Selon les Nations Unies, 2,1 milliards de personnes n'ont pas accès à des services d'eau potable gérés en toute sécurité, dont la majorité vit dans des pays en développement.

Les professeurs de génie biomédical et de génie chimique de l'Université Carnegie Mellon, Bob Tilton et Todd Przybycien, ont récemment co-écrit un article avec Ph.D. les étudiants Brittany Nordmark et Toni Bechtel, et ancien élève John Riley, affiner davantage un processus qui pourrait bientôt aider à fournir de l'eau propre à de nombreuses régions où l'eau est rare. Le processus, créé par Stéphanie Velegol, ancienne élève et co-auteur de Tilton, utilise du sable et des matières végétales facilement disponibles dans de nombreux pays en développement pour créer un milieu de filtration d'eau bon marché et efficace, appelé "f-sable".

"F-sand" utilise des protéines de la plante Moringa oleifera, un arbre originaire d'Inde qui pousse bien dans les climats tropicaux et subtropicaux. L'arbre est cultivé pour l'alimentation et les huiles naturelles, et les graines sont déjà utilisées pour un type de purification de l'eau rudimentaire. Cependant, ce moyen traditionnel de purification laisse derrière les graines de grandes quantités de carbone organique dissous (COD), permettant aux bactéries de repousser après seulement 24 heures. Cela ne laisse qu'une courte fenêtre dans laquelle l'eau est potable.

Vélégol, qui est maintenant professeur de génie chimique à la Penn State University, a eu l'idée de combiner cette méthode de purification de l'eau avec les méthodes de filtration sur sable courantes dans les régions en développement. En extrayant les protéines des graines et en les adsorbant (adhérant) à la surface des particules de silice, le composant principal du sable, elle a créé f-sable. Le sable F tue les micro-organismes et réduit la turbidité, adhérant à la matière particulaire et organique. Ces contaminants indésirables et le COD peuvent ensuite être éliminés par lavage, laisser l'eau propre plus longtemps, et le f-sable prêt à être réutilisé.

Bien que le processus de base ait fait ses preuves et son efficacité, il y avait encore de nombreuses questions concernant la création et l'utilisation de f-sand – des questions auxquelles Tilton et Przybycien ont résolu de répondre.

L'isolement de certaines protéines des graines de M. oleifera augmenterait-il l'efficacité de f-sand ? Les acides gras et les huiles présents dans les graines sont-ils importants pour le processus d'adsorption ? Quel effet auraient les conditions de l'eau? Quelle concentration de protéines est nécessaire pour créer un produit efficace ?

Les réponses à ces questions pourraient avoir de grandes implications sur l'avenir du f-sable.

Fractionnement

La graine de M. oleifera contient au moins huit protéines différentes. Séparer ces protéines, un processus appelé fractionnement, introduirait une autre étape dans le processus. Avant leurs recherches, les auteurs ont émis l'hypothèse que l'isolement de certaines protéines pourrait fournir un produit fini plus efficace.

Cependant, au cours des tests, Tilton et Przybycien ont constaté que ce n'était pas le cas. Le fractionnement des protéines a eu peu d'effet perceptible sur la capacité des protéines à s'adsorber sur les particules de silice, ce qui signifie que cette étape n'était pas nécessaire pour le processus de création de f-sand.

La découverte que le fractionnement n'est pas nécessaire est particulièrement avantageuse pour le scénario de ressources rares dans lequel le sable f est destiné à être utilisé. Laisser cette étape en dehors du processus permet de réduire les coûts, des exigences de traitement plus faibles, et simplifier le processus global.

Les acides gras

L'une des principales raisons pour lesquelles M. oleifera est cultivé actuellement est pour les acides gras et les huiles présents dans les graines. Ceux-ci sont extraits et vendus dans le commerce. Tilton et Przybycien voulaient savoir si ces acides gras avaient également un effet sur le processus d'adsorption des protéines.

