Forskare vid Sandia National Laboratories och deras medarbetare har utvecklat ett nytt membran, vars struktur var inspirerad av ett protein från alger, för elektrodialys som skulle kunna användas för att tillhandahålla färskvatten för jordbruk och energiproduktion.

Teamet delade med sig av sin membrandesign i en artikel som nyligen publicerades i den vetenskapliga tidskriften Mjuk materia .

Elektrodialys använder elektrisk kraft för att avlägsna lösta salter från vatten. För närvarande används det för att fånga salt från havsvatten för att producera bordsalt och ta bort salt från bräckt vatten för att göra färskt vatten, men det kan också användas för att ta bort salt från avloppsvatten för att ge en ny källa till färskvatten.

Forskarna fann att tillsatsen av en vanlig aminosyra, kallas fenylalanin, till ett elektrodialysmembran gjorde det möjligt för den att bättre fånga och ta bort positiva joner, såsom natrium.

"Att tillsätta fenylalanin till elektrodialysmembranet ökade selektiviteten för positiva joner med en betydande mängd, till vår glada överraskning, "Susan Rempe, den ledande bioingenjören i projektet, sa.

Att säkerställa en tillräcklig tillgång på färskvatten är ett nationellt säkerhetsproblem, Hon sa. Färskvatten är nödvändigt för allt från dricka och jordbruk till att producera energi från kärnkraft, kol- och naturgasbaserade kraftverk.

Rent vatten, med mindre el

För närvarande, en metod som kallas omvänd osmos används kommersiellt för att ta bort salt från havsvatten eller bräckt vatten för att producera färskvatten, men det har flera begränsningar. En begränsning är behovet av högt tryck för att trycka ut sötvatten ur en allt saltare lösning. Högtrycksdrivkraften är kostsam och leder till att membranet lätt täpps till eller nedsmutsas av olöst material i vattnet, sa Rempe.

Ju mer koncentrerad saltlösningen, desto större problem. Som ett resultat, det finns få alternativ för att städa upp salt avloppsvatten. Som ett exempel, vatten som produceras genom hydraulisk sprickning för att återvinna naturgas, som kan vara tio gånger så salt som havsvatten, blir i allmänhet begravd under jorden istället för att återföras till miljön, sa Rempe.

Natrium och klorid är de två vanligaste jonerna i havsvatten, och bordssalt. Självklart, det finns en mängd andra positivt och negativt laddade joner i havsvatten och avloppsvatten, för.

Elektrodialys är en potentiellt bättre metod än omvänd osmos eftersom den använder elektrisk ström för att dra ut saltjonerna, lämnar efter sig sötvatten. Detta kräver mindre energi och gör att membranet mindre benägna att täppas igen, Sa Rempe. Elektrodialys behöver ett par membran för att producera färskt vatten, en som fångar positivt laddade joner, såsom natrium, och en som fångar negativt laddade joner, såsom klorid.

Söker biologi för inspiration

Rempe och hennes team sökte inspiration från biologin i form av ett specifikt protein som transporterar joner som kallas channelrhodopsin. Channelrhodopsin kommer ursprungligen från alger och används ofta inom optogenetik - en teknik där biologer har riktat kontroll över specifika levande celler med hjälp av ljus.

Detta jontransportprotein tillåter många olika positivt laddade joner genom, inklusive natriumjoner, kaliumjoner, kalciumjoner och protoner, men inga negativt laddade joner. Denna typ av selektivitet är viktig för ett elektrodialysmembran.

Rempe och tidigare postdoktor, Tchad präst, såg att det fanns mycket av en viss typ av aminosyra, kallas fenylalanin - en av de 20 byggstenar som proteiner är gjorda av - längs proteinets jontransportväg.

"Vi har arbetat med kanalrodopsinproteinet ganska länge, försöker förstå dess egenskaper och hur det är selektivt för specifika joner, ", sa Rempe. "Vi märkte flera fenylalaninsidokedjor som kantade dess jontransportväg och vi undrade "Vad gör fenylalaninerna där?" Vi brukar tänka på fenylalanin som en molekyl som stöter bort vatten och joner i biologiska transportproteiner. "

Rempe och Priests beräkningar visade att fenylsidokedjan av fenylalanin bildar en komponent av flera bindningsställen längs kanalrodopsinproteinets transportväg. Deras beräkningar visade att dessa fenylalaninbindningsställen interagerade tillräckligt med natriumjoner så att de positiva jonerna var stabila, men inte så stabila att de skulle sluta röra sig genom kanalen.

Skikt-för-lager konstruktion

Rempe pratade med Stephen Percival, Leo Small och Erik Spoerke, Sandia materialforskare, om denna biologiska konstighet. Teamet trodde att inkorporering av den lilla molekylen fenylalanin i ett elektrodialysmembran kan göra det lättare att separera positivt laddade joner från vatten under elektrodialys.

