Een team van wetenschappers van de Tufts University School of Engineering heeft een nieuwe filtertechnologie ontwikkeld. Geïnspireerd door biologie, het zou kunnen helpen een drinkwatergerelateerde ziekte te beteugelen die tientallen miljoenen mensen wereldwijd treft en mogelijk de milieusanering verbeteren, industriële en chemische productie, en mijnbouw, onder andere processen.

Melden in de Proceedings van de National Academy of Sciences , de onderzoekers toonden aan dat hun nieuwe polymeermembranen fluoride kunnen scheiden van chloride en andere ionen - elektrisch geladen atomen - met tweemaal de selectiviteit die door andere methoden wordt gerapporteerd. Ze zeggen dat toepassing van de technologie fluoridetoxiciteit in watervoorzieningen kan voorkomen waar het element van nature voorkomt in niveaus die te hoog zijn voor menselijke consumptie.

Het is algemeen bekend dat het toevoegen van fluoride aan een watervoorziening de incidentie van tandbederf kan verminderen, inclusief gaatjes. Minder bekend is het feit dat sommige grondwatervoorraden zulke hoge natuurlijke fluoridegehalten hebben dat ze tot ernstige gezondheidsproblemen kunnen leiden. Langdurige blootstelling aan overtollig fluoride kan fluorose, een aandoening die de tanden daadwerkelijk kan verzwakken, verkalken pezen en ligamenten, en leiden tot botafwijkingen. De Wereldgezondheidsorganisatie schat dat overmatige fluorideconcentraties in drinkwater wereldwijd tientallen miljoenen gevallen van tand- en skeletfluorose hebben veroorzaakt.

De mogelijkheid om fluoride te verwijderen met een relatief goedkoop filtermembraan zou gemeenschappen kunnen beschermen tegen fluorose zonder het gebruik van hogedrukfiltratie of het volledig verwijderen van alle componenten en het opnieuw mineraliseren van het drinkwater.

"Het potentieel voor ion-selectieve membranen om overtollig fluoride in de drinkwatervoorziening te verminderen, is zeer bemoedigend, " zei Ayse Asatekin, universitair hoofddocent chemische en biologische technologie aan de School of Engineering. “Maar het potentiële nut van de technologie reikt verder dan drinkwater en andere uitdagingen. De methode die we hebben gebruikt om de membranen te vervaardigen, is eenvoudig op te schalen voor industriële toepassingen. En omdat de implementatie als filter ook relatief eenvoudig kan zijn, lage kosten en milieuvriendelijk, het zou brede toepassingen kunnen hebben voor het verbeteren van de landbouwwatervoorziening, opruimen van chemisch afval, en verbetering van de chemische productie.

Bijvoorbeeld, theoretisch zou het proces de opbrengsten kunnen verbeteren van beperkte geologische reserves van lithium voor de productie van duurzame lithiumbatterijen of uranium dat nodig is voor de opwekking van kernenergie, zei Asatekin.

Bij het ontwikkelen van het ontwerp van de synthetische membranen, Het team van Asatekin werd geïnspireerd door de biologie. Celmembranen zijn opmerkelijk selectief in het doorlaten van ionen in en uit de cel, en ze kunnen zelfs de interne en externe concentraties van ionen en moleculen met grote precisie regelen.

Biologische ionenkanalen creëren een selectievere omgeving voor de doorgang van deze kleine ionen door de kanalen te bekleden met functionele chemische groepen met verschillende afmetingen en ladingen en verschillende affiniteit voor water. De interactie tussen de passerende ionen en deze groepen wordt geforceerd door de nanometerafmetingen van de kanaalporiën, en de passagesnelheid wordt beïnvloed door de sterkte of zwakte van de interacties.

De filtratiemembranen die door het team van Asatekin zijn gemaakt, zijn ontworpen door een zwitterionisch polymeer - een polymeer waarin moleculaire groepen nauw verbonden positieve en negatieve ladingen op hun oppervlak bevatten - op een poreuze drager te coaten, het creëren van membranen met kanalen die smaller zijn dan een nanometer, omringd door zowel waterafstotende als plus- en min-geladen chemische groepen. Net als bij de biologische kanalen, de zeer kleine omvang van de poriën dwingt de ionen om te interageren met de geladen en waterafstotende groepen in de poriën, waardoor sommige ionen veel sneller kunnen passeren dan andere. In de huidige studie, de samenstelling van het polymeer werd gemaakt om de selectie van fluoride versus chloride te richten. Door de samenstelling van het zwitterionische polymeer te veranderen, het moet mogelijk zijn om de selectie van verschillende ionen te richten, zeggen de onderzoekers.

De meeste huidige filtermembranen scheiden moleculen door significante verschillen in deeltjes- of molecuulgrootte en lading, maar hebben moeite om afzonderlijke atoomionen van elkaar te onderscheiden vanwege hun kleine formaat en wanneer hun elektrische ladingen bijna identiek zijn.

Daarentegen, de membranen van de Tufts-onderzoekers zijn in staat ionen te scheiden die slechts een fractie van hun atoomdiameter verschillen, zelfs wanneer hun elektrische lading bijna identiek is.

Zwitterco, een in Cambridge gevestigd bedrijf dat dit werk heeft gefinancierd, zal de schaalvergroting in de productie van de ionenscheidende membranen onderzoeken om hun toepassing in industriële omgevingen te testen.