Gli scienziati dei Sandia National Laboratories e i loro collaboratori hanno sviluppato una nuova membrana, la cui struttura è stata ispirata da una proteina delle alghe, per elettrodialisi che potrebbe essere utilizzata per fornire acqua dolce per l'agricoltura e la produzione di energia.

Il team ha condiviso il design della membrana in un articolo pubblicato di recente sulla rivista scientifica Materia morbida .

L'elettrodialisi utilizza l'energia elettrica per rimuovere i sali disciolti dall'acqua. Attualmente viene utilizzato per catturare il sale dall'acqua di mare per produrre sale da tavola e rimuovere il sale dall'acqua salmastra per produrre acqua dolce, ma potrebbe anche essere usato per rimuovere il sale dalle acque reflue per fornire una nuova fonte di acqua dolce.

I ricercatori hanno scoperto che l'aggiunta di un comune amminoacido, chiamata fenilalanina, a una membrana per elettrodialisi gli ha permesso di catturare e rimuovere meglio gli ioni positivi, come il sodio.

"L'aggiunta di fenilalanina alla membrana dell'elettrodialisi ha aumentato la selettività per gli ioni positivi di una quantità significativa, con nostra piacevole sorpresa, " Susanna Rempè, il bioingegnere capo del progetto, disse.

Garantire un'adeguata fornitura di acqua dolce è un problema di sicurezza nazionale, lei disse. L'acqua dolce è essenziale per tutto, dal bere e l'agricoltura alla produzione di energia dal nucleare, centrali elettriche a carbone e gas naturale.

Acqua pulita, con meno elettricità

Attualmente, un metodo chiamato osmosi inversa viene utilizzato commercialmente per rimuovere il sale dall'acqua di mare o dall'acqua salmastra per produrre acqua dolce, ma ha diversi limiti. Una limitazione è la necessità di alta pressione per spingere l'acqua dolce fuori da una soluzione sempre più salata. La forza motrice ad alta pressione è costosa e porta facilmente a intasare o sporcare la membrana da materiale non disciolto nell'acqua, ha detto Rempé.

Più concentrata è la soluzione salina, più grande è il problema. Di conseguenza, ci sono poche opzioni per ripulire le acque reflue salate. Come esempio, acqua prodotta dalla fratturazione idraulica per il recupero del gas naturale, che può essere dieci volte più salato dell'acqua di mare, generalmente viene sepolto sottoterra invece di essere restituito all'ambiente, ha detto Rempé.

Sodio e cloruro sono i due ioni più comuni nell'acqua di mare, e sale da cucina. Certo, ci sono una varietà di altri ioni caricati positivamente e negativamente nell'acqua di mare e nelle acque reflue, pure.

L'elettrodialisi è un metodo potenzialmente migliore dell'osmosi inversa perché utilizza la corrente elettrica per estrarre gli ioni di sale, lasciando dietro di sé acqua fresca. Ciò richiede meno energia e rende meno probabile che la membrana si ostruisca, ha detto Rempé. L'elettrodialisi ha bisogno di un paio di membrane per produrre acqua dolce, uno che cattura ioni carichi positivamente, come il sodio, e uno che cattura ioni caricati negativamente, come il cloruro.

Guardando alla biologia per l'ispirazione

Rempe e il suo team hanno cercato ispirazione dalla biologia sotto forma di una proteina specifica che trasporta ioni chiamata channelrhodopsin. La channelrhodopsin proviene originariamente dalle alghe ed è comunemente usata nell'optogenetica, una tecnica in cui i biologi hanno il controllo mirato di specifiche cellule viventi usando la luce.

Questa proteina di trasporto ionico consente a molti ioni caricati positivamente diversi, compresi gli ioni sodio, ioni potassio, ioni calcio e protoni, ma senza ioni carichi negativamente. Questo tipo di selettività è importante per una membrana per elettrodialisi.

Rempe ed ex ricercatore post-dottorato, Sacerdote del Ciad, visto che c'era un sacco di un certo tipo di amminoacido, chiamata fenilalanina, uno dei 20 elementi costitutivi di cui sono fatte le proteine, lungo il percorso di trasporto ionico della proteina.

"Abbiamo lavorato sulla proteina channelrodopsina per un po' di tempo, cercando di capire le sue proprietà e come è selettivo per ioni specifici, " Ha detto Rempe. "Abbiamo notato diverse catene laterali di fenilalanina che rivestono il suo percorso di trasporto ionico e ci siamo chiesti "Cosa ci fanno le fenilalanine lì dentro?" Di solito pensiamo alla fenilalanina come a una molecola che respinge l'acqua e gli ioni nelle proteine ​​di trasporto biologico".

I calcoli computazionali di Rempe e Priest hanno mostrato che la catena laterale fenile della fenilalanina forma un componente di diversi siti di legame lungo la via di trasporto della proteina channelrhodopsin. I loro calcoli hanno mostrato che quei siti di legame della fenilalanina interagivano con gli ioni sodio in modo tale che gli ioni positivi fossero stabili, ma non così stabili da smettere di muoversi attraverso il canale.

Costruzione strato per strato

Rempe ha parlato con Stephen Percival, Leo Small ed Erik Spoerke, Scienziati dei materiali Sandia, su questa stranezza biologica. Il team ha pensato che incorporare la minuscola molecola fenilalanina in una membrana per elettrodialisi potrebbe rendere più facile separare gli ioni caricati positivamente dall'acqua durante l'elettrodialisi.

