Пища и кров имеют решающее значение для жизни, но никто не может прожить очень долго без воды. Вот почему с самого начала истории цивилизации жили вблизи обильных источников H2O.
Но этого недостаточно. Та же самая вода, которая дает жизнь, может также сделать людей больными или даже убить их, если она содержит опасные вещества или болезнетворные микробы. А поскольку люди используют воду для таких действий, как орошение сельскохозяйственных культур, стирка и удаление отходов, источники воды, находящиеся рядом с населением, могут легко загрязняться.
В результате люди пытались очистить воду на протяжении тысячелетий. Еще в 1500 году до нашей эры египтяне использовали химические квасцы для фильтрации взвешенных частиц из питьевой воды. Но только в конце 1800-х и начале 1900-х годов ученые выяснили, что микробы вызывают болезни и что воду можно обрабатывать хлором или озоном, чтобы избавиться от них.
В то время как вода, которая течет из-под кранов в большинстве стран, в настоящее время чистая и безопасная, около 11 процентов населения мира - 783 миллиона человек - по-прежнему не имеют доступа к питьевой воде, по данным Организации Объединенных Наций за 2012 год. изучать. Поэтому ученые разрабатывают новые методы получения воды и ее очистки. Вот 10 самых перспективных технологий.
10: Мембранное опреснение с прямым контактом
Если бы мы могли использовать бескрайние океаны как источник питьевой воды, у всех было бы более чем достаточно. Но это означает удаление соли, что неэффективно и дорого с использованием существующих технологий. Вот почему новый процесс, разработанный профессором химического машиностроения Технологического института Нью-Джерси Камалешем Сиркаром, имеет такие ослепительные перспективы. В системе прямоконтактной мембранной дистилляции Sirkar (DCMD) нагретая морская вода течет через пластиковую мембрану, содержащую ряд полых трубок, заполненных холодной дистиллированной водой. Трубки DCMD имеют крошечные поры, которые сконструированы таким образом, что в них может проникать скапливающийся на них водяной пар, но не соль. Пар диффундирует через поры и вытягивается, чтобы снова сконденсироваться в жидкую воду.
По словам Сиркара, его система чрезвычайно эффективна - она может производить 80 литров (21 галлон) питьевой воды на 100 литров (26 галлонов) морской воды, что примерно вдвое больше, чем может производить существующая технология опреснения. Одним из потенциальных недостатков DCMD является то, что для этого требуется постоянный недорогой источник тепла, чтобы предотвратить выравнивание температуры воды по обе стороны мембраны. Но есть вероятность, что когда-нибудь системы DCMD смогут перерабатывать отработанное тепло береговых заводов и морских буровых работ, что будет беспроигрышным для всех.
9: Керамические фильтры для воды
Глиняные керамические фильтры работают аналогично технологии опреснения, описанной в предыдущем разделе. По сути, вода течет через глину, которая содержит множество действительно крошечных отверстий, которые достаточно велики, чтобы пропустить молекулы воды, но слишком малы для бактерий, грязи и других плохих вещей. Первое такое устройство было разработано британским гончаром Генри Доултоном еще в начале 1800-х годов для очистки воды, взятой из Темзы, которая была настолько загрязнена неочищенными сточными водами, что холера и брюшной тиф представляли постоянную опасность.
Со времен Доултона другие изобретатели усовершенствовали его основную концепцию, например, добавили серебряные покрытия для уничтожения бактерий, так что сегодняшние керамические фильтры еще лучше справляются с задачей избавления от опасных патогенов. Однако по-настоящему революционным событием стало то, что гуманитарные неправительственные организации открыли фабрики по производству и раздаче большого количества недорогих керамических фильтров в развивающихся странах.
