Cientistas do Sandia National Laboratories e seus colaboradores desenvolveram uma nova membrana, cuja estrutura foi inspirada por uma proteína de algas, para eletrodiálise que poderia ser usada para fornecer água potável para a agricultura e produção de energia.

A equipe compartilhou seu design de membrana em um artigo publicado recentemente na revista científica Matéria Macia .

A eletrodiálise usa energia elétrica para remover sais dissolvidos da água. Atualmente, é usado para capturar o sal da água do mar para produzir sal de cozinha e remover o sal da água salobra para fazer água doce, mas também pode ser usado para remover o sal das águas residuais para fornecer uma nova fonte de água doce.

Os pesquisadores descobriram que a adição de um aminoácido comum, chamada fenilalanina, a uma membrana de eletrodiálise permitiu-lhe capturar e remover melhor os íons positivos, como o sódio.

"Adicionar fenilalanina à membrana de eletrodiálise aumentou a seletividade para íons positivos em uma quantidade significativa, para nossa agradável surpresa, "Susan Rempe, o bioengenheiro líder do projeto, disse.

Garantir um abastecimento adequado de água doce é um problema de segurança nacional, ela disse. A água doce é essencial para tudo, desde beber e cultivar até a produção de energia nuclear, usinas de carvão e gás natural.

Água limpa, com menos eletricidade

Atualmente, um método chamado osmose reversa é usado comercialmente para remover o sal da água do mar ou água salobra para produzir água doce, mas tem várias limitações. Uma limitação é a necessidade de alta pressão para tirar a água doce de uma solução cada vez mais salgada. A força motriz de alta pressão é cara e faz com que a membrana fique obstruída ou suja por material não dissolvido na água facilmente, Disse Rempe.

Quanto mais concentrada a solução salina, quanto maior o problema. Como resultado, existem poucas opções para limpar águas residuais salgadas. Como um exemplo, água produzida por fraturamento hidráulico para recuperar gás natural, que pode ser dez vezes mais salgado que a água do mar, geralmente fica enterrado no subsolo em vez de ser devolvido ao meio ambiente, Disse Rempe.

Sódio e cloreto são os dois íons mais comuns na água do mar, e sal de cozinha. Claro, há uma variedade de outros íons carregados positiva e negativamente na água do mar e águas residuais, também.

A eletrodiálise é um método potencialmente melhor do que a osmose reversa porque usa corrente elétrica para extrair os íons de sal, deixando para trás água doce. Isso requer menos energia e torna menos provável que a membrana fique obstruída, Disse Rempe. A eletrodiálise precisa de um par de membranas para produzir água doce, aquele que captura íons carregados positivamente, como sódio, e um que captura íons carregados negativamente, como o cloreto.

Buscando inspiração na biologia

Rempe e sua equipe buscaram inspiração na biologia na forma de uma proteína específica que transporta íons chamada canalrodopsina. A channelrodopsina vem originalmente de algas e é comumente usada em optogenética - uma técnica na qual os biólogos têm como alvo o controle de células vivas específicas usando luz.

Esta proteína de transporte de íons permite muitos íons carregados positivamente diferentes, incluindo íons de sódio, íons de potássio, íons de cálcio e prótons, mas sem íons carregados negativamente. Esse tipo de seletividade é importante para uma membrana de eletrodiálise.

Rempe e ex-pesquisador de pós-doutorado, Chad Priest, vi que havia uma grande quantidade de um certo tipo de aminoácido, chamada fenilalanina - um dos 20 blocos de construção dos quais as proteínas são feitas - ao longo da via de transporte de íons da proteína.

"Já faz um bom tempo que trabalhamos na proteína canal-rodopsina, tentando entender suas propriedades e como ele é seletivo para íons específicos, "Rempe disse." Notamos várias cadeias laterais de fenilalanina revestindo sua via de transporte de íons e nos perguntamos:"O que as fenilalaninas estão fazendo aí?" Normalmente pensamos na fenilalanina como uma molécula que repele água e íons em proteínas de transporte biológico. "

Os cálculos computacionais de Rempe e Priest mostraram que a cadeia lateral do fenil da fenilalanina forma um componente de vários locais de ligação ao longo da via de transporte da proteína canal-rodopsina. Seus cálculos mostraram que os locais de ligação da fenilalanina interagiram com os íons de sódio o suficiente para que os íons positivos fossem estáveis, mas não tão estável que pare de se mover através do canal.

Construção camada por camada

Rempe conversou com Stephen Percival, Leo Small e Erik Spoerke, Cientistas de materiais Sandia, sobre essa estranheza biológica. A equipe pensou que incorporar a minúscula molécula fenilalanina em uma membrana de eletrodiálise pode tornar mais fácil separar íons carregados positivamente da água durante a eletrodiálise.

