Los científicos de Sandia National Laboratories y sus colaboradores han desarrollado una nueva membrana, cuya estructura se inspiró en una proteína de las algas, para electrodiálisis que podría utilizarse para proporcionar agua dulce para la agricultura y la producción de energía.

El equipo compartió su diseño de membrana en un artículo publicado recientemente en la revista científica. Materia blanda .

La electrodiálisis utiliza energía eléctrica para eliminar las sales disueltas del agua. Actualmente se utiliza para capturar sal del agua de mar para producir sal de mesa y eliminar la sal del agua salobre para producir agua dulce. pero también podría usarse para eliminar la sal de las aguas residuales y proporcionar una nueva fuente de agua dulce.

Los investigadores encontraron que la adición de un aminoácido común, llamada fenilalanina, a una membrana de electrodiálisis le permitió capturar y eliminar mejor los iones positivos, como el sodio.

"La adición de fenilalanina a la membrana de electrodiálisis aumentó la selectividad por los iones positivos en una cantidad significativa, para nuestra grata sorpresa, "Susan Rempe, el bioingeniero líder del proyecto, dijo.

Garantizar un suministro adecuado de agua dulce es un problema de seguridad nacional. ella dijo. El agua dulce es esencial para todo, desde beber y cultivar hasta producir energía a partir de energía nuclear, centrales eléctricas a base de carbón y gas natural.

Agua limpia, con menos electricidad

En la actualidad, un método llamado ósmosis inversa se utiliza comercialmente para eliminar la sal del agua de mar o el agua salobre para producir agua dulce, pero tiene varias limitaciones. Una limitación es la necesidad de alta presión para expulsar el agua dulce de una solución cada vez más salada. La fuerza impulsora de alta presión es costosa y hace que la membrana se obstruya o ensucie fácilmente con material no disuelto en el agua. Dijo Rempe.

Cuanto más concentrada sea la solución salada, cuanto mayor es el problema. Como resultado, hay pocas opciones para limpiar las aguas residuales saladas. Como ejemplo, agua producida por fracturación hidráulica para recuperar gas natural, que puede ser diez veces más salado que el agua de mar, generalmente se entierra bajo tierra en lugar de ser devuelto al medio ambiente, Dijo Rempe.

El sodio y el cloruro son los dos iones más comunes en el agua de mar, y sal de mesa. Por supuesto, hay una variedad de otros iones cargados positiva y negativamente en el agua de mar y aguas residuales, también.

La electrodiálisis es un método potencialmente mejor que la ósmosis inversa porque utiliza corriente eléctrica para extraer los iones de sal. dejando atrás agua dulce. Esto requiere menos energía y hace que sea menos probable que la membrana se obstruya. Dijo Rempe. La electrodiálisis necesita un par de membranas para producir agua dulce, uno que captura iones cargados positivamente, como el sodio, y uno que atrapa iones cargados negativamente, como el cloruro.

Buscando inspiración en la biología

Rempe y su equipo buscaron inspiración en la biología en forma de una proteína específica que transporta iones llamados canalrodopsina. La canalrodopsina proviene originalmente de las algas y se usa comúnmente en optogenética, una técnica en la que los biólogos tienen como objetivo el control de células vivas específicas usando luz.

Esta proteína de transporte de iones permite el paso de muchos iones cargados positivamente diferentes, incluidos los iones de sodio, iones de potasio, iones y protones de calcio, pero no iones cargados negativamente. Este tipo de selectividad es importante para una membrana de electrodiálisis.

Rempe y ex investigador postdoctoral, Sacerdote de Chad, vio que había una gran cantidad de cierto tipo de aminoácido, llamada fenilalanina, uno de los 20 componentes básicos de los que están hechas las proteínas, a lo largo de la vía de transporte de iones de la proteína.

"Hemos estado trabajando en la proteína canalrodopsina durante bastante tiempo, tratando de comprender sus propiedades y cómo es selectivo para iones específicos, ", Dijo Rempe." Notamos varias cadenas laterales de fenilalanina que recubren su vía de transporte de iones y nos preguntamos "¿Qué están haciendo las fenilalaninas allí?" Por lo general, pensamos en la fenilalanina como una molécula que repele el agua y los iones en las proteínas de transporte biológico ".

Los cálculos computacionales de Rempe y Priest mostraron que la cadena lateral de fenilo de la fenilalanina forma un componente de varios sitios de unión a lo largo de la ruta de transporte de la proteína canalrodopsina. Sus cálculos mostraron que esos sitios de unión de fenilalanina interactuaron con los iones de sodio lo suficiente como para que los iones positivos fueran estables. pero no tan estables como para dejar de moverse por el canal.

Construcción capa por capa

Rempe habló con Stephen Percival, Leo Small y Erik Spoerke, Científicos de materiales de Sandia, sobre esta rareza biológica. El equipo pensó que la incorporación de la pequeña molécula de fenilalanina en una membrana de electrodiálisis podría facilitar la separación de iones cargados positivamente del agua durante la electrodiálisis.