Ils ont trouvé que tout comme le fractionnement, l'élimination des acides gras a eu peu d'effet sur la capacité d'adsorption des protéines. Cette découverte a également des implications bénéfiques pour ceux qui souhaitent mettre en œuvre ce processus dans les régions en développement. Étant donné que la présence ou l'absence d'acides gras dans les graines a peu d'effet sur la création ou la fonction de f-sable, les habitants de la région peuvent extraire et vendre l'huile de valeur commerciale, et encore être capable d'extraire les protéines des graines restantes pour la filtration de l'eau.

Concentration

Un autre paramètre du processus de fabrication du sable f que Tilton et Przybycien ont testé était la concentration de protéines de graines nécessaires pour créer un produit efficace. La concentration nécessaire a un impact majeur sur la quantité de graines nécessaires, qui à son tour a un effet direct sur l'efficacité globale et la rentabilité.

La clé pour atteindre la bonne concentration est de s'assurer qu'il y a suffisamment de protéines chargées positivement pour surmonter la charge négative des particules de silice auxquelles elles sont attachées, créant une charge positive nette. Cette charge positive est cruciale pour attirer la matière organique chargée négativement, particules, et des microbes contaminant l'eau.

Cela concerne une autre amélioration potentielle du traitement de l'eau potable étudiée par Tilton, Przybycien, et Nordmark dans une publication séparée. Dans ce projet, ils ont utilisé des protéines de graines pour coaguler les contaminants dans l'eau avant la filtration sur sable f. Cela passe aussi par le contrôle de la charge des contaminants, qui coagulent lorsqu'ils sont neutralisés. L'application de trop de protéines peut surcharger les contaminants et inhiber la coagulation.

"Il y a une sorte de sweet spot au milieu, " dit Tilton, "et cela réside dans les détails de la façon dont les différentes protéines de ces mélanges de protéines de graines se font concurrence pour l'adsorption à la surface, ce qui avait tendance à élargir ce sweet spot."

Cette large gamme de concentrations signifie que non seulement les processus de traitement de l'eau peuvent être créés à des concentrations relativement faibles, économisant ainsi les matériaux, mais qu'il y a peu de risque de provoquer accidentellement une contamination de l'eau en dépassant la concentration. Dans les zones où les mesures exactes peuvent être difficiles à effectuer, c'est crucial.

Dureté de l'eau

La dureté de l'eau fait référence à la quantité de minéraux dissous dans l'eau. Bien que les laboratoires utilisent souvent de l'eau déminéralisée, dans un processus destiné à être appliqué dans une gamme d'environnements du monde réel, les chercheurs doivent se préparer à des conditions d'eau douce et dure.

Tilton et Przybycien ont découvert que les protéines étaient capables de bien s'adsorber sur les particules de silice, et pour coaguler les contaminants en suspension, dans des conditions d'eau douce et dure. Cela signifie que le processus pourrait potentiellement être viable dans un large éventail de régions, quelle que soit la dureté de l'eau.

Tilton et Przybycien ont récemment publié un article sur cette recherche, "Adsorption des protéines de graines de Moringa oleifera sur la silice :effets de la dureté de l'eau, Fractionnement, et l'extraction d'acides gras, " dans ACS Langmuir .

Globalement, les conclusions que Tilton, Przybycien, et leurs collègues auteurs ont pu atteindre des avantages majeurs pour ceux des pays en développement à la recherche d'une forme bon marché et facilement accessible de purification de l'eau. Leur travail rapproche cette innovation inédite du terrain, aider à tracer la voie qui pourrait un jour voir le f-sand déployé dans les communautés du monde en développement. Ils ont montré que le processus de fabrication de f-sand affiche un haut degré de flexibilité, car il est capable de fonctionner dans une gamme de conditions d'eau et de concentrations de protéines sans nécessiter la présence d'acides gras ou un besoin de fractionnement.

"C'est un domaine où la complexité peut conduire à l'échec - plus c'est complexe, plus quelque chose pourrait mal tourner, " dit Tilton. " Je pense que l'essentiel est que cela soutient l'idée que la technologie la plus simple pourrait être la meilleure. "