L’intérieur des arbres non florifères tels que le pin et le ginkgo contient de l’aubier bordé de conduits en forme de paille appelés xylème, qui aspirent l’eau à travers le tronc et les branches d’un arbre. Les conduits Xylem sont interconnectés via de fines membranes qui agissent comme des tamis naturels, filtrant les bulles d’eau et de sève.
Les ingénieurs du MIT ont étudié la capacité de filtrage naturelle de l’aubier et ont déjà fabriqué des filtres simples à partir de sections transversales pelées de branches d’aubier, démontrant que la conception de basse technologie filtre efficacement les bactéries.
Maintenant, la même équipe a fait progresser la technologie et a montré qu’elle fonctionne dans des situations du monde réel. Ils ont fabriqué de nouveaux filtres au xylème capables de filtrer les agents pathogènes tels que E. coli et le rotavirus dans des tests de laboratoire, et ont montré que le filtre peut éliminer les bactéries des sources, des robinets et des eaux souterraines contaminés.
Ils ont également développé des techniques simples pour prolonger la durée de conservation des filtres, permettant aux disques ligneux de purifier l’eau après avoir été stockée sous forme sèche pendant au moins deux ans.
Les chercheurs ont amené leurs techniques en Inde, où ils ont fabriqué des filtres au xylème à partir d’arbres indigènes et ont testé les filtres avec des utilisateurs locaux. Sur la base de leurs commentaires, l’équipe a développé un prototype de système de filtration simple, équipé de filtres au xylème remplaçables qui purifiaient l’eau à un débit d’un litre par heure.
Leurs résultats, publiés aujourd’hui dans Communications de la nature, montrent que les filtres au xylème peuvent être utilisés en milieu communautaire pour éliminer les bactéries et les virus de l’eau potable contaminée.
Les chercheurs explorent des options pour rendre les filtres au xylème disponibles à grande échelle, en particulier dans les zones où l’eau potable contaminée est une cause majeure de maladie et de décès. L’équipe a lancé un site Web open source, avec des directives pour la conception et la fabrication de filtres au xylème à partir de différents types d’arbres.
Le site Web est destiné à aider les entrepreneurs, les organisations et les dirigeants à présenter la technologie à des communautés plus larges et à inciter les étudiants à réaliser leurs propres expériences scientifiques avec des filtres au xylème.
Parce que les matières premières sont largement disponibles et que les processus de fabrication sont simples, on pourrait imaginer impliquer les communautés dans l’achat, la fabrication et la distribution de filtres au xylème. Pour les endroits où la seule option a été de boire de l’eau non filtrée, nous nous attendons à ce que les filtres au xylème améliorent la santé et rendent l’eau potable. «
Rohit Karnik, professeur de génie mécanique et chef de département associé pour l’éducation, Massachusetts Institute of Technology
Les co-auteurs de l’étude de Karnik sont les auteurs principaux Krithika Ramchander et Luda Wang du département de génie mécanique du MIT, ainsi que Megha Hegde, Anish Antony, Kendra Leith et Amy Smith du MIT D-Lab.
Frayer le chemin
Dans leurs études antérieures sur le xylème, Karnik et ses collègues ont constaté que la capacité de filtrage naturelle du matériau ligneux s’accompagnait également de certaines limitations naturelles. Au fur et à mesure que le bois séchait, les membranes en forme de tamis des branches ont commencé à adhérer aux murs, réduisant la perméance du filtre ou sa capacité à permettre à l’eau de s’écouler. Les filtres semblaient également «s’auto-bloquer» au fil du temps, accumulant de la matière ligneuse qui obstruait les conduits.
Étonnamment, deux traitements simples ont surmonté les deux limitations. En trempant de petites sections transversales d’aubier dans de l’eau chaude pendant une heure, puis en les plongeant dans de l’éthanol et en les laissant sécher, Ramchander a constaté que le matériau conservait sa perméance, filtrant efficacement l’eau sans se colmater. Son filtrage pourrait également être amélioré en adaptant l’épaisseur d’un filtre en fonction de son type d’arbre.
