Ett team av forskare vid Tufts University School of Engineering har utvecklat en ny filtreringsteknik. Inspirerad av biologi, det kan hjälpa till att stävja en dricksvattenrelaterad sjukdom som drabbar tiotals miljoner människor över hela världen och potentiellt förbättra miljösanering, industriell och kemisk produktion, och gruvdrift, bland andra processer.

Rapportering i Proceedings of the National Academy of Sciences , forskarna visade att deras nya polymermembran kan separera fluorid från klorid och andra joner – elektriskt laddade atomer – med dubbelt så hög selektivitet som rapporterats av andra metoder. De säger att tillämpningen av tekniken kan förhindra fluoridtoxicitet i vattenförsörjning där elementet förekommer naturligt vid nivåer som är för höga för mänsklig konsumtion.

Det är välkänt att tillsats av fluor till en vattenförsörjning kan minska förekomsten av karies, inklusive hålrum. Mindre känt är det faktum att vissa grundvattenförsörjningar har så höga naturliga halter av fluor att de kan leda till allvarliga hälsoproblem. Långvarig exponering för överskott av fluor kan orsaka fluoros, ett tillstånd som faktiskt kan försvaga tänderna, förkalka senor och ligament, och leda till bendeformiteter. Världshälsoorganisationen uppskattar att alltför höga fluoridkoncentrationer i dricksvatten har orsakat tiotals miljoner tand- och skelettfluorosfall över hela världen.

Möjligheten att ta bort fluor med ett relativt billigt filtreringsmembran skulle kunna skydda samhällen från fluoros utan att kräva användning av högtrycksfiltrering eller att helt ta bort alla komponenter och sedan återmineralisera dricksvattnet.

"Potentialen för jonselektiva membran att minska överskott av fluor i dricksvattenförsörjningen är mycket uppmuntrande, sa Ayse Asatekin, docent i kemi- och biologisk teknik vid Ingenjörshögskolan. "Men teknikens potentiella användbarhet sträcker sig bortom dricksvatten till andra utmaningar. Metoden vi använde för att tillverka membranen är lätt att skala upp för industriella tillämpningar. Och eftersom implementeringen som filter också kan vara relativt enkel, låg kostnad och miljömässigt hållbar, det kan ha breda tillämpningar för att förbättra jordbrukets vattenförsörjning, sanering av kemiskt avfall, och förbättra kemisk produktion.

Till exempel, teoretiskt sett skulle processen kunna förbättra utbytet från begränsade geologiska reserver av litium för hållbar produktion av litiumbatterier eller uran som behövs för kärnkraftsproduktion, sa Asatekin.

Vid utvecklingen av designen av de syntetiska membranen, Asatekins team inspirerades av biologi. Cellmembran är anmärkningsvärt selektiva när det gäller att tillåta passage av joner in i och ut ur cellen, och de kan till och med reglera de inre och yttre koncentrationerna av joner och molekyler med stor precision.

Biologiska jonkanaler skapar en mer selektiv miljö för passage av dessa små joner genom att fodra kanalerna med funktionella kemiska grupper som har olika storlekar och laddningar och olika affinitet för vatten. Interaktionen mellan de passerande jonerna och dessa grupper tvingas fram av nanometerdimensionerna på kanalporerna, och passagehastigheten påverkas av styrkan eller svagheten hos interaktionerna.

Filtreringsmembranen skapade av Asatekins team designades genom att belägga en zwitterjonisk polymer - en polymer där molekylära grupper innehåller nära kopplade positiva och negativa laddningar på sin yta - på ett poröst underlag, skapa membran med kanaler smalare än en nanometer omgivna av både vattenavvisande och plus- och minusladdade kemiska grupper. Som med de biologiska kanalerna, den mycket lilla storleken på porerna tvingar jonerna att interagera med de laddade och vattenavvisande grupperna i porerna, tillåter vissa joner att passera mycket snabbare än andra. I den aktuella studien, sammansättningen av polymeren gjordes för att inrikta sig på valet av fluor vs klorid. Genom att ändra sammansättningen av den zwitterjoniska polymeren, det bör vara möjligt att inrikta sig på urvalet av olika joner, säger forskarna.

De flesta nuvarande filtreringsmembran separerar molekyler genom betydande skillnader i partikel- eller molekylstorlek och laddning men har svårt att skilja enstaka atomjoner från varandra på grund av deras ringa storlek och när deras elektriska laddningar är nästan identiska.

Däremot Tufts-forskarnas membran kan separera joner som bara skiljer sig med en bråkdel av deras atomära diameter även när deras elektriska laddningar är nästan identiska.

Zwitterco, ett Cambridge-baserat företag som hjälpte till att finansiera detta arbete, kommer att undersöka uppskalningen i tillverkningen av jonseparerande membran för att testa deras tillämpning i industriella miljöer.