El proceso de fabricación de la membrana de electrodiálisis es algo así como la fabricación de velas a la antigua. Primero, Percival sumergió una membrana de soporte porosa disponible comercialmente en una solución cargada positivamente, enjuagado de la membrana, y luego lo sumergí en una solución cargada negativamente. Debido a que las soluciones tienen cargas opuestas, pueden autoensamblarse en un revestimiento en ambos lados de la membrana, dijo Percival, quien comenzó a trabajar en el proyecto como investigador postdoctoral.

Hizo esto con y sin fenilalanina para probar cómo la adición del aminoácido afectaba la membrana.

Cada ciclo de dos soluciones agrega una capa muy delgada de membrana que puede capturar iones positivos. Para este proyecto, Percival fabricó principalmente membranas que tenían cinco o diez capas de dos inmersiones de espesor. Un revestimiento de membrana de cinco capas con o sin fenilalanina era aproximadamente 50 veces más delgado que un cabello humano. Una membrana de 10 capas era 25 veces más delgada que un cabello humano. El grosor de las películas de electrodiálisis es importante porque las películas más gruesas requieren más electricidad para extraer los iones.

"Descubrimos que simplemente agregando fenilalanina a las soluciones de inmersión, pudimos incorporarlo a la membrana de electrodiálisis terminada, "Percival dijo." Además, pudimos aumentar la selectividad de la membrana para los iones de sodio sobre los iones de cloruro, en comparación con la membrana estándar sin fenilalanina ".

Específicamente, encontraron que la película de cinco capas con fenilalanina tenía una selectividad similar a la de la película de 10 capas sin fenilalanina, pero sin la mayor resistencia asociada con revestimientos más gruesos. Esto significa que la película de fenilalanina puede purificar el agua de forma eficaz con menos electricidad. lo que lo hace más eficiente, Dijo Percival. Sin embargo, el aminoácido se acaba de mezclar en la solución, por lo que el equipo no sabe si interactúa con los iones de sodio positivos exactamente de la misma manera que en la proteína biológica modelada por Rempe.

"Entre la naturaleza bioinspirada del proyecto, trabajar con expertos de diferentes disciplinas y asesorar a pasantes de pregrado, este es uno de los trabajos de los que estoy más orgulloso, ", dijo Percival." Los hallazgos del artículo también fueron muy importantes. Pudimos demostrar que la selectividad iónica se puede aumentar independientemente de la resistencia de la membrana, lo cual es bastante ventajoso ".

Asociaciones y caminos a seguir

El equipo de Sandia también colaboró ​​con Shane Walker, profesor de ingeniería civil en la Universidad de Texas en El Paso, para probar más la membrana. Walker y su equipo compararon la membrana de electrodiálisis de Sandia con membranas disponibles comercialmente en un complejo, Sistema de electrodiálisis a escala de laboratorio. Observaron una serie de parámetros, incluida la reducción de la salinidad, Consumo eléctrico y permeabilidad al agua.

"Nuestros socios de UT El Paso analizaron nuestra membrana en un sistema de electrodiálisis real, ", Dijo Rempe." Pusieron muestras de membrana en su sistema a escala de laboratorio, Realicé un montón de pruebas y comparé nuestra membrana con membranas comerciales. Nuestra membrana funcionó bastante bien ".

El equipo de Walker descubrió que la membrana bioinspirada de Sandia era competitiva con las membranas comerciales de electrodiálisis. Específicamente, La membrana de Sandia estaba por encima del promedio en términos de densidad de corriente. Permeabilidad al agua, que está relacionado con el movimiento del agua desde el agua de entrada salada hasta el agua dulce, fue superior a la media. La membrana de Sandia estuvo ligeramente por debajo del promedio en términos de reducción de salinidad después de una hora de tiempo de ejecución y consumió más electricidad que la mayoría de los seis pares de membranas probados.

Estos resultados fueron publicados en un artículo en la revista científica Membranes el 19 de marzo. En el artículo, los investigadores concluyeron que si bien la membrana bioinspirada de Sandia era competitiva con las membranas comerciales, todavía hay margen de mejora. Ojalá, las empresas pueden aprender de esta membrana bioinspirada para mejorar la eficiencia de sus membranas de electrodiálisis.

En el futuro, A Rempe le gustaría diseñar una membrana de electrodiálisis que pueda separar iones específicos económicamente valiosos, como iones de metales de tierras raras. Los metales de tierras raras se utilizan en convertidores catalíticos de automoción, potentes imanes, baterías recargables y teléfonos móviles y se extraen principalmente en China.

"El siguiente paso natural del proyecto es utilizar la biología, de nuevo, como inspiración para diseñar una membrana que mueva específicamente iones de tierras raras a través de una membrana, "Dijo Rempe." Los metales de tierras raras son valiosos, y la falta de suministro interno es un problema de seguridad nacional. Juntos, cuidar nuestro suministro de agua y reciclar nuestros valiosos minerales son importantes para la seguridad ambiental y la mitigación del clima ".