Un team di scienziati della Tufts University School of Engineering ha sviluppato una nuova tecnologia di filtraggio. Ispirato dalla biologia, potrebbe aiutare a frenare una malattia correlata all'acqua potabile che colpisce decine di milioni di persone in tutto il mondo e potenzialmente migliorare il risanamento ambientale, produzione industriale e chimica, e minerario, tra gli altri processi.

Segnalazione in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , i ricercatori hanno dimostrato che le loro nuove membrane polimeriche possono separare il fluoruro dal cloruro e da altri ioni, atomi caricati elettricamente, con il doppio della selettività riportata da altri metodi. Dicono che l'applicazione della tecnologia potrebbe prevenire la tossicità del fluoro nelle riserve idriche dove l'elemento si trova naturalmente a livelli troppo alti per il consumo umano.

È risaputo che l'aggiunta di fluoro a una rete idrica può ridurre l'incidenza della carie, comprese le cavità. Meno noto è il fatto che alcune acque sotterranee hanno livelli naturali di fluoruro così elevati da poter portare a gravi problemi di salute. L'esposizione prolungata a un eccesso di fluoro può causare fluorosi, una condizione che può effettivamente indebolire i denti, calcificare tendini e legamenti, e portare a deformità ossee. L'Organizzazione Mondiale della Sanità stima che concentrazioni eccessive di fluoro nell'acqua potabile abbiano causato decine di milioni di casi di fluorosi dentale e scheletrica in tutto il mondo.

La capacità di rimuovere il fluoro con una membrana filtrante relativamente economica potrebbe proteggere le comunità dalla fluorosi senza richiedere l'uso della filtrazione ad alta pressione o dover rimuovere completamente tutti i componenti e quindi rimineralizzare l'acqua potabile.

"Il potenziale delle membrane iono-selettive per ridurre l'eccesso di fluoro nelle forniture di acqua potabile è molto incoraggiante, " disse Ayse Asatekin, professore associato di ingegneria chimica e biologica presso la Facoltà di Ingegneria. "Ma la potenziale utilità della tecnologia si estende oltre l'acqua potabile ad altre sfide. Il metodo che abbiamo usato per produrre le membrane è facile da scalare per applicazioni industriali. E poiché l'implementazione come filtro può anche essere relativamente semplice, a basso costo e sostenibile dal punto di vista ambientale, potrebbe avere ampie applicazioni per migliorare l'approvvigionamento idrico agricolo, pulizia dei rifiuti chimici, e migliorare la produzione chimica.

Per esempio, in teoria il processo potrebbe migliorare i rendimenti delle limitate riserve geologiche di litio per la produzione sostenibile di batterie al litio o di uranio necessario per la produzione di energia nucleare, disse Asatekin.

Nello sviluppo del design delle membrane sintetiche, La squadra di Asatekin è stata ispirata dalla biologia. Le membrane cellulari sono notevolmente selettive nel consentire il passaggio di ioni dentro e fuori la cellula, e possono anche regolare con grande precisione le concentrazioni interne ed esterne di ioni e molecole.

I canali ionici biologici creano un ambiente più selettivo per il passaggio di questi piccoli ioni rivestendo i canali con gruppi chimici funzionali che hanno dimensioni e cariche diverse e affinità diverse per l'acqua. L'interazione tra gli ioni di passaggio e questi gruppi è forzata dalle dimensioni nanometriche dei pori del canale, e la velocità di passaggio è influenzata dalla forza o dalla debolezza delle interazioni.

Le membrane di filtrazione create dal team di Asatekin sono state progettate rivestendo un polimero zwitterionico, un polimero in cui gruppi molecolari contengono cariche positive e negative strettamente legate sulla loro superficie, su un supporto poroso, creando membrane con canali più stretti di un nanometro circondati sia da gruppi chimici che respingono l'acqua che da gruppi chimici con carica positiva e negativa. Come per i canali biologici, la dimensione molto piccola dei pori costringe gli ioni ad interagire con i gruppi carichi e idrorepellenti nei pori, permettendo ad alcuni ioni di passare molto più velocemente di altri. Nello studio attuale, la composizione del polimero è stata realizzata per mirare alla selezione di fluoruro vs cloruro. Alterando la composizione del polimero zwitterionico, dovrebbe essere possibile indirizzare la selezione di diversi ioni, dicono i ricercatori.

La maggior parte delle attuali membrane filtranti separa le molecole per differenze significative nelle dimensioni e nella carica delle particelle o molecolari, ma hanno difficoltà a distinguere gli ioni dei singoli atomi l'uno dall'altro a causa delle loro piccole dimensioni e quando le loro cariche elettriche sono quasi identiche.

Al contrario, le membrane dei ricercatori di Tufts sono in grado di separare ioni che differiscono solo per una frazione del loro diametro atomico anche quando le loro cariche elettriche sono quasi identiche.

Zwitterco, una società con sede a Cambridge che ha contribuito a finanziare questo lavoro, esplorerà la scalabilità nella produzione delle membrane separatrici di ioni per testare la loro applicazione in ambienti industriali.