Wen-Chi Lin zeigt ihr elektronisches Blei-Sensor-Design. Es könnte Städte und Hausbesitzer in die Lage versetzen, Rohre zu lokalisieren, die Wasser mit Blei verunreinigen. (Bildnachweis: Evan Dougherty / Michigan Engineering Communications & Marketing / U. Michigan)
Ein neuer elektronischer Sensor kann die Wasserqualität in Häusern oder Städten überwachen und Bewohner oder Beamte innerhalb von neun Tagen über die Anwesenheit von Blei im Wasser informieren - alles für rund $ 20.
Die Flint-Wasserkrise hat der Nation gezeigt, dass alte Wassersysteme, die jahrzehntelang stabil waren, plötzlich Tausende von Menschen einem Neurotoxin aussetzen, wenn eine Veränderung der Wasserqualität Bleirohre beschädigt.
Bei Standard-Wasserprobenversuchen müssen die Benutzer ihr Wasser mehrere Minuten lang laufen lassen, ohne dass Blei aus den hauseigenen Leitungen ins Wasser gelangt.
Mark Burns, Professor für chemische Verfahrenstechnik an der Universität von Michigan, und seine Kollegen wollten einen preiswerten Sensor entwickeln, der an wichtigen Punkten in städtischen Wassersystemen und an Wasserhähnen in Wohngebäuden angebracht werden kann.
"Ich hoffe, es wird Auswirkungen haben, weil es beängstigend ist, daran zu denken, Blei in deinem Wasser zu haben", sagt Burns.
Der Trick besteht darin, Blei von allen anderen Metallen zu trennen, die im Wasser vorhanden sein können, die meisten von ihnen sind nur in sehr hohen Dosen gefährlich.
"Da Eisen das häufigste Metall in Wasser ist und im Grunde harmlos ist (abgesehen von einem schlechten Geruch), sehen wir es als störend für unseren Sensor", sagt Wen-Chi Lin, ein frisch promovierter Chemiker.
Also entwarf sie einen Sensor, der zwischen Blei und anderen Metallen wie Eisen unterscheiden konnte. Es beruht auf zwei Elektrodenpaaren. Die positive Elektrode und ihr neutraler Nachbar bilden eine elektronenarme Umgebung, während die negative Elektrode und ihr neutraler Nachbar eine elektronenreiche Umgebung erzeugen.
Die negative Elektrode bietet Elektronen positive Ionen und fängt die meisten Metalle ein. Die Metalle sind bereits in Wasser oxidiert, was bedeutet, dass sie einen Teil ihrer Elektronen abgegeben haben. Daher bevorzugen sie eine Möglichkeit, Elektronen zurückzugewinnen.
Blei wird jedoch von der positiven Seite der Elektrodengruppe angezogen - es ist das einzige kontaminierende Metall, das leicht mehr Elektronen verliert und weiter oxidiert.
Lin hat die Sensoren in einer Vielzahl von Umgebungen getestet: simuliertes Leitungswasser und Wasser aus einem tatsächlichen, mit Metallen gespickten Wasserhahn oder nicht. Wenn sich Blei auf der positiven Elektrode aufbaut, erreicht sie schließlich die neutrale Elektrode, schließt die Schaltung und erzeugt eine Spannung. Über einem Ein-Volt-Signal registriert das System einen Treffer.
Es ist eine ähnliche Geschichte auf der negativen Elektrode, die hohe Konzentrationen von Eisen, Zink und Kupfer aufnimmt, die auch gesundheitliche Bedenken auslösen können. Der Sensor kann zwischen einem Bleiproblem und einem Problem mit einem dieser anderen Metalle unterscheiden.
"Es könnte eine App geben, die alle Taps überwacht, und sie könnte Ihnen einfach eine E-Mail-Nachricht senden, wenn sie ein Ereignis entdeckt hat", sagt Burns.
Lin war sich besonders der Falschpositiven bewusst - eine Erkennung bedeutet, dass die Elektrode für immer außer Betrieb ist (aber nicht der ganze Sensor), und sie könnte eine unnötige Angst für eine Familie oder einen Beamten verursachen.
Das eine Potential für einen falschen Bleialarm ist, wenn die Kupferkonzentration zu hoch ist. Kupfer ist so gut darin, zusätzliche Elektronen zu ergreifen, dass es sich auf der neutralen Elektrode neben der positiven Elektrode aufbauen kann. Aber Kupfer erzeugt nur bei hohen Konzentrationen eine Spannung und nähert sich damit dem Grenzwert für 1,300 parts per billion der Umweltschutzbehörde.
Lead hingegen zeigt sich nach einer Woche bei 15 parts per billion - seinem EPA-Aktionslimit. Es wird nicht angenommen, dass dieses Ausmaß der Exposition die Blutspiegel bei Erwachsenen erhöht, so das Center for Disease Control. Eine größere Konzentration von Blei, 150-Teile pro Milliarde, wurde nach nur ein oder zwei Tagen aufgenommen, abhängig von der Wasserchemie.
Lin glaubt, dass mit der Optimierung die positive Elektrode besser Blei anziehen könnte, aber nicht Kupfer.
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Die Studie erscheint in Analytische Chemie.
Die Universität von Michigan finanzierte die Arbeit durch das Barbour-Stipendium, das Rackham Predoctoral Fellowship und die TC Chang Stiftungsprofessur.
Quelle: University of Michigan
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