Ny membran til fremstilling af ferskvand

Forskere ved Sandia National Laboratories og deres samarbejdspartnere har udviklet en ny membran, hvis struktur var inspireret af et protein fra alger, til elektrodialyse, der kunne bruges til at levere ferskvand til landbrug og energiproduktion.

Holdet delte deres membrandesign i et papir offentliggjort for nylig i det videnskabelige tidsskrift Soft Matter .

Elektrodialyse bruger elektrisk strøm til at fjerne opløste salte fra vand. I øjeblikket bruges det til at opfange salt fra havvand for at producere bordsalt og fjerne salt fra brakvand for at lave ferskvand, men det kan også bruges til at fjerne salt fra spildevand for at give en ny kilde til ferskvand.

Forskerne fandt ud af, at tilsætningen af ​​en almindelig aminosyre, kaldet phenylalanin, til en elektrodialysemembran gjorde det muligt bedre at fange og fjerne positive ioner, såsom natrium.

"Tilsætning af phenylalanin til elektrodialysemembranen øgede selektiviteten for positive ioner med en betydelig mængde, til vores glade overraskelse, "Susan Rempe, den ledende bioingeniør på projektet, sagde.

At sikre tilstrækkelig forsyning af ferskvand er et nationalt sikkerhedsproblem, hun sagde. Ferskvand er afgørende for alt fra drikke og landbrug til at producere energi fra atom-, kul- og naturgasbaserede kraftværker.

Rent vand, med mindre strøm

I øjeblikket, en metode kaldet omvendt osmose bruges kommercielt til at fjerne salt fra havvand eller brakvand til fremstilling af ferskvand, men det har flere begrænsninger. En begrænsning er behovet for højt tryk for at skubbe ferskvand ud af en stadig mere salt løsning. Højtryksdrivkraften er dyr og fører til, at membranen let bliver tilstoppet eller tilsmudset af uopløst materiale i vandet, sagde Rempe.

Jo mere koncentreret den salte opløsning er, jo større er problemet. Som resultat, der er få muligheder for at rense salt spildevand. Som et eksempel, vand produceret ved hydraulisk frakturering til genvinding af naturgas, som kan være ti gange så salt som havvand, bliver generelt begravet under jorden i stedet for at blive returneret til miljøet, Sagde Rempe.

Natrium og chlorid er de to mest almindelige ioner i havvand, og bordsalt. Selvfølgelig, der findes en række andre positivt og negativt ladede ioner i havvand og spildevand, også.

Elektrodialyse er en potentielt bedre metode end omvendt osmose, fordi den bruger elektrisk strøm til at trække saltionerne ud, efterlader ferskvand. Dette kræver mindre energi og gør membranen mindre tilbøjelig til at blive tilstoppet, Sagde Rempe. Elektrodialyse kræver et par membraner for at producere ferskvand, en der fanger positivt ladede ioner, såsom natrium, og en der fanger negativt ladede ioner, såsom chlorid.

Leder efter biologi for inspiration

Rempe og hendes team søgte inspiration fra biologien i form af et specifikt protein, der transporterer ioner kaldet kanalrhodopsin. Channelrhodopsin kommer oprindeligt fra alger og bruges almindeligvis i optogenetik - en teknik, hvor biologer har målrettet kontrol med bestemte levende celler ved hjælp af lys.

Dette iontransportprotein tillader mange forskellige positivt ladede ioner gennem, inklusive natriumioner, kaliumioner, calciumioner og protoner, men ingen negativt ladede ioner. Denne form for selektivitet er vigtig for en elektrodialysemembran.

Rempe og tidligere postdoktor, Tchad præst, så, at der var meget af en bestemt slags aminosyre, kaldet phenylalanin-en af ​​de 20 byggesten, som proteiner er fremstillet af-langs proteinets iontransportvej.

"Vi har arbejdet på kanalrhodopsin-proteinet i et stykke tid, forsøger at forstå dets egenskaber, og hvordan det er selektivt for bestemte ioner, "Rempe sagde." Vi lagde mærke til flere phenylalanin-sidekæder langs sin iontransportvej, og vi spekulerede på "Hvad laver phenylalaniner derinde?" Vi tænker normalt på phenylalanin som et molekyle, der afviser vand og ioner i biologiske transportproteiner."

Rempe og Priests beregningsberegninger viste, at phenylsidekæden af ​​phenylalanin udgør en bestanddel af flere bindingssteder langs transportvejen af ​​channelrhodopsin -proteinet. Deres beregninger viste, at disse phenylalaninbindingssteder interagerede med natriumioner nok, så de positive ioner var stabile, men ikke så stabile, at de ville holde op med at bevæge sig gennem kanalen.

Lag for lag konstruktion

Rempe talte med Stephen Percival, Leo Small og Erik Spoerke, Sandia materialeforskere, om denne biologiske underlighed. Holdet mente, at inkorporering af det lille molekyle phenylalanin i en elektrodialysemembran kunne gøre det lettere at adskille positivt ladede ioner fra vand under elektrodialyse.