Исследование, проведенное в 2006 году, показало, что камбоджийцы, которые использовали простые портативные фильтры, не требующие энергии для работы, снизили заболеваемость диарейными заболеваниями на 46 процентов, а загрязнение воды кишечной палочкой на 95 процентов по сравнению с 2003 годом. ставки
Одним из недостатков этих керамических фильтров является скорость фильтрации. Вода просачивается через глиняный фильтр со скоростью всего 2 литра (2,11 кварт) в час. Но процесс должен быть медленным, чтобы дать раствору серебра время убить патогены. Фильтр также не удаляет вредные химические вещества, такие как мышьяк.
8: Дефторирование травами
В США водные компании добавляют небольшое количество фтора - от 0,8 до 1,2 миллиграмма на литр - в питьевую воду, чтобы защитить зубы от кариеса. Но в некоторых частях мира, в том числе в Индии, на Ближнем Востоке и в некоторых африканских странах, вода уже содержит много природного фтора, и его уровень может быть настолько высоким, что опасен для здоровья. В одной индийской деревне, например, естественный уровень от 5 до 23 миллиграммов (от 0,00017 до 0,008 унций) на литр вызвал у жителей тяжелую анемию, тугоподвижность суставов, почечную недостаточность и пятна на зубах.
К счастью, индийские исследователи предложили возможное решение в статье, опубликованной в марте 2013 года в Международном журнале экологической инженерии. Исследователи разработали систему фильтров, в которой используется обычная лекарственная трава Tridax procumbens для поглощения избытка фтора из питьевой воды. Растение, которое также используется для извлечения токсичных тяжелых металлов из воды, притягивает ионы фтора, когда вода проходит через него при температуре около 27 градусов по Цельсию (80,6 градусов по Фаренгейту). Потенциально фильтр может стать недорогим и простым в использовании способом обеззараживания воды в местах, где вода содержит избыточное количество фтора. Но его также могут использовать люди в США и других странах, которым не нравится идея добавления фтора в воду.
7: «Супер-песок»
Песок и гравий использовались для очистки воды на протяжении тысячелетий, а в 1804 году шотландец по имени Джон Гибб спроектировал и построил первый фильтр, фильтрующий воду через песчинки для удаления более крупных частиц загрязнения. Его технология работала так хорошо, что довольно скоро Лондон и другие крупные города Европы стали использовать ее, чтобы речная вода выглядела чище и вкуснее.
К концу 1800-х годов ученые выяснили, что фильтрация также делает воду более безопасной для питья, поскольку частицы, задерживаемые фильтрацией, помогают передавать микробы, вызывающие заболевания, передающиеся через воду. Ценность фильтрации была продемонстрирована в 1892 году, когда город Гамбург, получавший питьевую воду из реки Эльбы, пострадал от эпидемии холеры, унесшей жизни 7 500 человек, в то время как соседний город Альтона, где вода из той же реки была фильтруется, убегает почти нетронутым.
Но недавно исследователи выяснили, как покрыть песчинки оксидом графита для создания «суперпеска», который, как сообщается, может фильтровать вредные вещества, такие как ртуть, из воды в пять раз эффективнее, чем обычный песок. Продолжается работа по поиску способов заставить суперпесок поглощать еще больше загрязнений и в конечном итоге использовать его в развивающихся странах, где источники воды опасно загрязнены.
6: Удаление мышьяка пластиковыми бутылками
Если вы видели черную кинематографическую комедию 1940-х годов «Мышьяк и старые кружева», в которой пара благонамеренных старых дев берет на себя задачу избавить одиноких стариков от их страданий, напоив их вином из бузины с добавлением с мышьяком, вы знаете, что последнее вещество довольно плохая штука. Загрязняя питьевую воду, мышьяк может вызывать рак мочевого пузыря, легких и кожи, а также наносить вред нервной системе, сердцу и кровеносным сосудам.
