Климатический кризис может удвоить частоту экстремальных региональных летних засух в Европе

Синтетические полимерные мембраны имитируют высокоселективные свойства мембран биологических клеток.

Группа ученых из Инженерной школы Университета Тафтса разработала новую технологию фильтрации. Технология, вдохновленная биологией, может помочь в борьбе с заболеваниями, связанными с питьевой водой, от которых страдают десятки миллионов людей во всем мире, а также потенциально улучшить восстановление окружающей среды, промышленное и химическое производство, добычу полезных ископаемых и другие процессы.

Новая технология фильтрации

Как сообщается в журнале 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 вдвое большей избирательностью, чем другие методы. По их словам, применение этой технологии может предотвратить токсичность фтора в источниках водоснабжения, где этот элемент встречается в естественных условиях в концентрациях, слишком высоких для потребления человеком.

Хорошо известно, что добавление фтора в воду может снизить заболеваемость кариесом, включая образование полостей. Менее известен тот факт, что в некоторых источниках подземных вод природные уровни фтора настолько высоки, что могут привести к серьезным проблемам со здоровьем. Длительное воздействие избытка фтора может вызвать флюороз - состояние, которое может ослабить зубы, кальцифицировать сухожилия и связки и привести к деформации костей. По оценкам Всемирной организации здравоохранения, чрезмерная концентрация фтора в питьевой воде стала 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", - говорит Айсе Асатекин, доцент кафедры химической и биологической инженерии в Школе инженеров. "Но потенциальная полезность технологии выходит за пределы питьевой воды и позволяет решать другие задачи. Метод, который мы использовали для производства мембран, легко масштабировать для промышленного применения. А поскольку реализация в качестве фильтра также может быть относительно простой, недорогой и экологически устойчивой, она может иметь широкое применение для улучшения сельскохозяйственного водоснабжения, очистки химических отходов и улучшения химического производства.

Например, теоретически процесс может повысить выход лития из ограниченных геологических запасов для устойчивого производства литиевых батарей или урана, необходимого для производства ядерной энергии, сказал Асатекин.

При разработке дизайна синтетических мембран команда Асатекина вдохновлялась биологией. Клеточные мембраны удивительно избирательно пропускают ионы в клетку и из клетки, и даже могут 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, которые имеют различные размеры и заряды и различное сродство к воде. Взаимодействие между проходящими ионами и этими группами принуждается нанометровыми размерами пор канала, и 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 тесно связанные положительные и отрицательные заряды на своей поверхности - на пористую основу, создавая мембраны с каналами шириной менее нанометра, окруженными 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, что позволяет одним ионам проходить гораздо быстрее, чем другим. В данном исследовании состав полимера был изменен таким образом, чтобы направить действие фторида против хлорида. По словам исследователей, изменяя состав цвиттерионного полимера, можно будет целенаправленно отбирать различные ионы.

Большинство современных фильтрующих мембран разделяют молекулы по значительным различиям в размере и заряде частиц или молекул, но с трудом отличают друг от друга одноатомные ионы из-за их малого размера и когда их электрические заряды почти одинаковы.

В отличие от них, мембраны исследователей из Тафтса способны отделять ионы, отличающиеся лишь на долю атомного диаметра, даже если их электрические заряды почти одинаковы.

Zwitterco, компания из Кембриджа, которая помогла финансировать эту работу, будет изучать возможности увеличения масштаба производства мембран, разделяющих ионы, чтобы проверить их применение в промышленных условиях. опубликовано econet.ru по материалам phys.org

Лучшие публикации в Telegram-канале Econet.ru. Подписывайтесь!

Подписывайтесь на наш youtube канал!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet