人类肾脏:水危机的启示与解决之道

水是所有企业使用的重要资源。即使你的企业不是直接用水密集的企业，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运营，水都是一个成本中心和风险来源，水资源压力正在成为未来几年商业世界面临的最大挑战之一。

考虑到潜在的商业机会的规模，公司专注于制造更好的水过滤器就不足为奇了。

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创造了一种模仿自然过滤系统的过滤器，100%消除污染物，没有粘稠物堆积。它是用纳米技术制造一层原子层厚的膜。

这种创新的过滤技术更小，更便宜，更容易操作。它可以用来净化水，清除有毒废水和淡化海水。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硅谷活动，并与我会面，提供更多细节。在我们深入研究Pergamit和她的团队如何开发这种新技术之前，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:许多人看不见

在发达国家，我们大多数人都没有水的问题。在特别干燥的夏天，我们可能会被要求减少花园的灌溉。我们可能会读到一篇关于地下水污染的新闻报道。或者听说药品和娱乐性药物进入了水源，数百万的药物被冲下了厕所。

但是在水管理的前线，水工程师们很难满足对清洁水的需求。

正如我们所知，水与农业密不可分，消耗了美国近40%的淡水。但鲜为人知的是，能源生产需要大量的水。根据美国地质调查局的最新数据在美国，几乎40%的淡水都是淡水用于生产能源．

将水运送到需要水的地方也是一个能源消耗大户。在加州，近20%的电力都用在了水运上。考虑到运输水的需要，加州也有大量的海水淡化厂在需要的地方就近提供水源。

但是，由于需要大量的能源，制造淡水是一个昂贵的选择。《自然》杂志报道了海水淡化成本高出3.5倍而不是从传统的水源，比如从含水层抽水。

由于地下蓄水层的开发和季节性降雨无法补充，洁净水的供应正在减少。联合国的一项评估发现，世界上超过三分之一的人口生活在水资源紧张的地区，预计这一情况将会发生到2025年增长到50%以上．

花旗集团的Willen Buiter在《金融时报》的一篇文章中写道:“水……最终将成为最重要的实物商品……令石油、铜、农产品和贵金属相形见绌。”

一些企业已经在经历重大挑战。百事可乐和可口可乐在印度喀拉拉邦干旱地区遭遇了当地社区的敌意，因为他们的灌装设施被指责使用了太多当地的水。

在比较宽松的地区，废水的清理变得越来越重要。据路透社报道，中国环境保护部发现中国近50%的地表水被污染得如此严重以至于不适合饮用。几乎25%不适合用于工业用途。

这类问题很可能会增多;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内容必须删除，然后采用最具成本效益的方法。这听起来很简单，但存在许多挑战，从污染物的大小不同，推动水通过纳米级过滤器所需的能量，维护成本，以及实施难度。

为了克服许多挑战，一个理想的水过滤器将提供以下性能改进:

Pergamit以不同的方式看待水的问题，并从肾脏的功能中找到了灵感。肾脏被认为是生物过滤器的“黄金标准”。Pergamit解释说:“肾脏保留了好东西——水和电解质——并清除了其他所有东西。”

类似肾脏的过滤器处理供水中不断变化的组件，而无需额外的补救方法。这是对当前以清除污染物为重点的水资源管理战略的范式转变。Pergamit会问:“你想保留什么?”

Pergamit还注意到肾脏没有反冲洗以清除废物。肾脏采用“交叉流”过滤。当饲料进入肾脏时，“坏的东西”向前被冲走，而“好的东西”则沿切线穿过肾脏表面并被保留下来。

Pergamit意识到直接复制肾脏太过复杂。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。”

保留大部分水可以降低过滤成本，但也可以简化过滤废物的处理。废料会被浓缩到只剩少量的水可能被蒸发掉。任何污染物都可以被安全地焚化。

智能膜

Pergamit和他的团队再次向大自然寻求一种更简单的结构来过滤水。他们能够使用的科学成果彼得阿格雷博士他的努力获得了诺贝尔奖。在攻读研究生时，阿格尔得到了美国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，或称“水孔”。

Agre发现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物和植物的基本组成部分。它被用来有效地在细胞中输送水。

Pergamit的团队并没有尝试复制完整的水通道蛋白，而是专注于执行选择和水通道功能的颈部。

下一步是将自然的设计转化为工作膜。AguaVia团队创造了一种膜，其厚度为一层原子层，直径在水分子的范围内。这比传统过滤器的孔小几千倍。Pergamit对其大小进行了如下比较:“如果新的智能薄膜有蚂蚁那么大，那么现有的微观技术就有鲸鱼那么大。”

Pegamit描述说:“AguaVia的方法是在原子水平上构建，这允许精确过滤。将进入膜[过滤器]的数以百万计的小孔中的每一个都是完全精确地单独构造的。然后，单个毛孔——就像‘乐高积木’——对齐并固定在合适的位置，形成薄膜。”

Pergamit和他的团队在开发水通道蛋白薄膜时做得更好。他们让它变得“聪明”。它可编程处理不同的净化场景。“智能膜”可以在原子水平上进行修改，以改变其特性，从而创建一个开/关开关，根据需要允许或阻止组件通过过滤器。

这种“智能膜”已经被编程用于生产高纯度的饮用水，甚至可以从有毒废物中提取。

在未来，它可以被编程用于水的软化。硬水随着时间的推移会沉积矿物质。管道内的积聚会导致管道变窄，增加抽水所需的能量。在某些情况下，与清洁管道相比，额外的能量要多25%。"智能薄膜"将被编程以保持健康所需的适当的矿物质平衡和数量。其他所有物质，包括导致“硬水”问题的过量矿物质，都将被去除。

最后，解决了传统过滤器存在的生物膜问题。这种“智能膜”的表面是如此光滑，以至于膜上的任何缺陷都比试图建立生物膜菌落的细菌的钩要小。用Pergamit的话来说，没有污垢和反冲洗的“智能膜”就是“过滤后忘记”。

接下来是什么

AguaVia的“智能膜”能够以极低的能源和运行成本过滤污染物。它符合理想滤波器的设计标准。

Pergamit目前正在积极寻求资金，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。

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

大自然温和而高效的过滤方法取代了昂贵而苛刻的工业过程，可能会取得一些潜在的改变游戏规则的成功:对废水进行处理，使其可以无穷无尽地使用，使含咸水和咸水易于使用，消除工业和人类需求之间的冲突，最后，让我们所有人都能健康地饮用干净的水。

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