К сожалению, сегодня почти 100 миллионов человек в развивающихся странах подвергаются воздействию опасно высокого уровня содержания мышьяка в воде, и они не могут позволить себе сложные и дорогостоящие методы очистки, используемые в США для избавления от него. Однако новая технология может предложить решение. Профессор химии Университета Монмута (Нью-Джерси) Цанангурайи Тонгесайи разработал недорогую систему удаления мышьяка, в которой нарезанные кусочки обычных пластиковых бутылок из-под напитков покрываются аминокислотойцистеин. Когда кусочки пластика добавляются в воду, цистеин связывается с мышьяком, удаляя его и делая воду пригодной для питья. В ходе испытаний ему удалось взять воду, содержащую опасный уровень мышьяка 20 частей на миллиард, и снизить его до 0,2 частей на миллиард, что соответствует стандарту Агентства по охране окружающей среды США.
5: Соль для очищения
В бедных странах, где люди не могут позволить себе строительство дорогих водоочистных сооружений, они иногда полагаются на бесплатный ресурс - солнечный свет. Сочетание тепла и ультрафиолетового излучения солнца
уничтожить большинство микробов, вызывающих диарею, болезнь, которая ежедневно уносит жизни 4 000 детей в Африке. Одна сложность: для того, чтобы процесс работал, вода должна быть чистой, что является проблемой в сельской местности, где люди получают воду из рек, ручьев и скважин, которые дают воду, наполненную взвешенными частицами глины.
Но Джошуа Пирс, адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии в Мичиганском технологическом университете, и его коллега Бритни Доуни из Квинсского университета в Онтарио нашли решение. В статье 2012 года в журнале «Вода, санитария и гигиена для развития» они предложили режим солнечной дезинфекции, который сначала обрабатывает воду с помощью процесса, называемогофлокуляция, при котором небольшое количество соль добавляется в воду, чтобы вытянуть глину. Хотя полученная питьевая вода имеет более высокий уровень соли, чем привыкли американцы, в ней все же меньше соли, чем в Gatorade. «Я сам пил эту воду», - сказал Пирс в интервью. «Если бы я был где-нибудь без чистой воды, и у меня были бы дети с диареей, и это могло бы спасти им жизнь, я бы использовал это, без вопросов».
4: SteriPEN
Для путешественников в развивающихся странах контакт с небезопасной водой может быть большим риском. Разве не было бы здорово, если бы вы могли просто окунуть волшебную палочку в воду и очистить ее? Теперь, по сути, вы можете. Портативное устройство под названием SteriPEN, продаваемое компанией Hydro Photon из штата Мэн, использует ультрафиолетовый свет для уничтожения болезнетворных микроорганизмов. В устройстве используется та же технология очистки, что и на заводах по производству бутилированной воды, но оно миниатюризировано, так что весит всего 6,5 унций (184 грамма) и помещается в рюкзак. Поместите его в литр воды из ручья или пруда на 90 секунд, и вуаля - его можно пить. Такие портативные системы очистки воды могут уничтожать бактерии, вирусы и простейшие, такие как лямблии и криптоспоридии, которые могут вызывать болезни.
Большим рынком для SteriPENS являются туристы и путешественники, но они также используются вооруженными силами США. SteriPEN также пожертвовала несколько устройств егерям, которым приходится работать в отдаленных районах дикой природы, где у них нет доступа к водопроводной воде. Одно предостережение относительно ультрафиолетовой очистки: мутная вода должна быть предварительно отфильтрована, чтобы удалить взвешенные частицы.
3: Керамические диски для очистки воды MadiDrop
Фильтры - удобный и недорогой способ очистки воды в развивающихся странах. Но базирующаяся в Университете Вирджинии некоммерческая гуманитарная организация под названием PureMadi («Мади» - южноафриканское слово Tshivenda, означающее «вода»), придумала дополнительную простую в использовании технологию, которая может очистить контейнер с водой, просто погрузив его в воду. в этом. MadiDrop представляет собой небольшой керамический диск размером с котлету для гамбургера, который содержит убивающие микробы наночастицы серебра или меди. Наночастицы в основном очень, очень крошечные объекты, специально разработанные учеными, чтобы вести себя как единое целое.