O processo de fabricação da membrana de eletrodiálise é parecido com a fabricação de velas à moda antiga. Primeiro, Percival mergulhou uma membrana de suporte porosa disponível comercialmente em uma solução carregada positivamente, enxaguado da membrana, e, em seguida, mergulhou-o em uma solução carregada negativamente. Como as soluções têm cargas opostas, eles podem se auto-montar em um revestimento em ambos os lados da membrana, disse Percival, que começou a trabalhar no projeto como pesquisadora de pós-doutorado.

Ele fez isso com e sem a fenilalanina para testar como a adição do aminoácido afetava a membrana.

Cada ciclo de duas soluções adicionou uma camada muito fina de membrana que pode capturar íons positivos. Para este projeto, Percival fez principalmente membranas com cinco ou dez camadas de duas camadas de espessura. Um revestimento de membrana de cinco camadas com ou sem fenilalanina era cerca de 50 vezes mais fino do que um fio de cabelo humano. Uma membrana de 10 camadas era 25 vezes mais fina do que um fio de cabelo humano. A espessura dos filmes de eletrodiálise é importante porque filmes mais grossos requerem mais eletricidade para puxar os íons.

"Descobrimos que simplesmente adicionando fenilalanina às soluções de imersão, fomos capazes de incorporá-lo à membrana de eletrodiálise acabada, "Percival disse." Além disso, fomos capazes de aumentar a seletividade da membrana para íons de sódio sobre íons de cloreto, quando comparada à membrana padrão sem fenilalanina. "

Especificamente, eles descobriram que o filme de cinco camadas com fenilalanina tinha seletividade semelhante à do filme de 10 camadas sem fenilalanina, mas sem o aumento da resistência associada a revestimentos mais espessos. Isso significa que o filme de fenilalanina pode purificar a água com eficácia, usando menos eletricidade, tornando-o mais eficiente, Percival disse. Contudo, o aminoácido foi apenas misturado na solução, portanto, a equipe não sabe se ele interage com os íons de sódio positivos exatamente da mesma maneira que na proteína biológica modelada por Rempe.

“Entre a natureza bioinspirada do projeto, trabalhar com especialistas em diferentes disciplinas e orientar estagiários de graduação, este é um dos jornais de que mais me orgulho, "disse Percival." As descobertas do jornal também foram muito importantes. Fomos capazes de demonstrar que a seletividade do íon pode ser aumentada independentemente da resistência da membrana, o que é bastante vantajoso. "

Parcerias e caminhos a seguir

A equipe Sandia também colaborou com Shane Walker, professor de engenharia civil da Universidade do Texas em El Paso, para testar a membrana. Walker e sua equipe compararam a membrana de eletrodiálise de Sandia a membranas disponíveis comercialmente em um complexo, sistema de eletrodiálise em escala de laboratório. Eles analisaram uma série de parâmetros, incluindo redução de salinidade, consumo de eletricidade e permeabilidade de água.

"Nossos parceiros da UT El Paso analisaram nossa membrana em um sistema de eletrodiálise real, "Disse Rempe." Eles colocaram amostras de membrana em seu sistema em escala de laboratório, Fiz uma série de testes e comparou nossa membrana às membranas comerciais. Nossa membrana funcionou muito bem. "

A equipe de Walker descobriu que a membrana bioinspirada de Sandia era competitiva com as membranas de eletrodiálise comerciais. Especificamente, A membrana de Sandia estava acima da média em termos de densidade de corrente. Permeância à água, que está relacionado ao movimento da água da entrada de água salgada para a água doce, foi superior à média. A membrana de Sandia estava ligeiramente abaixo da média em termos de redução de salinidade após uma hora de tempo de execução e consumia mais eletricidade do que a maioria dos seis pares de membrana testados.

Esses resultados foram publicados em um artigo na revista científica Membranes em 19 de março. No artigo, os pesquisadores concluíram que, embora a membrana bioinspirada de Sandia fosse competitiva com as membranas comerciais, ainda há espaço para melhorias. Esperançosamente, as empresas podem aprender com essa membrana bioinspirada para melhorar a eficiência de suas membranas de eletrodiálise.

No futuro, Rempe gostaria de projetar uma membrana de eletrodiálise que pode separar íons específicos economicamente valiosos, como íons de metais de terras raras. Metais de terras raras são usados ​​em conversores catalíticos automotivos, ímãs poderosos, baterias recarregáveis ​​e telefones celulares e são principalmente extraídos na China.

"O próximo passo natural do projeto é usar biologia, novamente, como inspiração para projetar uma membrana que moverá especificamente íons de terras raras através de uma membrana, "Rempe disse." Metais de terra rara são valiosos, e a falta de abastecimento doméstico é uma questão de segurança nacional. Juntos, cuidar de nosso abastecimento de água e reciclar nossos valiosos minerais são importantes para a segurança ambiental e a mitigação do clima. "