De acordo com as Nações Unidas, 2,1 bilhões de pessoas não têm acesso a serviços de água potável gerenciados de forma segura, a maioria dos quais vive em países em desenvolvimento.

Os professores de Engenharia Biomédica e Engenharia Química da Carnegie Mellon University Bob Tilton e Todd Przybycien recentemente foram co-autores de um artigo com Ph.D. alunos Brittany Nordmark e Toni Bechtel, e ex-aluno John Riley, refinando ainda mais um processo que em breve poderá ajudar a fornecer água limpa para muitas regiões com escassez de água. O processo, criado pela ex-aluna e co-autora de Tilton Stephanie Velegol, usa areia e materiais vegetais disponíveis em muitos países em desenvolvimento para criar um meio de filtragem de água barato e eficaz, denominado "f-sand."

"F-sand" usa proteínas da planta Moringa oleifera, uma árvore nativa da Índia que cresce bem em climas tropicais e subtropicais. A árvore é cultivada para alimentação e óleos naturais, e as sementes já são utilizadas para uma espécie de purificação rudimentar da água. Contudo, este meio tradicional de purificação deixa para trás grandes quantidades de carbono orgânico dissolvido (COD) das sementes, permitindo que as bactérias cresçam novamente após apenas 24 horas. Isso deixa apenas uma pequena janela na qual a água é potável.

Velegol, que agora é professor de engenharia química na Penn State University, teve a ideia de combinar este método de purificação de água com métodos de filtração de areia comuns em áreas em desenvolvimento. Ao extrair as proteínas da semente e adsorver (aderir) à superfície das partículas de sílica, o principal componente da areia, ela criou f-sand. A areia F mata os microorganismos e reduz a turbidez, aderindo à matéria particulada e orgânica. Esses contaminantes indesejáveis ​​e o DOC podem ser eliminados, deixando a água limpa por mais tempo, e o f-sand pronto para reutilização.

Embora o processo básico tenha sido comprovado e eficaz, ainda havia muitas perguntas em torno da criação e uso do f-sand - perguntas que Tilton e Przybycien resolveram responder.

O isolamento de certas proteínas das sementes de M. oleifera aumentaria a eficácia da areia f? Os ácidos graxos e óleos encontrados nas sementes são importantes para o processo de adsorção? Que efeito as condições da água teriam? Que concentração de proteínas é necessária para criar um produto eficaz?

As respostas a essas perguntas podem ter grandes implicações no futuro da f-sand.

Fracionamento

A semente de M. oleifera contém pelo menos oito proteínas diferentes. Separando essas proteínas, um processo conhecido como fracionamento, iria introduzir outra etapa do processo. Antes de sua pesquisa, os autores teorizaram que isolar certas proteínas pode fornecer um produto final mais eficiente.

Contudo, ao longo do teste, Tilton e Przybycien descobriram que esse não era o caso. O fracionamento das proteínas teve pouco efeito discernível sobre a capacidade das proteínas de se adsorver às partículas de sílica, o que significa que esta etapa era desnecessária para o processo de criação f-sand.

A descoberta de que o fracionamento é desnecessário é particularmente vantajoso para o cenário de escassez de recursos em que se pretende utilizar areia f. Deixar essa etapa fora do processo ajuda a cortar custos, requisitos de processamento mais baixos, e simplificar o processo geral.

Ácidos graxos

Uma das principais razões pelas quais M. oleifera é cultivada atualmente são os ácidos graxos e óleos encontrados nas sementes. Estes são extraídos e vendidos comercialmente. Tilton e Przybycien estavam interessados ​​em saber se esses ácidos graxos também afetavam o processo de adsorção de proteínas.

Eles descobriram que muito parecido com o fracionamento, a remoção dos ácidos graxos teve pouco efeito sobre a capacidade de adsorção das proteínas. Essa descoberta também tem implicações benéficas para aqueles que desejam implementar esse processo nas regiões em desenvolvimento. Uma vez que a presença ou ausência de ácidos graxos nas sementes tem pouco efeito sobre a criação ou função da areia-f, as pessoas da região podem remover e vender o óleo comercialmente valioso, e ainda ser capaz de extrair as proteínas das sementes restantes para filtrar a água.

Concentração

Outro parâmetro do processo de fabricação de areia f que Tilton e Przybycien testaram foi a concentração de proteínas da semente necessária para criar um produto eficaz. A concentração necessária tem um grande impacto na quantidade de sementes necessária, o que, por sua vez, tem um efeito direto na eficiência geral e na eficácia de custos.

A chave para atingir a concentração adequada é garantir que haja proteínas carregadas positivamente o suficiente para superar a carga negativa das partículas de sílica às quais estão ligadas, criando uma carga líquida positiva. Esta carga positiva é crucial para atrair a matéria orgânica carregada negativamente, particulados, e micróbios que contaminam a água.

Isso se relaciona a outra melhoria potencial para o tratamento de água potável investigada por Tilton, Przybycien, e Nordmark em uma publicação separada. Neste projeto, eles usaram proteínas de sementes para coagular contaminantes na água antes da filtração com areia f. Isso também depende do controle da carga dos contaminantes, que coagulam quando são neutralizados. Aplicar muita proteína pode sobrecarregar os contaminantes e inibir a coagulação.

"Há uma espécie de ponto ideal no meio, "diz Tilton, "e está nos detalhes de como as diferentes proteínas nessas misturas de proteínas de sementes competem entre si pela adsorção à superfície, o que tendeu a ampliar esse ponto ideal. "

Esta ampla gama de concentrações significa que não apenas os processos de tratamento de água podem ser criados em concentrações relativamente baixas, assim conservando materiais, mas que há pouco risco de causar acidentalmente a contaminação da água ao ultrapassar a concentração. Em áreas onde medições exatas podem ser difíceis de fazer, isso é crucial.

Dureza da água

A dureza da água refere-se à quantidade de minerais dissolvidos na água. Embora os laboratórios frequentemente usem água desionizada, em um processo destinado a ser aplicado em uma variedade de ambientes do mundo real, os pesquisadores precisam se preparar para as condições de água dura e macia.

Tilton e Przybycien descobriram que as proteínas eram capazes de se adsorver bem às partículas de sílica, e para coagular contaminantes suspensos, em ambas as condições de água macia e dura. Isso significa que o processo pode ser potencialmente viável em uma ampla gama de regiões, independentemente da dureza da água.

Tilton e Przybycien publicaram recentemente um artigo sobre esta pesquisa, "Moringa oleifera Seed Protein Adsorption to Silica:Effects of Water Hardness, Fracionamento, e extração de ácidos graxos, " no ACS Langmuir .

Geral, as conclusões de que Tilton, Przybycien, e seus colegas autores foram capazes de alcançar grandes benefícios para aqueles em países em desenvolvimento que procuram uma forma barata e facilmente acessível de purificação de água. Seu trabalho coloca esta inovação um passo mais perto do campo, ajudando a abrir o caminho que um dia pode ser implantado em comunidades em todo o mundo em desenvolvimento. Eles mostraram que o processo de fabricação de areia f exibe um alto grau de flexibilidade, pois é capaz de funcionar em uma variedade de condições de água e concentrações de proteína sem exigir a presença de ácidos graxos ou a necessidade de fracionamento.

"É uma área em que a complexidade pode levar ao fracasso - quanto mais complexo for, quanto mais coisas podem dar errado, "diz Tilton." Acho que o resultado final é que isso apóia a ideia de que a tecnologia mais simples pode ser a melhor. "