09.09.2021 - Tufts University

Neue Filtermethode verspricht sichereres Trinkwasser und verbesserte industrielle Produktion

Synthetische Polymermembranen ahmen die hochselektiven Eigenschaften von biologischen Zellmembranen nach

Ein Team von Wissenschaftlern der Tufts University School of Engineering hat eine neue, von der Biologie inspirierte Filtertechnologie entwickelt, die dazu beitragen könnte, eine mit dem Trinkwasser zusammenhängende Krankheit einzudämmen, von der weltweit Dutzende Millionen Menschen betroffen sind, und die unter anderem die Umweltsanierung, die industrielle und chemische Produktion sowie den Bergbau verbessern könnte.

In einem Bericht in den Proceedings of the National Academy of Sciences zeigen die Forscher, dass ihre neuartigen Polymermembranen Fluorid von Chlorid und anderen Ionen - elektrisch geladenen Atomen - mit einer doppelt so hohen Selektivität trennen können wie andere Methoden. Sie sagen, dass die Anwendung dieser Technologie die Fluoridtoxizität in Wasserversorgungen verhindern könnte, in denen das Element natürlicherweise in zu hohen Mengen für den menschlichen Konsum vorkommt.

Es ist bekannt, dass die Zugabe von Fluorid in die Wasserversorgung das Auftreten von Karies, einschließlich Karies, verringern kann. Weniger bekannt ist die Tatsache, dass einige Grundwasserversorgungen einen so hohen natürlichen Fluoridgehalt aufweisen, dass sie zu schweren Gesundheitsproblemen führen können. Eine längere Exposition gegenüber einem zu hohen Fluoridgehalt kann zu Fluorose führen, einer Erkrankung, die die Zähne schwächen, Sehnen und Bänder verkalken und zu Knochendeformationen führen kann. Die Weltgesundheitsorganisation schätzt, dass überhöhte Fluoridkonzentrationen im Trinkwasser weltweit Dutzende Millionen Fälle von Zahn- und Skelettfluorose verursacht haben.

Die Möglichkeit, Fluorid mit einer relativ kostengünstigen Filtermembran zu entfernen, könnte die Bevölkerung vor Fluorose schützen, ohne dass eine Hochdruckfiltration erforderlich ist oder alle Bestandteile vollständig entfernt und das Trinkwasser anschließend remineralisiert werden muss.

"Das Potenzial von ionenselektiven Membranen zur Verringerung des Fluoridüberschusses in der Trinkwasserversorgung ist sehr ermutigend", so Ayse Asatekin, außerordentliche Professorin für Chemie- und Bioingenieurwesen an der School of Engineering. "Der potenzielle Nutzen der Technologie geht jedoch über das Trinkwasser hinaus und betrifft auch andere Herausforderungen. Die Methode, die wir zur Herstellung der Membranen verwendet haben, lässt sich leicht auf industrielle Anwendungen übertragen. Und da die Implementierung als Filter auch relativ einfach, kostengünstig und umweltverträglich sein kann, könnte sie eine breite Anwendung bei der Verbesserung der Wasserversorgung in der Landwirtschaft, der Reinigung von Chemieabfällen und der Verbesserung der chemischen Produktion finden."

Theoretisch könnte das Verfahren beispielsweise die Ausbeute aus den begrenzten geologischen Lithiumreserven für eine nachhaltige Lithiumbatterieproduktion oder das für die Atomstromerzeugung benötigte Uran verbessern, so Asatekin.

Bei der Entwicklung des Designs der synthetischen Membranen hat sich Asatekins Team von der Biologie inspirieren lassen. Zellmembranen sind bemerkenswert selektiv, wenn es darum geht, Ionen in die Zelle hinein und aus ihr heraus zu lassen, und sie können sogar die internen und externen Konzentrationen von Ionen und Molekülen mit großer Präzision regulieren.

Biologische Ionenkanäle schaffen eine selektivere Umgebung für den Durchgang dieser kleinen Ionen, indem sie die Kanäle mit funktionellen chemischen Gruppen auskleiden, die unterschiedliche Größen und Ladungen sowie eine unterschiedliche Affinität für Wasser haben. Die Wechselwirkung zwischen den durchgelassenen Ionen und diesen Gruppen wird durch die Nanometergröße der Kanalporen erzwungen, und die Durchlassgeschwindigkeit wird durch die Stärke oder Schwäche der Wechselwirkungen beeinflusst.

Die von Asatekins Team hergestellten Filtrationsmembranen wurden entwickelt, indem ein zwitterionisches Polymer - ein Polymer, bei dem Molekülgruppen eng miteinander verbundene positive und negative Ladungen auf ihrer Oberfläche enthalten - auf einen porösen Träger aufgetragen wurde, wodurch Membranen mit Kanälen geschaffen wurden, die schmaler als ein Nanometer sind und sowohl von wasserabweisenden als auch von positiv und negativ geladenen chemischen Gruppen umgeben sind. Wie bei den biologischen Kanälen zwingt die sehr geringe Größe der Poren die Ionen dazu, mit den geladenen und wasserabweisenden Gruppen in den Poren in Wechselwirkung zu treten, so dass einige Ionen viel schneller passieren können als andere. In der aktuellen Studie wurde die Zusammensetzung des Polymers auf die Auswahl von Fluorid gegenüber Chlorid ausgerichtet. Durch Änderung der Zusammensetzung des zwitterionischen Polymers sollte es möglich sein, die Auswahl verschiedener Ionen gezielt zu steuern, so die Forscher.

Die meisten gegenwärtigen Filtermembranen trennen Moleküle aufgrund signifikanter Unterschiede in der Partikel- oder Molekülgröße und -ladung, haben jedoch Schwierigkeiten, Einzelatomionen voneinander zu unterscheiden, da diese sehr klein sind und ihre elektrischen Ladungen nahezu identisch sind.

Im Gegensatz dazu sind die Membranen der Tufts-Forscher in der Lage, Ionen zu trennen, die sich nur um einen Bruchteil ihres atomaren Durchmessers unterscheiden, selbst wenn ihre elektrischen Ladungen nahezu identisch sind.

ZwitterCo, ein in Cambridge ansässiges Unternehmen, das diese Arbeit mitfinanziert hat, wird die Herstellung der Ionen-Trennmembranen in größerem Maßstab erforschen, um ihre Anwendung in der Industrie zu testen.

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