دانه ای گیاهی و ارزان که می‌تواند برای تصفیه آب در سطح گسترده استفاده شود

بنا به گزارش سازمان ملل، ۲/۱ میلیارد از مردم دنیا به آب آشامیدنی مدیریت‌شده و سالم دسترسی ندارند، جمعیتی که عمده‌ی آن‌ها در کشورهای در حال توسعه زندگی می‌کنند. دانشمندان در پژوهشی از شن و مواد گیاهی که در کشورهای در حال توسعه به راحتی در دسترس هستند، برای ایجاد یک فیلتر تصفیه آب ارزان و کارآمد به نام F-sand استفاده کردند. در فیلتر F-sand از پروتئین‌های گیاه مورینگا اولیفرا (Moringa oleifera) که بومی هند بوده و در مناطق گرمسیری و نیمه‌گرمسیری از جمله جنوب ایران  (با نام گز روغن) نیز به خوبی رشد می‌کند، استفاده شده‌است. این درخت به خاطر اهداف تغذیه‌ای و روغن طبیعی آن کشت می‌شود و از دانه‌های آن در روشی ابتدایی برای تصفیه‌ی آب استفاده می‌شود.

دانه‌های دارای پوسته، پوست‌گرفته و خرد شده‌ی گیاه مورینگا اولیفرا قبل از استخراج پروتئین

اگرچه در این روش سنتی تصفیه، مقادیر زیادی کربن آلی محلول (DOC) حاصل از دانه‌ها در آب باقی مانده و بعد از ۲۴ ساعت دوباره باکتری‌ها در این محیط رشد می‌کنند. با این روش تصفیه، آب فقط برای مدت کوتاهی قابل شرب است. ولگول، استاد مهندسی شیمی دانشگاه ایالتی پن کسی بود که ایده‌ی ترکیب این روش تصفیه آب را با روش‌های تصفیه شنی رایج در مناطق در حال توسعه، ارائه داد. ولگول با استخراج پروتئین‌های دانه و جذب آن‌ها به سطح ذرات سیلیس، جزء اصلی شن و ماسه، فیلتر F-sand را بوجود آورد. این فیلتر میکروارگانیسم‌ها را می‌کشد، کدری آب را کاهش می‌دهد و به ذرات و مواد آلی می‌چسبد. این آلودگی‌های نامطلوب و DOC را می‌توان شست و آب آشامیدنی تمیز و ماندگارتری حاصل کرد و از فیلتر هم می‌شود دوباره استفاده کرد.

در حالیکه فرآیند پایه‌ای تایید شد و کارآمد بود، ولی هنوز سوالات زیادی در مورد ساخت و استفاده از این فیترها وجود داشت که پژوهشگران به دنبال پاسخ آن‌ها بودند.

آیا جداسازی پروتئین‌های خاص از دانه‌های مورینگا بازده فیلتر را افزایش می‌دهد؟ آیا اسیدهای چرپ و روغن‌های موجود در دانه‌ها در فرآیند جذب اهمیتی دارند؟ وضعیت خود آب چه تاثیری دارد؟ چه غلظتی از پروتئین‌ها برای ایجاد یک محصول موثر مورد نیاز است؟

پاسخ این پرسش‌ها می‌تواند پیامدهای بزرگی در ارتباط با آینده این فیلتر داشته باشد.

جزء به جزء کردن (Franctionation)

دانه‌ی گیاه مورینگا حاوی حداقل هشت پروتئین مختلف است. جداسازی این پروتئین‌ها فرآیندی که به آن جزء به جزء کردن می‌گویند، مرحله‌ی دیگری به این فرآیند اضافه می‌کند. تصور پژوهشگران این بود که جداسازی پروتئین‌های خاص ممکن است موجب تولید محصول نهایی کارآمدتری شود. ولی نتیجه‌ی آزمایش این نظر را تایید نکرد. جزء به جزء کردن پروتئین‌ها، تاثیر اندکی روی توانایی پروتئین‌ها در چسبیدن به ذرات سیلیس دارد؛ بنابراین این فرآیند برای پروسه‌ی تولید فیلتر F-sand ضرورتی ندارد.

این موضوع که جزء به جزء کردن در فرآیند ساخت فیلتر ضروری نیست، از این نظر که این فیلترها قرار است در مناطق فقیر از نظر امکاناتی استفاده شوند، یک محسوب می‌شود. حذف این مرحله از فرآیند موجب کاهش هزینه‌ها و ساده‌تر شدن فرآیند آماده‌سازی فیلتر می‌شود.