MadiDrop дешевле, проще в использовании и транспортировке, чем большие керамические фильтры для цветочных горшков (изображенные на первой странице), которые PureMadi уже производит на африканском заводе, по словам Джеймса Смита, гражданского и экологического инженер, один из руководителей проекта. Единственным недостатком, опять же, является то, что MadiDrop не удаляет взвешенные частицы, которые делают воду мутной. Поэтому в идеале пользователи будут подвергать воду двухступенчатому процессу очистки, сначала используя фильтр для цветочных горшков, чтобы избавиться от осадка, а затем уничтожая микробы с помощью MediDrop..
2: Бактерии, питающиеся токсинами
Многие из нас, вероятно, думают о водорослях как о отвратительных вещах, которые мы должны время от времени вычищать из наших аквариумов, но они также могут представлять серьезную угрозу для здоровья. Цветы сине-зеленых водорослей, называемых цианобактериями, встречаются как в пресной, так и в соленой воде по всему миру. Они производят токсины, называемыемикроцистины, которые легко попадают в организм людей, которые пьют, плавают или принимают ванну в загрязненной ими воде. Как только микроцистины попадают в ваш организм, они могут атаковать клетки печени. Это явно не то, чего вы хотите.
К сожалению, традиционные методы очистки воды, такие как фильтрация через песок и хлорирование, не избавляют от этих мелких угроз. Вот почему новый метод очистки, разработанный исследователями из шотландского Университета Роберта Гордона, так многообещающ. Исследователи идентифицировали более 10 различных штаммов бактерий, которым нравится есть микроцистины на обед, и они способны метаболизировать их, чтобы они распадались на безвредные, нетоксичные материалы. Если бактерии-убийцы водорослей попадут в источники воды, они смогут избавиться от микроцистинов и сделать воду безопасной для питья без использования каких-либо потенциально вредных химических веществ.
1: Нанотехнологии
Мы уже упоминали новое инновационное устройство MadiDrop, в котором для уничтожения бактерий используются наночастицы серебра или меди. Но нанотехнологии, то есть проектирование очень, очень маленьких объектов и структур, меньше толщины человеческого волоса, имеют гораздо больший потенциал для очистки питьевой воды в мире. Исследователи из индийского D. J. Инженерный колледж Сангхви утверждает, что фильтры, изготовленные, например, из углеродных нанотрубок и волокон оксида алюминия, могут удалять не только отложения и бактерии, но даже следы токсичных элементов, таких как мышьяк..
Одним из преимуществ использованиянанофильтров, как их называют, является то, что они более эффективны, чем обычные системы фильтрации воды, и не требуют такого высокого давления воды. Но даже несмотря на то, что их поры намного меньше, чем у обычных фильтров, они имеют аналогичную или более высокую скорость потока.
В Массачусетском технологическом институте исследователи даже рассматривают возможность использования нанотехнологий для опреснения воды. Они экспериментируют с использованием листовграфена, формы углерода толщиной всего в один атом, для фильтрации морской воды. С помощью нанотехнологий можно создавать пластины, заполненные крошечными отверстиями, толщиной всего в миллиардную долю метра, которые могут блокировать частицы соли, но пропускают молекулы воды.
Примечание автора: 10 инноваций в очистке воды
Я вырос в районе, который раньше называли Стальной долиной в западной Пенсильвании, где река, от которой мы зависели как источник питьевой воды, была загрязнена всем, от тяжелых металлов и кислот из карьеров до неочищенных сточных вод. Тем не менее, каким-то образом, когда она текла из наших кранов, вода выглядела кристально чистой и имела приятный вкус. Я всегда был озадачен этим и задавался вопросом, какая сложная технология требуется, чтобы сделать его пригодным для питья. Мне было интересно исследовать эту статью, потому что я узнал как об истории очистки воды, так и о том, какие последние инновации могут обеспечить людям по всей планете доступ к чистой воде.