Un nuevo método de filtrado promete un agua potable más segura y una mejor producción industrial

Las membranas de polímeros sintéticos imitan las propiedades altamente selectivas de las membranas celulares biológicas

09.09.2021 - Estados Unidos

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

En un artículo publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, los investigadores demostraron que sus novedosas membranas poliméricas pueden separar el fluoruro del cloruro y de otros iones (átomos cargados eléctricamente) con el doble de selectividad que otros métodos. Afirman que la aplicación de esta tecnología podría evitar la toxicidad del flúor en los suministros de agua en los que el elemento se produce de forma natural a niveles demasiado altos para el consumo humano.

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

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La capacidad de eliminar el flúor con una membrana de filtración relativamente barata podría proteger a las comunidades de la fluorosis sin necesidad de utilizar la filtración de alta presión o tener que eliminar completamente todos los componentes y luego volver a mineralizar 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, profesora asociada de ingeniería química y biológica en la Escuela de Ingeniería. "Pero la utilidad potencial de la tecnología se extiende más allá del agua potable, a otros retos. El método que utilizamos para fabricar las membranas es fácil de ampliar para aplicaciones industriales. Y como la aplicación como filtro también puede ser relativamente sencilla, de bajo coste y ambientalmente sostenible, podría tener amplias aplicaciones para mejorar el suministro de agua en la agricultura, limpiar los residuos químicos y mejorar la producción de productos químicos."

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

Para desarrollar el diseño de las membranas sintéticas, el equipo de Asatekin se inspiró en la biología. Las membranas celulares son notablemente selectivas a la hora de permitir el paso de iones hacia el interior y el exterior de la célula, e incluso pueden regular las concentraciones internas y externas de iones y moléculas con gran precisión.

Los canales iónicos 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 se ve 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 zwitteriónico -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 rodeados tanto de grupos químicos que repelen el agua como de grupos con carga positiva y negativa. Al igual que en los canales biológicos, el tamaño tan reducido de los poros obliga a los iones a interactuar con los grupos cargados y repelentes de agua de los poros, lo que permite que algunos iones pasen mucho más rápido que otros. En el presente estudio, la composición del polímero se hizo para orientar la selección de fluoruro frente a cloruro. Los investigadores afirman que, modificando la composición del polímero zwitteriónico, debería ser posible seleccionar diferentes iones.

La mayoría de las membranas filtrantes actuales separan las moléculas por diferencias significativas en el tamaño y la carga de las partículas o las moléculas, 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.

En cambio, las membranas de los investigadores de Tufts son capaces de separar iones que difieren sólo 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, estudiará la posibilidad de ampliar la escala de fabricación de las membranas separadoras de iones para probar su aplicación en entornos industriales.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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