اسیدهای چرب

از دلایل اصلی کاشت این گیاه، اسیدهای چرب و روغن‌های موجود در دانه‌های آن است. این روغن‌ها استخراج شده و به فروش می‌رسند. پژوهشگران می‌خواستند بدانند که آیا این اسیدهای چرب نیز دارای تاثیری روی فرآیند جذب پروتئین هستند یا نه؟

نتیجه این بود که همانند فرآیند جزء به جزء کردن، حذف اسیدهای چرب هم تاثیر خاصی روی توانایی جذب مواد توسط پروتئین‌ها ندارد. این نتایج پیامدهای مفیدی در زمینه‌ی استفاده از این طرح در مناطق در حال توسعه که به تکنولوژی‌های پیشرفته دسترسی ندارند، به همراه دارد. همچنین از آن‌جا که وجود اسیدهای چرب در دانه‌ها اثر خاصی روی عملکرد فیلتر ندارد، مردم منطقه می‌توانند روغن دانه‌ها را بگیرند و سپس پروتئین موجود در باقی‌مانده‌ی دانه‌ها برای فرآیند تصفیه استخراج شود.

غلظت

پارامتر دیگری که تاثیر آن در کارایی فیلتر F-sand مورد مطالعه قرار گرفت، غلظت پروتئین‌های موجود در دانه بود. غلظت مورد نیاز تاثیر عمده‌ای روی مقدار دانه‌های مورد نیاز و بازده کلی و هزینه دارد. نکته کلیدی در دستیابی غلظت مناسب پروتئین‌ها این است که باید به‌اندازه‌ی کافی پروتئین دارای بار مثبت‌ برای غلبه بر بار منفی ذرات سیلیسی که به آن‌ها می‌چسبند وجود داشته باشد تا در نهایت امکان ایجاد با خالص مثبت فراهم شود. این بار مثبت برای جذب مواد آلی، ذرات و میکروب‌های آلوده‌کننده آب که دارای بار منفی هستند، حیاتی است.

پژوهشگران در مطالعه‌ی خود از پروتئین‌های دانه برای انعقاد مواد آلاینده‌ی موجود در آب قبل از تصفیه با F-sand استفاده کردند. این فرآیند با کنترل کردن بار آلاینده‌ها انجام می‌شود؛ زیرا آن‌ها وقتی از لحاظ بار الکتریکی خنثی شوند، منعقد می‌شوند. استفاده از مقادیر بسیار زیاد پروتئین می‌تواند آلاینده‌ها را بیش از حد شارژ کند و از فرآیند انعقاد جلوگیری کند. باید توجه داشت که فرآیند تیمار آب با غلظت‌های نسبتا پایین و صرفه جویی در مواد قابل انجام است. در مناطقی که اندازه‌گیری‌های دقیق دشوار است، توجه به این نکته حیاتی است؛ زیرا غلظت بیش از حد این ترکیبات در آب می‌تواند موجب تشدید آلودگی شود.

سختی آب

منظور از سختی آب، مقدار مواد معدنی محلول موجود در آب است. اگرچه در آزمایشگاه‌ها اغلب از آب یون‌زدایی شده، استفاده می‌شود ولی در فرآیندی که قرار است در محیط‌های مختلف انجام شود، پژوهشگران باید آمادگی کار با آب سخت و آب نرم را داشته باشند. نتایج نشان داد پروتئین‌ها هم در آب سخت و هم در آب نرم به خوبی ذرات سیلیس را جذب کرده و قادر به گرفتن آلاینده‌های معلق موجود در آب بودند. این فرآیند در طیف وسیعی از مناطق بدون توجه به درجه‌ی سختی آب قابل کاربرد است.

پژوهشگران نتیجه‌ی مطالعات خود را در ACS Langmuir منتشر کرده‌اند. نتایجی که این پژوهشگران به‌دست آورند مزایای عمده‌ای برای کشورهای در حال توسعه که به دنبال راه‌های آسان و ارزان برای تصفیه آب هستند، به همراه دارد. فرآیند تولید F-sand دارای انعطاف‌پذیری بالایی است؛ در دامنه‌ی وسیعی از شرایط آب و غلظت‌های پروتئین بدون نیاز به حضور اسیدهای چرب و یا نیاز به انجام فرآیند جزء جزء سازی قابل انجام است.