Die nächste Generation von Wissenschaftlern und Erfindern findet bereits Ansätze, um die Probleme der Gesellschaft anzugehen. Heute berichten eine Gruppe von Gymnasiasten und ihr Lehrer von einer Lösung für das Problem der Bleiverunreinigung im Trinkwasser – ein kostengünstiger Wasserhahnaufsatz, der dieses giftige Metall entfernt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Filtern, die derzeit auf dem Markt sind, enthält ihr Filter eine Kartusche aus biologisch abbaubarem Kunststoff und zeigt an, wann er „aufgebraucht“ ist, indem er das Leitungswasser gelb färbt.
Die Forscher stellen ihre Ergebnisse heute auf der Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS) vor.
„Vor ein paar Jahren sah ich ein Video von einer Frau in Michigan, die ihr Leitungswasser aufdrehte, und es kam braun heraus“, sagt Rebecca Bushway, die leitende Ermittlerin des Projekts. Sie stellt auch die Arbeit bei dem Treffen vor. „Das brachte mich zum Nachdenken – weil es wirklich keinen sicheren Bleigehalt im Trinkwasser gibt, wäre es nicht schön, einen Wasserfilter zu haben, der Ihnen sagen könnte, dass Ihr Wasser verunreinigt ist, lange bevor es wegen Blei braun wird?“
Obwohl einige Rohre in den USA saniert wurden, erhalten Millionen von Haushalten, insbesondere in Gemeinden mit niedrigem Einkommen, immer noch Trinkwasser durch bleihaltige Rohre. Wenn die Chemie des Wassers nicht optimal ist oder es aufgrund hoher Nachfrage schnell fließt, können Rohre korrodieren. Wenn das korrodierende Material Blei enthält, löst sich das giftige Metall oder blättert ins Wasser ab und verunreinigt es mit einer dunklen Verfärbung und manchmal sichtbaren Partikeln.
Bis alte Rohre durch bleifreie ersetzt werden können, können Filter dabei helfen, diesen Schadstoff aus dem Leitungswasser zu entfernen oder zu reduzieren. Obwohl verschiedene Bleifiltrationssysteme existieren, können ihre hohen Kosten und ihre Größe Hindernisse darstellen. Darüber hinaus geben nur wenige Hinweise darauf, dass sie gewechselt werden sollten, und keines weist darauf hin, dass das Wasser ein unmittelbares Gesundheitsrisiko darstellen könnte.
Bushway, eine Lehrerin für Naturwissenschaften an der Barrie Middle and Upper School, fragte sich laut vor ihrer Chemieklasse der Oberstufe, ob es einen kleinen Filter geben könnte – ähnlich denen, die für Campingzwecke zur Reinigung von Wasser hergestellt werden –, die sie aus billigen Komponenten herstellen könnten Blei leicht zu entfernen. Die Schüler waren von der Idee begeistert und begannen im Jahr 2020 über das Projekt nachzudenken, als die COVID-19-Beschränkungen sie vom Unterricht fernhielten. Zu Hause traf sich das Team virtuell und diskutierte Entwürfe für eine Befestigung, um einen Filter auf den Wasserhahn einer Spüle zu schrauben. Als sie dann im Frühjahrssemester 2021 ins Klassenzimmer zurückkehrten, druckten sie den Aufsatz und ein 3 Zoll hohes Filtergehäuse aus einem biologisch abbaubaren Kunststoff in 3D. Ihr letzter Schritt bestand darin, die Kartuschen mit einer Mischung aus Kalziumphosphat- und Kaliumjodidpulver zu füllen.
„Calciumphosphat verbindet sich zunächst mit gelöstem Blei im Wasser zu Bleiphosphat und freiem Calcium. Das unbedenkliche Calcium gelangt ins Wasser, das Bleiphosphat bleibt im Filter“, erklärt Bushway. Bleiphosphat, ein inerter Feststoff, wird innerhalb des Filters durch ein Nylonsieb an der Unterseite des Geräts eingefangen. Sobald die Reaktionskapazität des Calciumphosphats erreicht ist, reagiert gelöstes Blei mit Kaliumiodid, wodurch das Wasser gelb wird, ein Indikator für das Vorhandensein von Blei.
Und während die Chemie selbst ziemlich einfach ist, war es komplizierter, das Wasserfiltersystem so herzustellen, dass es das tut, was die Forscher beabsichtigten. Zum Beispiel neigt Calciumphosphat dazu, sich zu verklumpen, was bewirkt, dass die Reaktionsgeschwindigkeit zwischen ihm und Blei abnimmt, wenn die Oberfläche abnimmt. Also fügte der leitende Student-Ingenieur des Teams sechseckige Abschrägungen in den Filter ein. „Das ist eine Innovation, die von einem der Highschool-Schüler kam, die das Wasser spiralförmig macht, wenn es durchläuft, und verhindert, dass das Pulver verklumpt“, sagt Bushway.
Als nächstes fügen die Schüler ein winziges Spektralfotometer mit einer Einwellenlängen-LED an der Unterseite der Filterkartusche hinzu, wo das Wasser ausgegeben wird. Ihr Plan ist eine Kontrollleuchte, die aufleuchtet, sobald der Detektor die gelbe Farbe des Bleijodids erkennt. Laut Bushway wird dies darauf hinweisen, dass sich Blei im Wasser befindet, noch bevor die Farbe mit dem menschlichen Auge erkennbar ist.
Das Ziel des Teams ist es, seine Filter für weniger als 1 US-Dollar pro Stück herzustellen und zu verkaufen, was Bushway glaubt, dass sie auf dem Weg dorthin sind. Da für die Gehäuse biologisch abbaubarer Kunststoff verwendet wird, könnten die Kosten etwas höher ausfallen, aber das Material würde dazu beitragen, die Umweltauswirkungen des Filters insgesamt zu verringern.
Der Entwicklungsprozess des Filters war laut Bushway sehr erfüllend. „Letztendlich hat diese Erfahrung den Schülern gezeigt, dass sie für jemanden etwas bewirken können, und dass es Probleme gibt, die sie mit Wissenschaft lösen können“, sagt sie.
ACS Frühjahr 2022, acs.digitellinc.com/acs/live/22/page/677