Một nhóm các nhà khoa học tại Trường Kỹ thuật Đại học Tufts đã phát triển một công nghệ lọc nước mới lấy cảm hứng từ sinh học có thể giúp hạn chế một căn bệnh liên quan đến nước uống ảnh hưởng đến hàng chục triệu người trên toàn thế giới và có khả năng cải thiện việc xử lý môi trường, sản xuất công nghiệp và hóa chất, khai thác, trong số các quy trình khác.
Báo cáo trong biên bản của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng màng polyme mới của họ có thể tách florua khỏi clorua và các ion khác – các nguyên tử mang điện – với độ chọn lọc cao gấp đôi so với các phương pháp khác. Họ nói rằng việc áp dụng công nghệ này có thể ngăn ngừa độc tính florua trong nguồn cung cấp nước, nơi nguyên tố này xuất hiện tự nhiên ở mức quá cao đối với mức tiêu thụ của con người.
Ai cũng biết rằng việc bổ sung florua vào nguồn cung cấp nước có thể làm giảm tỷ lệ mắc bệnh răng, bao gồm cả sâu răng. Ít được biết đến hơn là một số nguồn cung cấp nước ngầm có hàm lượng florua tự nhiên cao đến mức có thể dẫn đến các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Tiếp xúc lâu dài với florua dư thừa có thể gây ra tình trạng nhiễm fluor, một tình trạng thực sự có thể làm suy yếu răng, vôi hóa gân và dây chằng, và dẫn đến biến dạng xương. Tổ chức Y tế Thế giới ước tính rằng nồng độ florua quá cao trong nước uống đã gây ra hàng chục triệu ca nhiễm fluor ở răng và xương trên toàn thế giới. Khả năng loại bỏ florua bằng màng lọc tương đối rẻ tiền có thể bảo vệ cộng đồng khỏi bị nhiễm flo mà không cần sử dụng phương pháp lọc áp suất cao hoặc phải loại bỏ hoàn toàn tất cả các thành phần và sau đó tái khoáng hóa nước uống.
Ayse Asatekin, phó giáo sư về kỹ thuật hóa học và sinh học tại Trường Kỹ thuật, cho biết: “Tiềm năng của màng chọn lọc ion để giảm lượng florua dư thừa trong nguồn cung cấp nước uống là rất đáng khích lệ. “Nhưng tiềm năng hữu ích của công nghệ này còn vượt ra ngoài nước uống và những thách thức khác. Phương pháp chúng tôi sử dụng để sản xuất màng lọc rất dễ mở rộng quy mô cho các ứng dụng công nghiệp. Và bởi vì việc triển khai như một bộ lọc cũng có thể tương đối đơn giản, chi phí thấp và bền vững với môi trường, nó có thể có các ứng dụng rộng rãi để cải thiện nguồn cung cấp nước nông nghiệp, làm sạch chất thải hóa học và cải thiện sản xuất hóa chất.
Ví dụ, về mặt lý thuyết, quá trình này có thể cải thiện sản lượng từ trữ lượng địa chất hạn chế của lithium để sản xuất pin lithium bền vững hoặc uranium cần thiết cho sản xuất điện hạt nhân, Asatekin nói.
Khi phát triển thiết kế của màng tổng hợp, nhóm của Asatekin đã lấy cảm hứng từ sinh học. Màng tế bào có tính chọn lọc đáng kể trong việc cho phép các ion đi vào và ra khỏi tế bào, và chúng thậm chí có thể điều chỉnh nồng độ bên trong và bên ngoài của các ion và phân tử với độ chính xác cao.
Các kênh ion sinh học tạo ra một môi trường chọn lọc hơn cho sự di chuyển của các ion nhỏ này bằng cách lót các kênh bằng các nhóm hóa học chức năng có kích thước và điện tích khác nhau và ái lực khác nhau với nước. Tương tác giữa các ion đi qua và các nhóm này bị ép buộc bởi kích thước nanomet của các lỗ kênh, và tốc độ đi qua bị ảnh hưởng bởi độ mạnh hay yếu của các tương tác.
Các màng lọc do nhóm của Asatekin tạo ra được thiết kế bằng cách phủ một polyme zwitterionic – một loại polyme trong đó các nhóm phân tử chứa các điện tích âm và dương liên kết chặt chẽ trên bề mặt của chúng – lên một giá đỡ xốp, tạo ra các màng có các kênh hẹp hơn nanomet được bao quanh bởi cả hai. chống thấm nước và các nhóm hóa chất mang điện tích cộng và trừ. Đối với các kênh sinh học, kích thước rất nhỏ của các lỗ rỗng buộc các ion tương tác với các nhóm tích điện và đẩy nước trong các lỗ rỗng, cho phép một số ion di chuyển nhanh hơn nhiều so với các nhóm khác. Trong nghiên cứu hiện tại, thành phần của polyme được thực hiện nhằm mục đích lựa chọn florua và clorua. Các nhà nghiên cứu cho biết bằng cách thay đổi thành phần của polyme zwitterionic, có thể nhắm mục tiêu lựa chọn các ion khác nhau.
Hầu hết các màng lọc hiện nay phân tách các phân tử bằng sự khác biệt đáng kể về kích thước hạt hoặc phân tử và điện tích nhưng khó phân biệt các ion nguyên tử đơn lẻ với nhau vì kích thước nhỏ và khi điện tích của chúng gần giống nhau. Ngược lại, màng của các nhà nghiên cứu Tufts có khả năng phân tách các ion chỉ khác nhau một phần nhỏ so với đường kính nguyên tử của chúng ngay cả khi điện tích của chúng gần giống nhau.
Zwitterco, một công ty có trụ sở tại Cambridge, đã giúp tài trợ cho công việc này, sẽ khám phá quy mô sản xuất màng tách ion để thử nghiệm ứng dụng của chúng trong các môi trường công nghiệp.
Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/09/210906151444.htm
