人类肾脏:水危机的灵感和解决方案

水是所有企业都要使用的关键资源。即使你的业务不是直接用水密集型的，许多产品使用大量的水。电力、电脑、纸张和包装都有很大的水足迹。

无论是流入还是流出你的业务，水都是一个成本中心和风险的来源，而水资源压力正逐渐成为未来几年商业世界面临的一个大挑战。

考虑到潜在的商业机会，公司专注于建造更好的水过滤器也就不足为奇了。

Gayle Pergamit，创始人AguaVia”,用人体作为解决水危机的基础,“这样做是建筑技术,最初是由自然35亿年前:人类的肾脏,过滤器之间40到50加仑(150 - 200升)的水每天只有一小部分时丢失过滤。

AguaVia设计了一个过滤器，它模仿了大自然的过滤系统，能够100%消除污染物，而且不会产生粘稠物。它是用纳米技术制造出一层只有原子层厚的薄膜。

创新的过滤技术更小，更便宜，更容易操作。它可以用于净水，清除有毒废水和海水淡化。据估计，使用AguaVia过滤技术进行海水淡化所需的能源将减少三分之二，总成本将减少一半。

Pergamit在最近的一次会议上展示了她公司的颠覆性技术可持续的硅谷事件，然后与我会面，提供了更多细节。在我们深入研究Pergamit和她的团队如何开发这项新技术之前，让我们回顾一下问题的范围和当前过滤技术的状态。

水的问题:很多人都看不见

在发达国家，我们大多数人都不受水问题的困扰。在特别干燥的夏季，我们可能会被要求减少对花园的灌溉。我们可能会读到一则关于地下水污染的新闻报道。或者听说数以百万计的毒品被冲进马桶，导致药物和娱乐性毒品进入供水系统。

但在水资源管理的第一线，水利工程师们在满足对洁净水的需求方面遇到了困难。

众所周知，水与农业密不可分，消耗了美国近40%的淡水，但不为人所知的是，能源生产需要大量的水。根据最近的美国地质调查局在美国，大约40%的淡水被消耗用于生产能源。

将水输送到需要的地方也是一个能源消耗大户。在加州，该州近20%的电力用于运输水。考虑到运输用水的需要，加州也有大量的海水淡化工厂在更靠近需要水的地方提供水

但是生产淡水是一个昂贵的选择，因为它需要大量的能源。《自然》杂志报道了海水淡化价格高出3.5倍而不是从传统的水源，比如从地下蓄水层抽水。

由于开采地下蓄水层取水，季节性降雨无法补充，清洁水的供应正在下降。联合国的一项评估发现，超过三分之一的世界人口生活在水资源紧张的地区，预测这将会发生到2025年将超过50%。

花旗集团(Citigroup)的威伦•比特(Willen Buiter)在为《金融时报》撰写的一篇文章中写道:“水……最终将成为最重要的实物大宗商品……使石油、铜、农产品和贵金属相形见绌。”

一些企业已经面临重大挑战。百事可乐(PepsiCo)和可口可乐(Coca-Cola)在印度喀拉拉邦(Kerala)干旱地区遭遇了当地社区的敌意，原因是它们的灌装设备被指使用了过多的当地水。

在比较宽松的地区，清理废水正变得越来越重要。据路透社报道，中国环境保护部发现近50%的中国地表水污染很严重，不适合饮用。几乎有25%不适合工业使用。

这类问题可能还会增加;造成业务中断和成本上升。

传统的水过滤技术与自然的方法

标准的过滤方法是确定哪些必须删除，然后应用最经济有效的方法。这听起来很简单，但存在许多挑战，从污染物的大小差异很大、推动水通过纳米级过滤器所需的能源、维护成本和实施难度。

为了克服许多挑战，理想的水过滤器应提供以下性能改进:

Pergamit从不同的角度看待水的问题，并在肾脏功能方面找到了灵感。肾脏被认为是生物过滤器的“金标准”。正如Pergamit解释的那样，“肾脏保留了好东西——水和电解质——并排除所有其他东西。”

肾状过滤器处理水供应中不断变化的组件，无需额外的修复方法。这是对当前侧重于去除污染物的水资源管理战略的一种范式转变。Pergamit反而问:“你想要保留什么?”

