Più di una persona su 10 nel mondo non ha accesso di base all'acqua potabile, ed entro il 2025, metà della popolazione mondiale vivrà in aree con carenza idrica, ecco perché l'accesso all'acqua pulita è una delle grandi sfide della National Academy of Engineering. Gli ingegneri della Washington University di St. Louis hanno progettato una nuova tecnologia a membrana che purifica l'acqua prevenendo il biofouling, o accumulo di batteri e altri microrganismi dannosi che riducono il flusso dell'acqua.

E hanno usato i batteri per costruire tali membrane filtranti.

Srikanth Singamaneni, professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali, e Young-Shin Jun, professore di energia, ingegneria ambientale e chimica, e i loro team hanno unito le loro competenze per sviluppare una membrana di ultrafiltrazione utilizzando ossido di grafene e nanocellulosa batterica che hanno trovato altamente efficiente, duraturo e rispettoso dell'ambiente. Se la loro tecnica dovesse essere scalata fino a una grande dimensione, potrebbe avvantaggiare molti paesi in via di sviluppo dove l'acqua pulita è scarsa.

I risultati del loro lavoro sono stati pubblicati come storia di copertina nel numero del 2 gennaio di Scienze e tecnologie ambientali .

Il biofouling rappresenta quasi la metà di tutte le incrostazioni di membrana ed è molto difficile da sradicare completamente. Singamaneni e Jun affrontano insieme questa sfida da quasi cinque anni. In precedenza hanno sviluppato altre membrane usando nanostelle d'oro, ma voleva progettarne uno che utilizzasse materiali meno costosi.

La loro nuova membrana inizia alimentando i batteri Gluconacetobacter hansenii con una sostanza zuccherina in modo che formino nanofibre di cellulosa quando sono in acqua. Il team ha quindi incorporato fiocchi di ossido di grafene (GO) nella nanocellulosa batterica mentre cresceva, essenzialmente intrappolando GO nella membrana per renderlo stabile e durevole.

Dopo che GO è stato incorporato, la membrana viene trattata con una soluzione di base per uccidere il Gluconacetobacter. Durante questo processo, i gruppi ossigeno di GO vengono eliminati, rendendolo ridotto GO. Quando il team ha illuminato la membrana con la luce del sole, i fiocchi GO ridotti generano immediatamente calore, che viene dissipata nell'acqua circostante e nei batteri nanocellulosici.

Ironia della sorte, la membrana creata dai batteri può anche uccidere i batteri.

"Se vuoi purificare l'acqua con dei microrganismi, l'ossido di grafene ridotto nella membrana può assorbire la luce solare, riscaldare la membrana e uccidere i batteri, ", ha detto Singamaneni.

Singamaneni e Jun e il loro team hanno esposto la membrana ai batteri di E. coli, poi ha illuminato la superficie della membrana. Dopo essere stato irradiato con la luce per soli 3 minuti, il batterio E. coli è morto. Il team ha determinato che la membrana si è rapidamente riscaldata oltre i 70 gradi Celsius necessari per deteriorare le pareti cellulari dei batteri di E. coli.

Mentre i batteri vengono uccisi, i ricercatori disponevano di una membrana incontaminata con fibre di nanocellulosa di alta qualità in grado di filtrare l'acqua due volte più velocemente rispetto alle membrane di ultrafiltrazione disponibili in commercio a un'elevata pressione di esercizio.

Quando hanno fatto lo stesso esperimento su una membrana realizzata con nanocellulosa batterica senza il GO ridotto, i batteri di E. coli sono rimasti in vita.

"È come la stampa 3D con i microrganismi, " Jun ha detto. "Possiamo aggiungere quello che ci piace ai batteri nanocellulosa durante la sua crescita. Lo abbiamo osservato in diverse condizioni di pH simili a quelle che incontriamo nell'ambiente, e queste membrane sono molto più stabili rispetto alle membrane preparate mediante filtrazione sotto vuoto o rivestimento di spin di ossido di grafene".

Sebbene Singamaneni e Jun riconoscano che l'implementazione di questo processo nei sistemi di osmosi inversa convenzionali è onerosa, propongono un sistema di moduli a spirale, simile a un rotolo di asciugamani. Potrebbe essere dotato di LED o un tipo di nanogeneratore che sfrutta l'energia meccanica dal flusso del fluido per produrre luce e calore, che ridurrebbe il costo complessivo.