Processen med fremstilling af elektrodialysemembranen er lidt som gammeldags stearinlysfremstilling. Først, Percival dyppede en kommercielt tilgængelig porøs støttemembran i en positivt ladet opløsning, skyllet af membranen, og dyppede den derefter i en negativt ladet løsning. Fordi løsningerne har modsatrettede afgifter, de kan selv samle til en belægning på begge sider af membranen, sagde Percival, der begyndte at arbejde på projektet som postdoktor.

Det gjorde han med og uden phenylalanin for at teste, hvordan tilsætningen af ​​aminosyren påvirkede membranen.

Hver toopløsningscyklus tilføjede et meget tyndt lag membran, der kan fange positive ioner. Til dette projekt, Percival lavede primært membraner, der var fem eller 10 to-dip lag tykke. En femlags membranbelægning med eller uden phenylalanin var cirka 50 gange tyndere end et menneskehår. En 10-lags membran var 25 gange tyndere end et menneskehår. Tykkelsen af ​​elektrodialysefilm er vigtig, fordi tykkere film kræver mere elektricitet for at trække ioner igennem.

"Vi fandt ud af, at ved blot at tilføje phenylalanin til dipopløsningerne, vi var i stand til at inkorporere det i den færdige elektrodialysemembran, " sagde Percival. "Yderligere, vi var i stand til at øge membranens selektivitet for natriumioner frem for chloridioner, sammenlignet med standardmembranen uden phenylalanin. "

Specifikt, de fandt, at femlagsfilmen med phenylalanin havde en selektivitet svarende til den for 10-lagsfilmen uden phenylalanin, men uden den øgede modstand, der er forbundet med tykkere belægninger. Dette betyder, at phenylalaninfilmen effektivt kan rense vand, mens den bruger mindre elektricitet, dermed gøre det mere effektivt, Sagde Percival. Imidlertid, aminosyren blev bare blandet i opløsningen, så holdet ved ikke, om det interagerer med de positive natriumioner på nøjagtig samme måde som i det biologiske protein Rempe modelleret.

"Mellem projektets bioinspirerede natur, arbejde med eksperter på tværs af forskellige discipliner og vejlede bachelorpraktikanter, dette er en af ​​de papirer, jeg er mest stolt af, "sagde Percival." Papirets resultater var også meget vigtige. Vi var i stand til at demonstrere, at ionselektivitet kan øges uafhængigt af membranresistensen, hvilket er ret fordelagtigt."

Partnerskaber og veje frem

Sandia -teamet samarbejdede også med Shane Walker, en civilingeniør professor ved University of Texas i El Paso, for yderligere at teste membranen. Walker og hans team sammenlignede Sandias elektrodialysemembran med kommercielt tilgængelige membraner i et kompleks, elektrodialysesystem i laboratorieskala. De kiggede på en række parametre, herunder saltholdighedsreduktion, elforbrug og vandgennemtrængelighed.

"Vores UT El Paso-partnere analyserede vores membran i et rigtigt elektrodialysesystem, "Rempe sagde." De lagde membranprøver i deres laboratorieskala system, kørte en hel flok test og sammenlignede vores membran med kommercielle membraner. Vores membran klarede sig ret godt."

Walkers team fandt ud af, at Sandias bioinspirerede membran var konkurrencedygtig med kommercielle elektrodialysemembraner. Specifikt, Sandias membran var over gennemsnittet med hensyn til strømtæthed. Vandgennemtrængelighed, som er relateret til vandets bevægelse fra det saltindførte vand til ferskvandet, var højere end gennemsnittet. Sandias membran var lidt under gennemsnittet med hensyn til saltindholdsreduktion efter en times driftstid og forbrugte mere elektricitet end de fleste af de seks testede membranpar.

Disse resultater blev offentliggjort i et papir i det videnskabelige tidsskrift Membranes den 19. marts. forskerne konkluderede, at mens Sandias bioinspirerede membran var konkurrencedygtig med kommercielle membraner, der er stadig plads til forbedringer. Forhåbentlig, virksomheder kan lære af denne bioinspirerede membran for at forbedre effektiviteten af ​​deres elektrodialysemembraner.

I fremtiden, Rempe vil gerne designe en elektrodialysemembran, der kan adskille bestemte økonomisk værdifulde ioner, såsom sjældne jordarters metalioner. Sjældne jordartsmetaller bruges i bilkatalysatorer, kraftige magneter, genopladelige batterier og mobiltelefoner og er for det meste udvundet i Kina.

"Det naturlige næste trin i projektet er at bruge biologi, igen, som inspiration til at designe en membran, der specifikt vil flytte sjældne jordioner over en membran, " sagde Rempe. "Sjældne jordarters metaller er værdifulde, og manglen på indenlandsk forsyning er et nationalt sikkerhedsspørgsmål. Sammen, at tage sig af vores vandforsyning og genbruge vores værdifulde mineraler er vigtige for miljøsikkerhed og klimabegrænsning. "