Группа ученых из Инженерной школы Университета Тафтса разработала новую технологию фильтрации, вдохновленную биологией, которая может помочь обуздать заболевание, связанное с питьевой водой, от которого страдают десятки миллионов людей во всем мире, и потенциально улучшить восстановление окружающей среды, промышленных и химическое производство, и добыча полезных ископаемых, среди других процессов.
Сообщая в Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи продемонстрировали, что их новые полимерные мембраны могут отделять фторид от хлорида и других ионов - электрически заряженных атомов - с удвоенной селективностью, о которой сообщают другие методы. Они говорят, что применение этой технологии может предотвратить токсичность фтора в системах водоснабжения, где содержание этого элемента в природе слишком велико для потребления человеком.
Хорошо известно, что добавление фтора в воду может снизить заболеваемость кариесом, в том числе кариесом. Менее известен тот факт, что некоторые запасы подземных вод имеют настолько высокий естественный уровень фтора, что это может привести к серьезным проблемам со здоровьем. Длительное воздействие избытка фтора может вызвать флюороз, состояние, которое может фактически ослабить зубы, обызвествить сухожилия и связки и привести к деформации костей. По оценкам Всемирной организации здравоохранения, чрезмерные концентрации фтора в питьевой воде стали причиной десятков миллионов случаев флюороза зубов и скелета во всем мире.
Возможность удаления фтора с помощью относительно недорогой фильтрующей мембраны может защитить население от флюороза, не требуя использования фильтрации под высоким давлением или полного удаления всех компонентов, а затем повторной минерализации питьевой воды.
«Потенциал ионоселективных мембран для снижения избытка фтора в питьевой воде очень обнадеживает», - сказал Айсе Асатекин, доцент кафедры химической и биологической инженерии Инженерной школы. «Но потенциальная полезность технологии распространяется не только на питьевую воду, но и на другие проблемы. Метод, который мы использовали для производства мембран, легко масштабировать для промышленного применения. И поскольку реализация в качестве фильтра также может быть относительно простой, недорогой и экологически устойчивой, он может иметь широкое применение для улучшения водоснабжения в сельском хозяйстве, очистки химических отходов и улучшения химического производства.
Например, теоретически этот процесс может улучшить выход из ограниченных геологических запасов лития для устойчивого производства литиевых батарей или урана, необходимого для выработки атомной энергии, сказал Асатекин..
При разработке дизайна синтетических мембран команда Асатекина вдохновлялась биологией. Клеточные мембраны удивительно избирательно пропускают ионы в клетку и из нее, и они могут даже с большой точностью регулировать внутреннюю и внешнюю концентрацию ионов и молекул.
Биологические ионные каналы создают более избирательную среду для прохождения этих малых ионов, выстилая каналы функциональными химическими группами, имеющими разный размер, заряд и разное сродство к воде. Взаимодействие между проходящими ионами и этими группами обусловлено нанометровыми размерами пор канала, а скорость прохождения зависит от силы или слабости взаимодействия.
Фильтрационные мембраны, созданные командой Асатекина, были разработаны путем нанесения цвиттерионного полимера - полимера, в котором молекулярные группы содержат близко связанные положительные и отрицательные заряды на своей поверхности - на пористую подложку, создавая мембраны с каналами уже, чем нанометр окружен как водоотталкивающими, так и плюс- и минус-заряженными химическими группами. Как и в случае с биологическими каналами, очень маленький размер пор заставляет ионы взаимодействовать с заряженными и водоотталкивающими группами в порах, позволяя некоторым ионам проходить намного быстрее, чем другим. В текущем исследовании состав полимера был подобран таким образом, чтобы выбирать фторид по сравнению с хлоридом. По словам исследователей, изменяя состав цвиттер-ионного полимера, можно нацеливаться на выделение различных ионов.
Большинство современных фильтрующих мембран разделяют молекулы из-за значительных различий в размерах и заряде частиц или молекул, но им трудно отличить одиночные ионы атомов друг от друга из-за их небольшого размера и когда их электрические заряды почти идентичны.
Мембраны исследователей Тафтса, напротив, способны разделять ионы, отличающиеся лишь на долю своего атомного диаметра, даже если их электрические заряды почти идентичны.
Zwitterco, компания из Кембриджа, которая помогла финансировать эту работу, будет изучать возможность увеличения производства мембран для разделения ионов, чтобы проверить их применение в промышленных условиях.