Les chercheurs ont tranché et traité de petites sections transversales de pin blanc à partir de branches autour du campus du MIT et ont montré que les filtres résultants maintenaient une perméance comparable aux filtres commerciaux, même après avoir été stockés pendant jusqu’à deux ans, prolongeant considérablement la durée de conservation des filtres.
Les chercheurs ont également testé la capacité des filtres à éliminer les contaminants tels que E. coli et le rotavirus – la cause la plus fréquente de maladies diarrhéiques. Les filtres traités ont éliminé plus de 99 pour cent des deux contaminants, un niveau de traitement de l’eau qui répond à la catégorie de «protection complète deux étoiles» établie par l’Organisation mondiale de la santé.
«Nous pensons que ces filtres peuvent raisonnablement traiter les contaminants bactériens», déclare Ramchander. «Mais il existe des contaminants chimiques comme l’arsenic et le fluorure dont nous ne connaissons pas encore l’effet», note-t-elle.
Travail de fond
Encouragés par leurs résultats en laboratoire, les chercheurs ont entrepris de tester leurs conceptions sur le terrain en Inde, un pays qui a connu le taux de mortalité dû aux maladies d’origine hydrique le plus élevé au monde, et où une eau potable sûre et fiable est inaccessible à davantage. plus de 160 millions de personnes.
Pendant deux ans, les ingénieurs, dont des chercheurs du MIT D-Lab, ont travaillé dans les régions montagneuses et urbaines, avec l’aide des ONG locales Himmotthan Society, Shramyog, Peoples Science Institute et Essmart.
Ils ont fabriqué des filtres à partir de pins indigènes et les ont testés, ainsi que des filtres fabriqués à partir de ginkgo aux États-Unis, avec des sources d’eau potable locales. Ces tests ont confirmé que les filtres éliminaient efficacement les bactéries présentes dans l’eau locale.
Les chercheurs ont également organisé des entretiens, des groupes de discussion et des ateliers de conception pour comprendre les pratiques actuelles de l’eau des communautés locales, les défis et les préférences en matière de solutions de traitement de l’eau. Ils ont également recueilli des commentaires sur la conception.
«L’une des choses qui a obtenu un score très élevé auprès des gens était le fait que ce filtre est un matériau naturel que tout le monde reconnaît», déclare Hegde. «Nous avons également constaté que les personnes vivant dans des ménages à faible revenu préfèrent payer un montant plus petit quotidiennement, plutôt qu’un montant plus élevé moins fréquemment. C’était un obstacle à l’utilisation des filtres existants car les coûts de remplacement étaient trop élevés.
Avec les informations de plus de 1 000 utilisateurs potentiels à travers l’Inde, ils ont conçu un prototype de système de filtration simple, équipé d’un réceptacle en haut que les utilisateurs peuvent remplir d’eau.
L’eau s’écoule dans un tube de 1 mètre de long, à travers un filtre au xylème et à travers un bec contrôlé par une valve. Le filtre au xylème peut être remplacé quotidiennement ou hebdomadairement, selon les besoins du ménage.
L’équipe explore des moyens de produire des filtres au xylème à plus grande échelle, avec des ressources disponibles localement, et d’une manière qui encouragerait les gens à pratiquer la purification de l’eau dans le cadre de leur vie quotidienne – par exemple, en fournissant des filtres de remplacement à des prix abordables et payants. paquets au fur et à mesure.
«Les filtres Xylem sont fabriqués à partir de matériaux peu coûteux et disponibles en abondance, qui pourraient être mis à disposition dans les magasins locaux, où les gens peuvent acheter ce dont ils ont besoin, sans nécessiter un investissement initial comme c’est généralement le cas pour les autres cartouches de filtre à eau», explique Karnik. « Pour l’instant, nous avons montré que les filtres au xylème offrent des performances réalistes. »
La source:
Massachusetts Institute of Technology