Processen att tillverka elektrodialysmembranet är ungefär som gammaldags ljustillverkning. Först, Percival doppade ett kommersiellt tillgängligt poröst stödmembran i en positivt laddad lösning, sköljde av membranet, och doppade den sedan i en negativt laddad lösning. Eftersom lösningarna har motsatta laddningar, de kan självmontera till en beläggning på båda sidor av membranet, sa Percival, som började arbeta med projektet som postdoktor.

Han gjorde detta med och utan fenylalaninet för att testa hur tillsatsen av aminosyran påverkade membranet.

Varje tvålösningscykel lade till ett mycket tunt lager av membran som kan fånga upp positiva joner. För detta projekt, Percival gjorde i första hand membran som var fem eller 10 tvådoppade lager tjocka. En femlagers membranbeläggning med eller utan fenylalanin var cirka 50 gånger tunnare än ett människohår. Ett 10-lagers membran var 25 gånger tunnare än ett människohår. Tjockleken på elektrodialysfilmer är viktig eftersom tjockare filmer kräver mer elektricitet för att dra joner igenom.

"Vi fann att genom att helt enkelt tillsätta fenylalanin till dopplösningarna, vi kunde införliva det i det färdiga elektrodialysmembranet, " sade Percival. "Dessutom, vi kunde öka membranets selektivitet för natriumjoner jämfört med kloridjoner, jämfört med standardmembranet utan fenylalanin."

Specifikt, de fann att femlagersfilmen med fenylalanin hade selektivitet liknande den för 10-lagersfilmen utan fenylalanin, men utan det ökade motståndet i samband med tjockare beläggningar. Detta innebär att fenylalaninfilmen effektivt kan rena vatten samtidigt som den använder mindre el, vilket gör det mer effektivt, sa Percival. Dock, aminosyran blandades precis i lösningen, så teamet vet inte om det interagerar med de positiva natriumjonerna på exakt samma sätt som i det biologiska proteinet Rempe modellerade.

"Mellan projektets bioinspirerade natur, arbeta med experter inom olika discipliner och mentorskap för praktikanter, det här är en av tidningarna som jag är mest stolt över, ", sade Percival. "Papperets resultat var också mycket viktiga. Vi kunde visa att jonselektiviteten kan ökas oberoende av membranresistansen, vilket är ganska fördelaktigt."

Partnerskap och vägar framåt

Sandia -teamet samarbetade också med Shane Walker, en civilingenjörsprofessor vid University of Texas i El Paso, för att ytterligare testa membranet. Walker och hans team jämförde Sandias elektrodialysmembran med kommersiellt tillgängliga membran i ett komplex, elektrodialyssystem i laboratorieskala. De tittade på ett antal parametrar inklusive salthaltsminskning, elförbrukning och vattengenomsläpplighet.

"Våra UT El Paso-partners analyserade vårt membran i ett riktigt elektrodialyssystem, "Sa Rempe." De sätter membranprover i sitt laboratorieskala system, körde en hel massa tester och jämförde vårt membran med kommersiella membran. Vårt membran gick ganska bra."

Walkers team fann att Sandias bioinspirerade membran var konkurrenskraftigt med kommersiella elektrodialysmembran. Specifikt, Sandias membran var över genomsnittet när det gäller strömtäthet. Vattengenomsläpplighet, som är relaterad till rörelsen av vatten från saltvatten till sötvatten, var högre än genomsnittet. Sandias membran var något under genomsnittet när det gäller salthaltsminskning efter en timmes körtid och förbrukade mer elektricitet än de flesta av de sex testade membranparen.

Dessa resultat publicerades i en artikel i den vetenskapliga tidskriften Membranes den 19 mars. forskarna drog slutsatsen att medan Sandias bioinspirerade membran var konkurrenskraftigt med kommersiella membran, det finns fortfarande utrymme för förbättringar. Förhoppningsvis, företag kan lära av detta bioinspirerade membran för att förbättra effektiviteten hos sina elektrodialysmembran.

I framtiden, Rempe vill designa ett elektrodialysmembran som kan skilja ut specifikt ekonomiskt värdefulla joner, som sällsynta jordartsmetalljoner. Sällsynta jordartsmetaller används i bilkatalysatorer, kraftfulla magneter, laddningsbara batterier och mobiltelefoner och bryts mestadels i Kina.

"Det naturliga nästa steget i projektet är att använda biologi, på nytt, som inspiration till att designa ett membran som specifikt kommer att flytta sällsynta jordartsmetalljoner över ett membran, " sa Rempe. "Sällsynta jordartsmetaller är värdefulla, och bristen på inhemsk tillgång är en nationell säkerhetsfråga. Tillsammans, att ta hand om vår vattenförsörjning och återvinna våra värdefulla mineraler är viktiga för miljösäkerhet och klimatbegränsning."