Ny filtreringsmetode lover sikrere drikkevand, forbedret industriproduktion

Et team af forskere ved Tufts University School of Engineering har udviklet en ny filtreringsteknologi. Inspireret af biologi, det kunne hjælpe med at dæmme op for en drikkevandsrelateret sygdom, der påvirker titusinder af mennesker verden over og potentielt forbedre miljøsanering, industriel og kemisk produktion, og minedrift, blandt andre processer.

Rapportering i Proceedings of the National Academy of Sciences , forskerne viste, at deres nye polymermembraner kan adskille fluorid fra chlorid og andre ioner – elektrisk ladede atomer – med dobbelt så høj selektivitet som andre metoder. De siger, at anvendelse af teknologien kan forhindre fluoridtoksicitet i vandforsyninger, hvor elementet forekommer naturligt ved niveauer, der er for høje til konsum.

Det er velkendt, at tilsætning af fluor til en vandforsyning kan reducere forekomsten af ​​huller i tænderne, inklusive hulrum. Mindre kendt er det faktum, at nogle grundvandsforsyninger har så høje naturlige niveauer af fluor, at de kan føre til alvorlige helbredsproblemer. Langvarig udsættelse for overskydende fluor kan forårsage fluorose, en tilstand, der faktisk kan svække tænderne, forkalker sener og ledbånd, og føre til knogledeformiteter. Verdenssundhedsorganisationen vurderer, at for høje fluoridkoncentrationer i drikkevand har forårsaget titusinder af tand- og skeletfluorosetilfælde verden over.

Evnen til at fjerne fluor med en relativt billig filtreringsmembran kunne beskytte samfund mod fluorose uden at kræve brug af højtryksfiltrering eller helt at skulle fjerne alle komponenter og derefter genmineralisere drikkevandet.

"Potentialet for ionselektive membraner til at reducere overskydende fluorid i drikkevandsforsyningen er meget opmuntrende, " sagde Ayse Asatekin, lektor i kemi- og biologisk teknik på Ingeniørhøjskolen. "Men teknologiens potentielle anvendelighed strækker sig ud over drikkevand til andre udfordringer. Metoden, vi brugte til at fremstille membranerne, er let at skalere op til industrielle anvendelser. Og fordi implementeringen som filter også kan være forholdsvis enkel, så er det let at opskalere membranerne. lave omkostninger og miljømæssigt bæredygtige, det kunne have brede anvendelser til at forbedre landbrugets vandforsyninger, oprydning af kemisk affald, og forbedring af kemisk produktion.

For eksempel, teoretisk set kunne processen forbedre udbyttet fra begrænsede geologiske reserver af lithium til bæredygtig produktion af lithiumbatterier eller uran, der er nødvendigt til atomkraftproduktion, sagde Asatekin.

Ved udviklingen af ​​designet af de syntetiske membraner, Asatekins team var inspireret af biologi. Cellemembraner er bemærkelsesværdigt selektive til at tillade passage af ioner ind og ud af cellen, og de kan endda regulere de indre og ydre koncentrationer af ioner og molekyler med stor præcision.

Biologiske ionkanaler skaber et mere selektivt miljø for passage af disse små ioner ved at beklæde kanalerne med funktionelle kemiske grupper, der har forskellige størrelser og ladninger og forskellig affinitet til vand. Interaktionen mellem de passerende ioner og disse grupper tvinges af nanometerdimensionerne af kanalporerne, og passagehastigheden påvirkes af styrken eller svagheden af ​​vekselvirkningerne.

Filtreringsmembranerne skabt af Asatekins team blev designet ved at belægge en zwitterionisk polymer - en polymer, hvori molekylære grupper indeholder tæt forbundne positive og negative ladninger på deres overflade - på en porøs understøtning, skabe membraner med kanaler smallere end en nanometer omgivet af både vandafvisende og plus- og minusladede kemiske grupper. Ligesom med de biologiske kanaler, den meget lille størrelse af porerne tvinger ionerne til at interagere med de ladede og vandafvisende grupper i porerne, lader nogle ioner passere meget hurtigere end andre. I den aktuelle undersøgelse, sammensætningen af ​​polymeren blev lavet for at målrette udvælgelsen af ​​fluor vs chlorid. Ved at ændre sammensætningen af ​​den zwitterioniske polymer, det skal være muligt at målrette udvælgelsen af ​​forskellige ioner, siger forskerne.

De fleste nuværende filtreringsmembraner adskiller molekyler ved betydelige forskelle i partikel- eller molekylstørrelse og ladning, men har svært ved at skelne enkelte atomioner fra hinanden på grund af deres lille størrelse, og når deres elektriske ladninger er næsten identiske.

Derimod Tufts-forskernes membraner er i stand til at adskille ioner, der kun adskiller sig med en brøkdel af deres atomare diameter, selv når deres elektriske ladninger er næsten identiske.

Zwitterco, en Cambridge-baseret virksomhed, som hjalp med at finansiere dette arbejde, vil udforske opskaleringen i fremstillingen af ​​de ionadskillende membraner for at teste deres anvendelse i industrielle omgivelser.