пятница, 12 мая 2017 г.

Фильтр для воды из дерева



Если вы вдруг останетесь без воды во время туристического похода к берегу какого-нибудь озера, то решить данную проблему можно без особого труда: сломайте ветку ближайшей сосны, снимите с неё кору и не торопясь пропустите воду через используемую ветку. Данный сделанный на скорую руку фильтр послужит капканом для различных бактерий — позволит получить чистую воду. 

Надо сказать, что группа учёных из Массачусетского технологического института выяснила, что данный примитивный способ очистки может давать 4 литра питьевой воды в день — достаточно, чтобы утолить жажду одного среднестатистического человека. В статье, опубликованной в журнале PLoS ONE, учёные показали, что небольшой кусок заболони древесины может удалять из воды более 99% бактерий E. coli. По их словам, размер пор заболони позволяет проходить молекулам воды и задерживать при этом клетки бактерий. 

По словам Рохита Карника (Rohit Karnik, доцент кафедры инженерной механики Массачусетского технологического института), заболонь является весьма перспективным и недорогим материалом для обеспечения фильтрации воды, в частности на селе, где продвинутые системы фильтрации часто недоступны. 

«Современные мембраны для фильтрации несут наноразмерные поры, их не изготовишь у себя в гараже. Текущая идея заключается в том, что нам не нужно делать мембрану, потому что она уже есть. Вы, просто, можете взять кусок дерева и получить из него фильтр» — говорит доцент Карник. 

Существует ряд технологий очистки воды, представленных сегодня на рынке. Однако многие из них обладают определёнными недостатками. Системы, которые чистят воду, используя хлор, хорошо очищают большой объём воды, но дорого стоят. Кипячение воды, направленное на устранение контаминирующих агентов, требует больших затрат энергии, чтобы нагреть воду. Фильтры, которые используют для очистки воды мембраны, хоть и способны удалять микробов, дорого стоят, могут легко засориться, предполагают использование насоса. 

Заболонь может стать недорогой альтернативой. Древесина образована ксилемой — специальной тканью, которая проводит воду с растворёнными в ней веществами от корней деревьев до их кроны через систему сосудов и пор. Каждая стенка сосуда несёт крошечные поры, через которые может проходить водный раствор, перетекая из одного сосуда в другой, питая различные структуры по длине деревьев. Поры так же лимитируют кавитацию — процесс, через который в ксилеме могут расти и распространяться пузырьки воздуха, убивая дерево. Поры ксилемы могут захватывать пузырьки, запрещая их распространение по древесине. 

«Деревья должны были научиться фильтровать пузырьки, но при этом позволить свободно перемещаться водному раствору. Та же проблема и с фильтрацией воды, где мы хотим отфильтровать микробов и при этом обеспечить высокую скорость тока жидкости» — говорит доцент Карник. 

Чтобы изучить фильтрационный потенциал заболони, учёные собрали ветки Pinus strobus и сняли с них наружную кору. Они вырезали небольшие участки заболони около дюйма в длину и пол дюйма в ширину и поместили каждый в пластиковую трубку, запакованную эпоксидным клеем и закреплённую зажимами. 

До того, как начать эксперименты с контаминированной водой, учёные использовали воду, в которой находились частицы красного красителя размером 70–500 нм. После приготовлений жидкость пропускали через самодельный фильтр. Затем исследователи разрезали заболонь по полам. Было видно, что большая часть используемого красителя содержалась внутри верхних слоёв древесины. При этом отфильтрованная вода оставалась чистой. 

Проведённый эксперимент показал, что заболонь обладает естественной способностью к фильтрации частиц, размер которых превышает 70 нм. 

Однако в другом эксперименте учёные обнаружили, что заболонь не способна чистить воду от частиц размером в 20 нм. 

В конечно итоге учёные пропустили через фильтр воду, содержащую инактивированных бактерий E.coli. Когда они осмотрели ксилему под флуоресцентным микроскопом, то обнаружили, что бактерии скопились у замыкающих плёнок пор на протяжении первых нескольких миллиметров древесины. Подсчитав количество бактериальных клеток в отфильтрованной воде, учёные пришли к выводу, что заболонь смогла убрать из воды 99% E. coli. 

По словам доцента Карника, заболонь, предположительно, может фильтровать большинство типов бактерий, размер наименьших видов которых составляет около 200 нм. Однако данный фильтр не способен задерживать многие вирусные частицы, так как они обладают слишком маленьким физическим размером. 

В настоящее время учёные планируют провести изучение фильтрационного потенциала заболони других видов деревьев. В целом цветковые деревья обладают более мелкими порами по сравнению с хвойными. То есть, они, гипотетически, могут задерживать частицы меньшего размера. Однако сосуды цветковых деревьев длиннее, что может затруднить создание компактного фильтра для воды. 

Инженеры, заинтересованные в использовании заболони в качестве фильтра ещё только должны придумать способы поддержания древесины в сыром состоянии или методы её высушивания, которые позволят сохранить функциональную активность ксилемы. Как показывают другие эксперименты доцента Карника и его коллег, сухая древесина не фильтрует контаминированую воду.