Ingenieros del MIT fabrican filtros con ramas de árboles para purificar el agua

Los prototipos probados en India se muestran prometedores como una opción de filtración natural de bajo costo.

Los interiores de los árboles que no florecen, como el pino y el ginkgo, contienen albura revestida con conductos parecidos a la paja conocidos como xilema, que extraen agua a través del tronco y las ramas de un árbol.

Los conductos del xilema están interconectados a través de membranas delgadas que actúan como tamices naturales, filtrando las burbujas del agua y la savia.

Ingenieros del MIT han estado investigando la capacidad de filtrado natural de la albura y previamente han fabricado filtros simples a partir de secciones transversales peladas de ramas de albura, lo que demuestra que el diseño de baja tecnología filtra eficazmente las bacterias.

Ahora, el mismo equipo ha avanzado la tecnología y ha demostrado que funciona en situaciones del mundo real.

Han fabricado nuevos filtros de xilema que pueden filtrar patógenos como E. coli y rotavirus en pruebas de laboratorio, y han demostrado que el filtro puede eliminar bacterias de manantiales, grifos y aguas subterráneas contaminados.

También desarrollaron técnicas simples para extender la vida útil de los filtros, permitiendo que los discos leñosos purifiquen el agua después de haber sido almacenados en forma seca durante al menos dos años.

Los investigadores llevaron sus técnicas a India, donde hicieron filtros de xilema a partir de árboles nativos y probaron los filtros con usuarios locales.

Basándose en sus comentarios, el equipo desarrolló un prototipo de un sistema de filtración simple, equipado con filtros de xilema reemplazables que purificaban el agua a una velocidad de un litro por hora.

Sus resultados, publicados en Nature Communications, muestran que los filtros de xilema tienen potencial para usarse en entornos comunitarios para eliminar bacterias y virus del agua potable contaminada.

Los investigadores están explorando opciones para hacer que los filtros de xilema estén disponibles a gran escala, particularmente en áreas donde el agua potable contaminada es una causa importante de enfermedad y muerte.

El equipo ha lanzado un sitio web de código abierto, con pautas para diseñar y fabricar filtros de xilema a partir de varios tipos de árboles.

El sitio web está destinado a ayudar a empresarios, organizaciones y líderes a presentar la tecnología a comunidades más amplias e inspirar a los estudiantes a realizar sus propios experimentos científicos con filtros de xilema.

“Debido a que las materias primas están ampliamente disponibles y los procesos de fabricación son simples, uno podría imaginar involucrar a las comunidades en la adquisición, fabricación y distribución de filtros de xilema”, dice Rohit Karnik, profesor de ingeniería mecánica y jefe asociado del departamento de educación en MIT.

“Para los lugares donde la única opción ha sido beber agua sin filtrar, esperamos que los filtros de xilema mejoren la salud y hagan que el agua sea potable“.

Los coautores del estudio de Karnik son la autora principal Krithika Ramchander y Luda Wang del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, y Megha Hegde, Anish Antony, Kendra Leith y Amy Smith del MIT D-Lab.

En sus estudios anteriores sobre el xilema, Karnik y sus colegas encontraron que la capacidad de filtrado natural del material leñoso también tenía algunas limitaciones naturales.

A medida que la madera se secaba, las membranas en forma de tamiz de las ramas comenzaron a adherirse a las paredes, reduciendo la permeabilidad del filtro o la capacidad de permitir que el agua fluyera.

Los filtros también parecían “autobloquearse” con el tiempo, acumulando materia leñosa que obstruía los conductos.

Sorprendentemente, dos tratamientos simples superaron ambas limitaciones.

Al remojar pequeñas secciones transversales de albura en agua caliente durante una hora, luego sumergirlas en etanol y dejarlas secar, Ramchander descubrió que el material conservaba su permeabilidad, filtrando el agua de manera eficiente sin obstruirse.

Su filtrado también podría mejorarse adaptando el grosor de un filtro de acuerdo con su tipo de árbol.

Los investigadores cortaron y trataron pequeñas secciones transversales de pino blanco de las ramas alrededor del campus del MIT y demostraron que los filtros resultantes mantuvieron una permeabilidad comparable a los filtros comerciales, incluso después de haber sido almacenados hasta por dos años, extendiendo significativamente la vida útil de los filtros.

Los investigadores también probaron la capacidad de los filtros para eliminar contaminantes como E. coli y rotavirus, la causa más común de enfermedad diarreica.

Los filtros tratados eliminaron más del 99 por ciento de ambos contaminantes, un nivel de tratamiento de agua que cumple con la categoría de “protección integral de dos estrellas” establecida por la Organización Mundial de la Salud.

“Creemos que estos filtros pueden abordar razonablemente los contaminantes bacterianos”, dice Ramchander.

“Pero hay contaminantes químicos como el arsénico y el fluoruro en los que aún no conocemos el efecto“, señala.

Animados por sus resultados en el laboratorio, los investigadores se trasladaron a probar sus diseños en el campo en India, un país que ha experimentado la tasa de mortalidad más alta del mundo debido a enfermedades transmitidas por el agua, y donde el agua potable segura y confiable es inaccesible para más personas. de 160 millones de personas.

Durante dos años, los ingenieros, incluidos los investigadores del MIT D-Lab, trabajaron en regiones montañosas y urbanas, facilitados por las ONG locales Himmotthan Society, Shramyog, Peoples Science Institute y Essmart.

Fabricaron filtros de pinos nativos y los probaron, junto con filtros hechos de árboles de ginkgo en los EE. UU., con fuentes locales de agua potable.

Estas pruebas confirmaron que los filtros eliminaron eficazmente las bacterias que se encuentran en el agua local.

Los investigadores también llevaron a cabo entrevistas, grupos focales y talleres de diseño para comprender las prácticas de agua actuales de las comunidades locales y los desafíos y preferencias para las soluciones de tratamiento de agua.

También recopilaron comentarios sobre el diseño.

“Una de las cosas que obtuvo una puntuación muy alta entre las personas fue el hecho de que este filtro es un material natural que todos reconocen”, dice Hegde.

“También descubrimos que las personas de hogares de bajos ingresos prefieren pagar una cantidad menor a diario, en lugar de una cantidad mayor con menor frecuencia.

Eso fue una barrera para el uso de filtros existentes, porque los costos de reemplazo eran demasiado”.

Con información de más de 1,000 usuarios potenciales en toda la India, diseñaron un prototipo de un sistema de filtración simple, equipado con un receptáculo en la parte superior que los usuarios pueden llenar con agua.

El agua fluye por un tubo de 1 metro de largo, a través de un filtro de xilema y sale a través de un pico controlado por válvula.

El filtro de xilema se puede cambiar a diario o semanalmente, según las necesidades del hogar.

El equipo está explorando formas de producir filtros de xilema a escalas más grandes, con recursos disponibles localmente y de una manera que alentaría a las personas a practicar la purificación del agua como parte de su vida diaria, por ejemplo, proporcionando filtros de reemplazo a precios asequibles y de pago por uso de paquetes para llevar.

“Los filtros de xilema están hechos de materiales económicos y abundantemente disponibles, que podrían estar disponibles en las tiendas locales, donde la gente puede comprar lo que necesita, sin requerir una inversión inicial como es típico para otros cartuchos de filtro de agua”, dice Karnik.

“Por ahora, hemos demostrado que los filtros de xilema proporcionan un rendimiento realista“.

Fuente: MIT News