Wetenschappers van Sandia National Laboratories en hun medewerkers hebben een nieuw membraan ontwikkeld, waarvan de structuur is geïnspireerd op een eiwit uit algen, voor elektrodialyse die kan worden gebruikt om zoet water te leveren voor landbouw en energieproductie.

Het team deelde hun membraanontwerp in een recent gepubliceerd artikel in het wetenschappelijke tijdschrift Zachte materie .

Elektrodialyse maakt gebruik van elektrische stroom om opgeloste zouten uit water te verwijderen. Momenteel wordt het gebruikt om zout uit zeewater op te vangen om tafelzout te produceren en zout uit brak water te verwijderen om zoet water te maken, maar het kan ook worden gebruikt om zout uit afvalwater te verwijderen om zo een nieuwe bron van zoet water te creëren.

De onderzoekers ontdekten dat de toevoeging van een gemeenschappelijk aminozuur, genaamd fenylalanine, aan een elektrodialysemembraan stelde het in staat om positieve ionen beter op te vangen en te verwijderen, zoals natrium.

"Toevoeging van fenylalanine aan het elektrodialysemembraan verhoogde de selectiviteit voor positieve ionen met een significante hoeveelheid, tot onze aangename verrassing, "Susan Rempe, de leidende bio-ingenieur van het project, zei.

Zorgen voor voldoende zoet water is een nationaal veiligheidsprobleem, ze zei. Zoet water is essentieel voor alles, van drinken en landbouw tot het opwekken van energie uit kern-, kolen- en aardgascentrales.

Schoon water, met minder elektriciteit

Momenteel, een methode genaamd omgekeerde osmose wordt commercieel gebruikt om zout uit zeewater of brak water te verwijderen om zoet water te produceren, maar het heeft verschillende beperkingen. Een beperking is de noodzaak van hoge druk om zoet water uit een steeds zouter wordende oplossing te duwen. De drijvende kracht onder hoge druk is kostbaar en leidt ertoe dat het membraan gemakkelijk verstopt raakt of vervuild raakt door onopgelost materiaal in het water, zei Rempe.

Hoe geconcentreerder de zoute oplossing, hoe groter het probleem. Als resultaat, er zijn weinig mogelijkheden om zout afvalwater op te ruimen. Als voorbeeld, water geproduceerd door hydrofracturering om aardgas terug te winnen, dat tien keer zo zout kan zijn als zeewater, wordt over het algemeen ondergronds begraven in plaats van te worden teruggegeven aan de omgeving, zei Rempe.

Natrium en chloride zijn de twee meest voorkomende ionen in zeewater, en tafelzout. Natuurlijk, er zijn verschillende andere positief en negatief geladen ionen in zeewater en afvalwater, te.

Elektrodialyse is een potentieel betere methode dan omgekeerde osmose omdat het elektrische stroom gebruikt om de zoutionen eruit te halen, vers water achterlatend. Dit kost minder energie en zorgt ervoor dat het membraan minder snel verstopt raakt, zei Rempe. Elektrodialyse heeft een paar membranen nodig om vers water te produceren, een die positief geladen ionen vangt, zoals natrium, en een die negatief geladen ionen vangt, zoals chloride.

Op zoek naar biologie voor inspiratie

Rempe en haar team zochten inspiratie uit de biologie in de vorm van een specifiek eiwit dat ionen transporteert, channelrhodopsine genaamd. Channelrhodopsine komt oorspronkelijk uit algen en wordt vaak gebruikt in de optogenetica - een techniek waarbij biologen specifieke levende cellen met licht hebben gecontroleerd.

Dit ionentransporteiwit laat veel verschillende positief geladen ionen door, inclusief natriumionen, kaliumionen, calciumionen en protonen, maar geen negatief geladen ionen. Dit soort selectiviteit is belangrijk voor een elektrodialysemembraan.

Rempe en voormalig postdoctoraal onderzoeker, Tsjaad priester, zag dat er veel van een bepaald soort aminozuur was, genaamd fenylalanine - een van de 20 bouwstenen waaruit eiwitten zijn gemaakt - langs de ionentransportroute van het eiwit.

"We werken al een tijdje aan het channelrhodopsine-eiwit, proberen zijn eigenschappen te begrijpen en hoe het selectief is voor specifieke ionen, " zei Rempe. "We merkten verschillende zijketens van fenylalanine langs de ionentransportroute en we vroegen ons af:"Wat doen fenylalanines daar?" We denken meestal aan fenylalanine als een molecuul dat water en ionen in biologische transporteiwitten afstoot."

De computationele berekeningen van Rempe en Priest toonden aan dat de fenylzijketen van fenylalanine een component vormt van verschillende bindingsplaatsen langs de transportroute van het channelrhodopsine-eiwit. Hun berekeningen toonden aan dat die fenylalaninebindingsplaatsen voldoende interactie aangingen met natriumionen zodat de positieve ionen stabiel waren, maar niet zo stabiel dat ze zouden stoppen met bewegen door het kanaal.

Laag-voor-laag constructie

Rempe sprak met Stephen Percival, Leo Klein en Erik Spoerke, Sandia materiaal wetenschappers, over deze biologische eigenaardigheid. Het team dacht dat het opnemen van het kleine molecuul fenylalanine in een elektrodialysemembraan het gemakkelijker zou maken om positief geladen ionen van water te scheiden tijdens elektrodialyse.

