Para el año 2025, se proyecta que cerca de 2 mil millones de personas vivirán en áreas con escasez de agua. Estas proyecciones apuntan a la necesidad de tecnologías avanzadas de tratamiento de agua y aguas residuales para brindar opciones para una demanda de agua en constante aumento.

Uno de los pasos en la descontaminación del agua es la filtración, para eliminar patógenos dañinos como bacterias, virus y otras partículas no deseadas. Los proyectos de investigación en curso en la Universidad de Texas A&M se basan en trabajos anteriores para mejorar los métodos de filtración con el fin de proporcionar costos eficientes, agua potable.

Dr. Shankar Chellam, J. Walter "Deak" Porter '22 y James W. "Bud" Porter '51 Profesor en el Departamento de Ingeniería Civil de Zachry, recientemente recibió dos subvenciones de la National Science Foundation para resolver los desafíos de la filtración. Uno, un proyecto de colaboración con la Dra. Ruth Baltus de la Universidad de Clarkson, busca comprender los factores que permiten que partículas más complejas, como virus, atraviesen la membrana del filtro. El otro, un proyecto de colaboración con el Dr. Nick Cogan de la Universidad Estatal de Florida, es determinar una solución para eliminar la obstrucción asociada de estos filtros.

La prevención de la contaminación vírica del agua potable es de suma importancia para la salud pública. Si bien tecnologías como la micro y ultrafiltración pueden eliminar directamente los parásitos difíciles de desinfectar, como Giardia y Cryptosporidium, junto con la mayoría de las bacterias y otros materiales, estos métodos no son efectivos para eliminar virus y algunas bacterias. Los modelos de filtración anteriores consideraban partículas de forma más simple, como esferas y cápsulas. Con esas formas en mente Los filtros se han diseñado para proporcionar la máxima tasa de rechazo. Sin embargo, los virus y las bacterias tienen muchas formas y tamaños. Algunos incluso tienen una "cabeza" y una "cola" que pueden darles la ventaja de pasar por el filtro.

"Piense en el filtro como una carrera de obstáculos, ", dijo Chellam." La mayoría de los contaminantes se rechazan cuando pasan a través del filtro. Sin embargo, algunos pueden maniobrar a través del filtro debido a una forma más flexible o la capacidad de deformarse o romperse ".

Cuando se usa un filtro, se apelmaza con partículas. Las respuestas actuales de desatasco para regenerar el filtro resultan en un alto costo en el tiempo, Gastos laborales o materiales.

Una solución principal que persigue el equipo es solidificar o agrupar los virus, aumentando su tamaño para filtrarlos mejor, que afecta simultáneamente la cantidad de obstrucción del filtro. En respuesta al problema de las obstrucciones, el equipo planea estudiar un proceso de lavado a contracorriente para limpiar el filtro obstruido. El equipo invertirá periódicamente la dirección del flujo de agua para eliminar las partículas depositadas originalmente en la superficie del filtro. Los resultados del trabajo del equipo serán útiles para las comunidades de tratamiento de agua municipales e industriales donde estas soluciones reducirían los costos de capital y energía.

El equipo también estudiará la mecánica detrás de los virus que atraviesan los poros del filtro. Si bien esta parte del trabajo puede no ofrecer una solución al problema, contribuirá a la comprensión fundamental de la movilidad y la filtración de virus. Este proyecto en particular se centrará en la mejor manera de obstaculizar partículas de diferentes formas, como virus de cola, virus filamentosos flexibles y bacterias deformables, a través de membranas.

Un aspecto importante de la investigación es que los experimentos se diseñarán para imitar sistemas complejos que representan sistemas del mundo real. A través de esfuerzos experimentales y teóricos integrados, el equipo se esfuerza por desarrollar una mejor comprensión de los factores que permiten que las partículas se transporten a través de los filtros.

Una vez que los métodos investigados demuestren ser efectivos y apunten a una verdadera comprensión de cómo se filtran los patógenos, luego, las membranas de filtrado se pueden implementar de manera óptima. Si y cuando lo sean, funcionarán mejor que los existentes, filtros de arena convencionales para mejorar la salud pública y prevenir la contaminación en procesos industriales y biotecnológicos. Esto anulará la necesidad de adoptar el enfoque conservador de usar un filtro de membrana más apretado con poros muy pequeños, lo que aumenta innecesariamente el costo.

Estas dos subvenciones también tienen implicaciones para la purificación de agua "distribuida", que describe el tratamiento in situ en lugar de un tratamiento centralizado, por ejemplo, en situaciones de emergencia después de huracanes o inundaciones. Aunque la tecnología de filtración por membrana aún no está muy extendida debido a los costos relativamente altos y a la falta de un sistema simplificado, método adoptable, una conclusión exitosa en la investigación permitirá implementar más tecnología avanzada para aplicaciones municipales e industriales.

Los resultados generados a partir de este proyecto serán importantes para un diseño más óptimo de los sistemas de micro y ultrafiltración y para aplicaciones prácticas relacionadas con el tratamiento de agua y aguas residuales y alimentos. operaciones biotecnológicas y farmacéuticas. Los impactos educativos más amplios incluyen el desarrollo de actividades de divulgación científica orientadas a la ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas (STEM) en educación primaria.