour améliorer les méthodes de filtration afin de fournir des eau potable propre.

Dr Shankar Chelam, J. Walter "Deak" Porter '22 &James W. "Bud" Porter '51 Professeur au Département de génie civil de Zachry, a récemment reçu deux subventions de la National Science Foundation pour résoudre les problèmes de filtration. Une, un projet de collaboration avec le Dr Ruth Baltus de l'Université Clarkson, cherche à comprendre les facteurs qui permettent à des particules plus complexes comme les virus de traverser la membrane filtrante. L'autre, un projet de collaboration avec le Dr Nick Cogan de la Florida State University, est de déterminer une solution pour éliminer le colmatage associé de ces filtres.

La prévention de la contamination virale de l'eau potable est d'une importance primordiale pour la santé publique. Alors que des technologies telles que la micro et l'ultrafiltration peuvent éliminer directement les parasites difficiles à désinfecter, comme Giardia et Cryptosporidium, ainsi que la plupart des bactéries et autres matériaux, ces méthodes ne sont pas efficaces pour éliminer les virus et certaines bactéries. Les modèles de filtration précédents considéraient des particules de forme plus simple, comme des sphères et des capsules. Avec ces formes à l'esprit, les filtres ont été conçus pour fournir le taux de rejet ultime. Cependant, les virus et les bactéries se présentent sous de nombreuses formes et tailles. Certains ont même une "tête" et une "queue" qui peuvent leur donner un avantage pour passer à travers le filtre.

"Pensez au filtre comme à un parcours d'obstacles, " a déclaré Chellam. " La majorité des contaminants sont rejetés lorsqu'ils passent à travers le filtre. Cependant, certains sont capables de manœuvrer à travers le filtre en raison d'une forme plus flexible ou de leur capacité à se déformer ou à se briser."

Lorsqu'un filtre est utilisé, il s'agglomère avec des particules. Les réponses de décolmatage actuelles pour régénérer le filtre entraînent un coût en temps élevé, frais de main-d'œuvre ou de matériel.

Une solution principale recherchée par l'équipe est de solidifier ou de regrouper les virus, augmenter leur taille pour mieux les filtrer, ce qui affecte simultanément la quantité de colmatage du filtre. En réponse au problème de colmatage, l'équipe envisage d'étudier un procédé de lavage à contre-courant pour dégager le filtre bouché. L'équipe inversera périodiquement le sens de l'écoulement de l'eau pour éliminer les particules initialement déposées sur la surface du filtre. Les résultats des travaux de l'équipe seront utiles aux collectivités de traitement des eaux municipales et industrielles où ces solutions réduiraient les coûts d'investissement et d'énergie.

L'équipe étudiera également la mécanique derrière les virus passant à travers les pores du filtre. Bien que cette partie du travail puisse ne pas offrir de solution au problème, cela contribuera à la compréhension fondamentale de la mobilité et de la filtration des virus. Ce projet particulier se concentrera sur la meilleure façon d'entraver les différentes formes de particules, tels que les virus à queue, virus filamenteux flexibles et bactéries déformables, à travers les membranes.

Un aspect important de la recherche est que les expériences seront conçues pour imiter des systèmes complexes qui représentent des systèmes du monde réel. Grâce à des efforts expérimentaux et théoriques intégrés, l'équipe s'efforce de développer une meilleure compréhension des facteurs qui permettent le transport des particules à travers les filtres.

Une fois que les méthodes étudiées s'avèrent efficaces et indiquent une véritable compréhension de la façon dont les agents pathogènes sont filtrés, les membranes filtrantes peuvent alors être mises en œuvre de manière optimale. Si et quand ils le sont, ils fonctionneront mieux qu'actuellement, filtres à sable conventionnels pour améliorer la santé publique et prévenir la contamination dans les processus industriels et biotechnologiques. Cela annulera la nécessité d'adopter l'approche conservatrice consistant à utiliser un filtre à membrane plus serré avec de très petits pores, ce qui augmente inutilement le coût.

Ces deux subventions ont également des implications pour la purification de l'eau « distribuée », qui décrit un traitement sur site plutôt qu'un traitement centralisé, par exemple dans des situations d'urgence après des ouragans ou des inondations. Bien que la technologie de filtration membranaire ne soit pas encore très répandue en raison des coûts relativement élevés et de l'absence d'un système simplifié, méthode adoptable, une conclusion réussie de la recherche permettra de mettre en œuvre une plus grande partie de la technologie de pointe pour des applications municipales et industrielles.

Les résultats générés par ce projet seront importants pour une conception plus optimale des systèmes de micro et d'ultrafiltration et pour des applications pratiques liées au traitement de l'eau et des eaux usées et à l'alimentation, opérations biotechnologiques et pharmaceutiques. Les impacts éducatifs plus larges comprennent le développement d'activités de vulgarisation scientifique axées sur la science, La technologie, l'ingénierie et les mathématiques (STEM) dans l'enseignement primaire.