Un equipo de científicos de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Tufts ha desarrollado una nueva tecnología de filtrado. Inspirado por la biología, podría ayudar a frenar una enfermedad relacionada con el agua potable que afecta a decenas de millones de personas en todo el mundo y potencialmente mejorar la remediación ambiental, producción industrial y química, y minería, entre otros procesos.

Informar en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , Los investigadores demostraron que sus novedosas membranas poliméricas pueden separar el fluoruro del cloruro y otros iones (átomos cargados eléctricamente) con el doble de selectividad reportada por otros métodos. Dicen que la aplicación de la tecnología podría prevenir la toxicidad del fluoruro en los suministros de agua donde el elemento se encuentra naturalmente en niveles demasiado altos para el consumo humano.

Es bien sabido que agregar flúor al suministro de agua puede reducir la incidencia de caries, incluidas las caries. Menos conocido es el hecho de que algunos suministros de agua subterránea tienen niveles naturales tan altos de fluoruro que pueden provocar graves problemas de salud. La exposición prolongada al exceso de fluoruro puede causar fluorosis, una condición que realmente puede debilitar los dientes, calcificar tendones y ligamentos, y provocar deformidades óseas. La Organización Mundial de la Salud estima que las concentraciones excesivas de fluoruro en el agua potable han causado decenas de millones de casos de fluorosis dental y esquelética en todo el mundo.

La capacidad de eliminar el fluoruro con una membrana filtrante relativamente económica podría proteger a las comunidades de la fluorosis sin requerir el uso de filtración de alta presión o tener que eliminar por completo todos los componentes y luego remineralizar el agua potable.

"El potencial de las membranas selectivas de iones para reducir el exceso de fluoruro en los suministros de agua potable es muy alentador, "dijo Ayse Asatekin, profesor asociado de ingeniería química y biológica en la Facultad de Ingeniería. "Pero la utilidad potencial de la tecnología se extiende más allá del agua potable a otros desafíos. El método que usamos para fabricar las membranas es fácil de escalar para aplicaciones industriales. Y debido a que la implementación como filtro también puede ser relativamente simple, de bajo coste y medioambientalmente sostenible, podría tener amplias aplicaciones para mejorar el suministro de agua agrícola, limpieza de desechos químicos, y mejora de la producción química.

Por ejemplo, En teoría, el proceso podría mejorar los rendimientos de las reservas geológicas limitadas de litio para la producción sostenible de baterías de litio o el uranio necesario para la generación de energía nuclear. dijo Asatekin.

Al desarrollar el diseño de las membranas sintéticas, El equipo de Asatekin se inspiró en la biología. Las membranas celulares son notablemente selectivas al permitir el paso de iones dentro y fuera de la célula, e incluso pueden regular las concentraciones internas y externas de iones y moléculas con gran precisión.

Los canales de iones biológicos crean un entorno más selectivo para el paso de estos pequeños iones al revestir los canales con grupos químicos funcionales que tienen diferentes tamaños y cargas y diferente afinidad por el agua. La interacción entre los iones que pasan y estos grupos es forzada por las dimensiones nanométricas de los poros del canal, y la velocidad de paso se ve afectada por la fuerza o la debilidad de las interacciones.

Las membranas de filtración creadas por el equipo de Asatekin se diseñaron recubriendo un polímero zwiteriónico, un polímero en el que los grupos moleculares contienen cargas positivas y negativas estrechamente vinculadas en su superficie, sobre un soporte poroso, creando membranas con canales más estrechos que un nanómetro rodeadas por grupos químicos repelentes al agua y grupos químicos con carga positiva y negativa. Al igual que con los canales biológicos, el tamaño muy pequeño de los poros obliga a los iones a interactuar con los grupos cargados y repelentes de agua en los poros, permitiendo que algunos iones pasen mucho más rápido que otros. En el estudio actual, la composición del polímero se hizo para apuntar a la selección de fluoruro frente a cloruro. Al alterar la composición del polímero zwiteriónico, Debería ser posible apuntar a la selección de diferentes iones, dicen los investigadores.

La mayoría de las membranas de filtrado actuales separan las moléculas por diferencias significativas en el tamaño y la carga de partículas o moleculares, pero tienen dificultades para distinguir los iones de un solo átomo entre sí debido a su pequeño tamaño y cuando sus cargas eléctricas son casi idénticas.

Por el contrario, Las membranas de los investigadores de Tufts son capaces de separar iones que difieren solo en una fracción de su diámetro atómico incluso cuando sus cargas eléctricas son casi idénticas.

Zwitterco, una empresa con sede en Cambridge que ayudó a financiar este trabajo, explorará la ampliación en la fabricación de membranas de separación de iones para probar su aplicación en entornos industriales.