Il processo di fabbricazione della membrana per elettrodialisi è un po' come la fabbricazione di candele vecchio stile. Primo, Percival ha immerso una membrana di supporto porosa disponibile in commercio in una soluzione caricata positivamente, sciacquato via la membrana, e poi immerso in una soluzione carica negativamente. Poiché le soluzioni hanno cariche opposte, possono autoassemblarsi in un rivestimento su entrambi i lati della membrana, disse Percival, che ha iniziato a lavorare al progetto come ricercatore post-dottorato.

Ha fatto questo con e senza la fenilalanina per testare come l'aggiunta dell'amminoacido ha influenzato la membrana.

Ogni ciclo a due soluzioni ha aggiunto uno strato molto sottile di membrana in grado di catturare ioni positivi. Per questo progetto, Percival realizzava principalmente membrane con uno spessore di cinque o 10 strati a due strati. Un rivestimento a membrana a cinque strati con o senza fenilalanina era circa 50 volte più sottile di un capello umano. Una membrana a 10 strati era 25 volte più sottile di un capello umano. Lo spessore dei film per elettrodialisi è importante perché i film più spessi richiedono più elettricità per far passare gli ioni.

"Abbiamo scoperto che semplicemente aggiungendo fenilalanina alle soluzioni per immersione, siamo stati in grado di incorporarlo nella membrana di elettrodialisi finita, " Disse Percival. "Inoltre, siamo stati in grado di aumentare la selettività della membrana per gli ioni sodio rispetto agli ioni cloruro, rispetto alla membrana standard senza fenilalanina."

Nello specifico, hanno scoperto che il film a cinque strati con fenilalanina aveva una selettività simile a quella del film a 10 strati senza fenilalanina, ma senza la maggiore resistenza associata a rivestimenti più spessi. Ciò significa che il film di fenilalanina può purificare efficacemente l'acqua utilizzando meno elettricità, rendendolo così più efficiente, disse Percival. Però, l'amminoacido è stato appena mescolato nella soluzione, quindi il team non sa se interagisce con gli ioni sodio positivi nello stesso identico modo della proteina biologica modellata Rempe.

"Tra la natura bio-ispirata del progetto, lavorare con esperti in diverse discipline e fare da tutor a stagisti universitari, questo è uno dei giornali di cui sono più orgoglioso, " ha detto Percival. "Anche i risultati del documento sono stati molto importanti. Siamo stati in grado di dimostrare che la selettività ionica può essere aumentata indipendentemente dalla resistenza della membrana, che è abbastanza vantaggioso."

Partnership e percorsi futuri

Il team di Sandia ha collaborato anche con Shane Walker, un professore di ingegneria civile presso l'Università del Texas a El Paso, per testare ulteriormente la membrana. Walker e il suo team hanno confrontato la membrana per elettrodialisi di Sandia con membrane disponibili in commercio in un complesso, sistema di elettrodialisi su scala di laboratorio. Hanno esaminato una serie di parametri tra cui la riduzione della salinità, consumo di elettricità e permeabilità all'acqua.

"I nostri partner UT El Paso hanno analizzato la nostra membrana in un vero sistema di elettrodialisi, " Ha detto Rempe. "Hanno messo campioni di membrana nel loro sistema su scala di laboratorio, ha eseguito una serie di test e confrontato la nostra membrana con le membrane commerciali. La nostra membrana ha funzionato abbastanza bene".

Il team di Walker ha scoperto che la membrana bioispirata di Sandia era competitiva con le membrane per elettrodialisi commerciali. Nello specifico, La membrana di Sandia era al di sopra della media in termini di densità di corrente. Permeabilità all'acqua, che è correlato al movimento dell'acqua dall'acqua salata in ingresso all'acqua dolce, era superiore alla media. La membrana di Sandia era leggermente al di sotto della media in termini di riduzione della salinità dopo un'ora di funzionamento e consumava più elettricità rispetto alla maggior parte delle sei coppie di membrane testate.

Questi risultati sono stati pubblicati in un articolo sulla rivista scientifica Membranes il 19 marzo. Nel documento, i ricercatori hanno concluso che mentre la membrana bioispirata di Sandia era competitiva con le membrane commerciali, ci sono ancora margini di miglioramento. Auspicabilmente, le aziende possono imparare da questa membrana di ispirazione biologica per migliorare l'efficienza delle loro membrane per elettrodialisi.

Nel futuro, Rempe vorrebbe progettare una membrana per elettrodialisi in grado di separare specifici ioni economicamente preziosi, come gli ioni di metalli delle terre rare. I metalli delle terre rare sono utilizzati nei convertitori catalitici automobilistici, potenti magneti, batterie ricaricabili e telefoni cellulari e sono per lo più estratti in Cina.

"Il prossimo passo naturale del progetto è usare la biologia, ancora, come ispirazione per progettare una membrana che sposterà specificamente gli ioni di terre rare attraverso una membrana, "Rempe ha detto. "I metalli delle terre rare sono preziosi, e la mancanza di approvvigionamento interno è un problema di sicurezza nazionale. Insieme, prendersi cura del nostro approvvigionamento idrico e riciclare i nostri preziosi minerali sono importanti per la sicurezza ambientale e la mitigazione del clima".