アメリカの高校生が3Dプリント技術を使って低コストで水から鉛を除去するフィルターを製作

2022年5月23日、アンタークティック・ベアは、ワシントン州の理科教師レベッカ・ブッシュウェイ氏とその生徒たちが3Dプリント技術を使用して、蛇口に固定して有毒金属を除去できる低コストの鉛フィルターを設計したことを知りました。

△学生たちは3Dプリントと高校の化学の知識を活用して、経済的で環境に優しい水から鉛を除去するフィルターのプロトタイプを作成しました。画像はphysより
流行病のため、学校はオンラインでのみ授業を提供することができます。学生たちは余暇に、3Dプリント技術と高校で学んだ化学の知識を活用し、生分解性プラスチックでできた高さ3インチ（7.5センチ）の鉛フィルターのプロトタイプを作成し、1個1ドルで市場に出すことを望んでいる。

ブッシュウェイ氏は、アメリカ化学会の権威ある春季会議（4回）で試作品を発表するなど、このフィルターを何度も宣伝しており、査読付き学術誌に関連研究論文を発表する予定だ。

研究開発の背景<br /> アメリカでは、1,000万もの家庭が今でも鉛管から水を供給されており、これは特に幼児にとって有害である。体自身の防御を逃れるこの金属は、特に効果的に管理されていない貧困地域では、認知能力の永久的な喪失を引き起こし、多くの心理的問題につながる可能性がある。

チームメンバーのニア・フレデリック氏は、2014年にミシガン州フリントで特に深刻な水質汚染問題が発生したと説明した。しかし、鉛中毒は広く蔓延しており、アフリカ系アメリカ人やその他の少数民族に不釣り合いなほど大きな影響を与えている。

△ブッシュウェイさんは、クラスメートのエリン・オスターマンさん（18歳）の協力を得て、鉛製の浄水器の使い方を実演した。画像はphysより
「これは私たちが支援できることだと思っています」と彼女は語った。鉛中毒については何十年も前から知られていましたが、人々がそれを真剣に受け止めるようになったのはここ数十年のことです。

バイデン政権は、今後数年間で国内の鉛管をすべて撤去するための資金としてインフラ法に数十億ドルを投入することを約束しているが、それが実現する前に、人々は今すぐ解決策を必要としている。

△ブッシュウェイさんと高校生の生徒たち。画像はphysより
巧妙なデザイン
ブッシュウェイの最初のアイデアは化学反応を利用するというものだった。溶解した鉛をリン酸カルシウムの粉末にさらすと固体のリン酸鉛が生成され、無害な遊離カルシウムとともにフィルター内に残るというものだ。同時に、フィルターは巧妙な設計になっています。リン酸カルシウムの下には、ヨウ化カリウムと呼ばれる化学物質の貯蔵庫があります。

彼らは、リン酸カルシウムがなくなると、溶解した鉛がヨウ化カリウムと反応して水が黄色に変わるように設計する予定だ。これがフィルターを交換する時期が来たという合図になる。そこで、学生のワトン・マウンさんは、3D プリントソフトウェアを使用してこのソリューションを満たす多くのモデルを設計するのに数か月を費やしました。

最初は、リン酸カルシウムがフィルター内で凝集し、反応が遅くなります。しかし、マウン氏は、六角形のベベルフック設計を取り入れることで、水の流れを確保し、固まるのを防ぐことができることを発見しました。 3D プリントされた設計により、最終的に、蛇口から水が流れる通常の速度である毎分 2 ガロン (9 リットル) の流量が実現されました。

次に、バリーのチームは、小さな LED を追加して、人間の目にまだ見えないうちに水の黄ばみを機器が検出し、警告を発できるようにしたいと考えています。

△アメリカの1,000万世帯が今でも鉛管を通じて水道水を供給されており、幼少期の鉛への曝露は特に有害である。画像はphysより
今後の展開<br /> 化学エンジニアのポール・フレイル氏は、一般的な化学の概念と3Dプリンティングを組み合わせて斬新な製品を設計した同グループの仕事は「大いに称賛に値する」と語った。

ブッシュウェイは、自社が開発したフィルターには幅広い市場性があると考えている。同等の逆浸透システムは数百ドルから数千ドルの費用がかかり、約20ドルのカーボンブロックフィルターは数か月ごとに交換する必要があり、彼女のグループのフィルターよりも頻繁に交換する必要がある。

「私はこれらの学生たちを非常に誇りに思っています」とブッシュウェイ氏は述べ、グループはパートナーと協力してデザインを完成させ、より大規模なものを作りたいと考えていると付け加えた。

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