Het proces van het maken van het elektrodialysemembraan lijkt een beetje op het ouderwets maken van kaarsen. Eerst, Percival doopte een in de handel verkrijgbaar poreus steunmembraan in een positief geladen oplossing, het membraan afgespoeld, en doopte het vervolgens in een negatief geladen oplossing. Omdat de oplossingen tegengestelde ladingen hebben, ze kunnen zichzelf assembleren tot een coating aan beide zijden van het membraan, zei Percival, die als postdoctoraal onderzoeker aan het project begon.

Hij deed dit met en zonder de fenylalanine om te testen hoe de toevoeging van het aminozuur het membraan beïnvloedde.

Elke cyclus van twee oplossingen voegde een zeer dunne laag membraan toe die positieve ionen kan vangen. Voor dit project, Percival maakte voornamelijk membranen met een dikte van vijf of tien dubbele diplagen. Een vijflaagse membraancoating met of zonder fenylalanine was ongeveer 50 keer dunner dan een mensenhaar. Een 10-laags membraan was 25 keer dunner dan een mensenhaar. De dikte van elektrodialysefilms is belangrijk omdat dikkere films meer elektriciteit nodig hebben om ionen door te trekken.

"We ontdekten dat door simpelweg fenylalanine toe te voegen aan de dompeloplossingen, we konden het opnemen in het afgewerkte elektrodialysemembraan, "Zei Percival. "Bovendien, we waren in staat om de selectiviteit van het membraan voor natriumionen te verhogen ten opzichte van chloride-ionen, in vergelijking met het standaardmembraan zonder fenylalanine."

specifiek, ze ontdekten dat de vijflaagse film met fenylalanine een selectiviteit had die vergelijkbaar was met die van de tienlaagse film zonder fenylalanine, maar zonder de verhoogde weerstand die gepaard gaat met dikkere coatings. Dit betekent dat de fenylalaninefilm effectief water kan zuiveren terwijl er minder elektriciteit wordt gebruikt, waardoor het efficiënter wordt, zei Percival. Echter, het aminozuur is zojuist in de oplossing gemengd, dus het team weet niet of het op exact dezelfde manier interageert met de positieve natriumionen als in het biologische eiwit Rempe gemodelleerd.

"Tussen het bio-geïnspireerde karakter van het project, werken met experts uit verschillende disciplines en begeleiden van niet-gegradueerde stagiaires, dit is een van de kranten waar ik het meest trots op ben, " zei Percival. "De bevindingen van het papier waren ook erg belangrijk. We konden aantonen dat de ionselectiviteit onafhankelijk van de membraanweerstand kan worden verhoogd, dat is best voordelig."

Partnerschappen en paden voorwaarts

Het Sandia-team werkte ook samen met Shane Walker, een professor civiele techniek aan de Universiteit van Texas in El Paso, om het membraan verder te testen. Walker en zijn team vergeleken Sandia's elektrodialysemembraan met commercieel verkrijgbare membranen in een complex, elektrodialysesysteem op laboratoriumschaal. Ze keken naar een aantal parameters, waaronder vermindering van het zoutgehalte, elektriciteitsverbruik en waterdoorlatendheid.

"Onze UT El Paso-partners hebben ons membraan geanalyseerd in een echt elektrodialysesysteem, "Zei Rempe. "Ze stopten membraanmonsters in hun systeem op laboratoriumschaal, voerde een hele reeks tests uit en vergeleek ons ​​membraan met commerciële membranen. Ons membraan deed het vrij goed."

Het team van Walker ontdekte dat het bio-geïnspireerde membraan van Sandia kon concurreren met commerciële elektrodialysemembranen. specifiek, Het membraan van Sandia was bovengemiddeld in termen van stroomdichtheid. Waterdoorlatendheid, die verband houdt met de verplaatsing van water van het zoute water naar het zoete water, hoger was dan gemiddeld. Sandia's membraan was iets onder het gemiddelde in termen van vermindering van het zoutgehalte na een uur draaien en verbruikte meer elektriciteit dan de meeste van de zes geteste membraanparen.

Deze resultaten zijn op 19 maart gepubliceerd in een paper in het wetenschappelijke tijdschrift Membranes. de onderzoekers concludeerden dat hoewel het bio-geïnspireerde membraan van Sandia concurrerend was met commerciële membranen, er is nog ruimte voor verbetering. Hopelijk, bedrijven kunnen van dit bio-geïnspireerde membraan leren om de efficiëntie van hun elektrodialysemembranen te verbeteren.

In de toekomst, Rempe wil een elektrodialysemembraan ontwerpen dat specifieke economisch waardevolle ionen kan scheiden, zoals zeldzame aardmetaalionen. Zeldzame aardmetalen worden gebruikt in autokatalysatoren, krachtige magneten, oplaadbare batterijen en mobiele telefoons en worden meestal gedolven in China.

"De natuurlijke volgende stap van het project is het gebruik van biologie, opnieuw, als inspiratie voor het ontwerpen van een membraan dat specifiek zeldzame aarde-ionen over een membraan zal verplaatsen, ' zei Rempe. 'Zeldzame aardmetalen zijn waardevol, en het gebrek aan binnenlands aanbod is een nationaal veiligheidsprobleem. Samen, het zorgen voor onze watervoorziening en het recyclen van onze waardevolle mineralen zijn belangrijk voor de veiligheid van het milieu en klimaatmitigatie."