Pergamit还注意到，肾脏并没有被反冲洗以清除废物。肾脏使用“交叉流”过滤。当饲料进入肾脏时，“坏的东西”向前被冲走，而“好东西”沿切线方向穿过肾脏表面并被保存下来。

Pergamit意识到直接复制肾脏太复杂了。相反，研究小组将采用肾脏的整体方法。Pergamit解释说:“该系统将设计为99.5%的水回收率。就像人类的肾脏一样。”

保留大部分的水可以降低过滤成本，但也可以简化过滤废物的处理。废物将被浓缩，剩下的少量水可能被蒸发掉。然后，任何污染物都可以安全地焚烧。

智能膜

Pergamit和他的团队再次从大自然中寻找一种更简单的结构来过滤水。他们能够利用的科学工作彼得阿格雷博士他的努力获得了诺贝尔奖。作为一名研究生，阿格雷得到了国家卫生研究所的资助，这使他偶然发现了人体的水通道蛋白，即“水孔”。

Agre识别的水通道蛋白不仅仅是一个例子。它是存在了数十亿年的动植物的基本组成部分。它被用来有效地使水分通过细胞。

Pergamit的团队并没有试图复制完整的水通道蛋白，而是将重点放在了执行选择和水通道功能的颈部。

下一步是将大自然的设计转化为一种可工作的膜。AguaVia团队创造了一种只有一层原子厚度、直径在水分子范围内的薄膜。这比传统的过滤孔小数千倍。Pergamit比较了这些薄膜的大小如下:“如果新的智能薄膜有蚂蚁那么大，那么现有的显微技术就有鲸鱼那么大。”

Pegamit描述说:“AguaVia的方法是建立在原子水平上，允许精确过滤。进入滤膜的数百万小孔中的每一个都是完全精确地单独建造的。然后单个气孔——把它们想象成‘乐高积木’——排成一列，并固定在合适的位置，形成薄膜。”

Pergamit和他们的团队在开发受水通道蛋白启发的膜时做得更好。他们让它变得“聪明”。It is programmable to handle different purification scenarios. The "smart membrane" may be modified at the atomic level to change its characteristics such that it creates an on/off switch to allow or prevent components through the filter as needed.

这种“智能膜”已经被设计用来生产高纯度的饮用水，甚至可以用有毒的废物。

在将来，它可以被编程用于水软化。随着时间的推移，硬水会沉淀矿物质。这些积聚在管道中会导致管道变窄，增加泵水所需的能量。在某些情况下，额外的能源比清洁的管道多25%。“智能膜”将被编程以保持适当的平衡和矿物质的数量，以满足健康的需要。其他一切，包括导致“硬水”问题的过量矿物质，都将被清除。

最后，解决了传统过滤器存在的生物膜问题。“智能膜”表面非常光滑，膜上的任何缺陷都比试图建立生物膜菌落的细菌钩要小。这种“智能膜”，用Pergamit的话来说，就是“过滤后就忘记”。

接下来是什么

AguaVia的“智能膜”能够以非常低的能耗和运行成本过滤污染物。它符合理想滤波器的设计标准。

Pergamit目前正积极寻求资金，以开发制造商用“智能膜”过滤器的设备。该领域的其他参与者也在积极研究新的水技术。

当这些设备上线时，它们将改变商业格局，也将改变数十亿无法获得清洁水和卫生设施的人们的生活。

取代昂贵的和恶劣的工业过程,大自然的温柔然而高效过滤方法可能实现一些可能改变战争的成功:它可以不断使用,废水处理使微咸水和盐容易使用,消除工业和人类需求之间的冲突,最后,让所有人享受一杯干净的水健康状况良好。

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