นักเรียนมัธยมปลายและครูกลุ่มหนึ่งค้นพบวิธีแก้ปัญหาการปนเปื้อนสารตะกั่วในน้ำดื่ม ตัวกรองเหล่านี้ประกอบด้วยตลับที่ทำจากพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ และเมื่อใดหมดอายุแล้วมันจะเปลี่ยนน้ำประปาให้เป็นสีเหลือง
“ไม่กี่ปีที่ผ่านมา ฉันเห็นวิดีโอของผู้หญิงคนหนึ่งในรัฐมิชิแกนเปิดน้ำประปา และกลายเป็นสีน้ำตาล นั่นทำให้ฉันคิดว่า จะดีกว่าไหมถ้ามีตัวกรองน้ำที่สามารถบอกคุณได้ว่าน้ำของคุณปนเปื้อน ก่อนที่มันจะเปลี่ยนเป็นสีน้ำตาลเพราะตะกั่ว” รีเบคก้า บุชเวย์ ซึ่งเป็นผู้ตรวจสอบหลักของโครงการกล่าว
แม้ว่าท่อประปาบางส่วนในสหรัฐอเมริกาจะได้รับการแก้ไขแล้ว แต่บ้านหลายล้านหลัง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในชุมชนที่มีรายได้น้อย ยังคงได้รับน้ำดื่มผ่านท่อที่มีสารตะกั่ว หากเคมีของน้ำไม่เหมาะ หรือไหลเร็วเนื่องจากมีความต้องการสูง ท่อก็อาจกัดกร่อนได้ เมื่อวัสดุที่กัดกร่อนมีตะกั่ว โลหะที่เป็นพิษจะละลายหรือปนเปื้อนไปในน้ำและเปลี่ยนสีเป็นสีเข้ม รวมทั้งบางครั้งอาจมีอนุภาคที่มองเห็นได้
จนกว่าท่อเก่าจะเปลี่ยนเป็นท่อไร้สารตะกั่ว ตัวกรองสามารถช่วยขจัดหรือลดมลพิษนี้ออกจากน้ำประปาได้ แม้ว่าจะมีระบบการกรองตะกั่วหลายแบบ แต่ราคาที่สูงและขนาดใหญ่ก็อาจเป็นอุปสรรคได้ นอกจากนี้ มีเพียงไม่กี่ผลิตภัณฑ์แบบนี้ที่มีตัวบ่งชี้ว่าควรเปลี่ยนเมื่อไร และไม่มีอันไหนบ่งชี้ว่าน้ำอาจก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อสุขภาพในทันที
รีเบคก้า บุชเวย์ เป็นครูสอนวิทยาศาสตร์ที่ Barrie Middle and Upper School ตั้งข้อสงสัยของเธอในชั้นเรียนวิชาเคมีระดับมัธยมศึกษาตอนปลายว่า มันพอจะมีตัวกรองขนาดเล็กหรือไม่ แบบที่คล้ายกับตัวกรองที่ใช้สำหรับการตั้งแคมป์เพื่อทำน้ำให้บริสุทธิ์ ซึ่งสามารถประกอบได้ในราคาไม่แพง เพื่อเอาตะกั่วออกได้ง่ายขึ้น
นักศึกษารู้สึกตื่นเต้นกับแนวคิดนี้ และเริ่มคิดเกี่ยวกับโครงการในปี 2020 เมื่อเกิดโควิด-19 ที่ไม่สามารถไปโรงเรียนได้ ขณะอยู่ที่บ้าน ทีมงานได้พบปะและพูดคุยถึงการออกแบบสิ่งที่แนบมาเพื่อติดตั้งตัวกรองเข้ากับก๊อกน้ำของอ่างล้างจาน
จากนั้นในภาคเรียนฤดูใบไม้ผลิปี 2021 เมื่อพวกนักเรียนและครูกลับมาที่ห้องเรียน พวกเขาพิมพ์ 3 มิติตัวกรองนี้และติดตั้งตัวกรองสูง 3 นิ้ว โดยใช้พลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ขั้นตอนสุดท้ายของพวกเขาคือการเติมตลับของตัวกรองด้วยส่วนผสมของแคลเซียมฟอสเฟตและผงโพแทสเซียมไอโอไดด์
“ก่อนอื่นแคลเซียมฟอสเฟตจะจับกับตะกั่วที่ละลายในน้ำเพื่อสร้างฟอสเฟตตะกั่วและแคลเซียมอิสระ แคลเซียมซึ่งไม่มีอันตรายจะผสมในน้ำ และตะกั่วฟอสเฟตจะคงอยู่ในตัวกรอง” บุชเวย์อธิบาย ตะกั่วฟอสเฟตซึ่งเป็นของแข็งเฉื่อย ติดอยู่ภายในตัวกรองด้วยตะแกรงไนลอนที่ด้านล่างของตัวเครื่อง เมื่อความสามารถในการทำปฏิกิริยาของแคลเซียมฟอสเฟตเกิดขึ้น ตะกั่วที่ละลายจะทำปฏิกิริยากับโพแทสเซียมไอโอไดด์ จะทำให้น้ำเป็นสีเหลือง ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้ว่ามีตะกั่วอยู่
แม้ว่าปฏิกิริยาทางเคมีของกลไกนี้จะไม่ซับซ้อน แต่การสร้างระบบกรองน้ำแบบที่ตั้งใจไว้นั้นซับซ้อนกว่า ตัวอย่างเช่น แคลเซียมฟอสเฟตมีแนวโน้มที่จะจับตัวเป็นก้อน ทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาระหว่างแคลเซียมฟอสเฟตลดลงและจะลดลงเมื่อพื้นที่ผิวลดลง ดังนั้น หัวหน้าทีมวิศวกรของนักเรียนจึงติดตั้งมุมเอียงหกเหลี่ยมไว้ในตัวกรอง ที่จะทำให้น้ำเป็นเกลียวในขณะที่ไหลผ่าน และป้องกันไม่ให้แป้งจับตัวเป็นก้อน
ต่อไป นักเรียนจะเพิ่มสเปกโตรโฟโตมิเตอร์ขนาดเล็กที่มี LED ความยาวคลื่นเดียวที่ด้านล่างของตลับกรองเพื่อจ่ายน้ำ โดยไฟแสดงสถานะจะเปิดขึ้นทันทีที่เครื่องตรวจจับระบุสีเหลืองของไอโอไดด์ตะกั่ว มันจะช่วยบ่งบอกว่ามีสารตะกั่วอยู่ในน้ำ แม้กระทั่งก่อนที่ตามนุษย์จะตรวจจับสีได้
เป้าหมายของทีมคือการผลิตและขายตัวกรองด้วยราคาไม่ถึง 1 ดอลลาร์ต่ออัน ซึ่งบุชเวย์คิดว่า พวกเขากำลังดำเนินการไปถึงเป้าหมายได้ เนื่องจากตัวอุปกรณ์ใช้พลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ค่าใช้จ่ายอาจมีแนวโน้มสูงขึ้นเล็กน้อย แต่วัสดุจะช่วยลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมโดยรวมของตัวกรองได้
ข้อมูลจาก
“High schoolers develop an inexpensive filter to remove lead from tap water”. (NEWS RELEASE 23-MAR-2022). AMERICAN CHEMICAL SOCIETY.