Găsirea filtrării naturale a apei pentru a produce apă curată cu un consum mai mic de energie

Aceste canale pliabile ajută la transportul apei în timp ce blochează moleculele nedorite, cum ar fi sarea. Credit: Universitatea din Texas la Austin / Cockrell School of Engineering

Pentru mulți ingineri și oameni de știință, natura este cea mai mare gheață din lume. Se străduiesc să înțeleagă mai bine procesele naturale care au evoluat de-a lungul a milioane de ani, imitându-le în moduri care beneficiază societatea și uneori le îmbunătățesc.

O echipă internațională, interdisciplinară de cercetători, inclusiv ingineri de la Universitatea din Austin, a găsit o modalitate de a reproduce procesul natural care mută apa între celule pentru a îmbunătăți metodele de filtrare a sării și a altor elemente și molecule pentru a forma apă pură. consum redus de energie.

Într-un nou articol publicat astăzi (20 mai 2021) Nanotehnologia naturii, cercetătorii au creat un canal de transport de apă de dimensiuni moleculare care transportă apa între celule, excluzând protonii și moleculele nedorite. Aceste canale imită funcțiile purtătoare de apă ale proteinelor din corpul nostru numite acvaporine. Transportul necontrolat al protonilor împreună cu apa în celulele noastre poate fi dăunător, deoarece acestea pot modifica pH-ul celulelor, perturbându-le sau distrugându-le.

Aceasta este prima copie a unui canal artificial de dimensiuni nanometrice care poate imita cu adevărat caracteristicile de bază ale transportului pe apă al acestor canale biologice de apă. Și acest lucru poate îmbunătăți capacitatea membranelor de a filtra în mod eficient moleculele și elementele nedorite, accelerând în același timp transportul pe apă și făcând mai ieftină crearea unei surse curate.

Canalele pliabile ajută la transportul apei în timp ce blochează moleculele nedorite

Aceste canale pliabile ajută la transportul apei în timp ce blochează moleculele nedorite, cum ar fi sarea. Credit: Universitatea din Texas la Austin / Cockrell School of Engineering

„Replică natura, dar o face încălcând regulile pe care natura le-a stabilit”, a spus Manish Kumar, profesor asistent de construcții, arhitectură și inginerie de mediu la Școala de Inginerie Cockrell. Aceste canale fac mai ușor să transporte rapid moleculele potrivite, cum ar fi apa, și să le blocheze pe cele nedorite, cum ar fi sarea.

Canalele artificiale de apă ale echipei de cercetare pot servi ca solvent pe scară largă acvaporine pentru desalinizare, purificare a apei și alte procese pentru separarea moleculelor. Și fac acest lucru transportând apa de 2,5 ori mai repede decât acvaporinele.

Canalele artificiale sunt formate din trei nanometri de trei nanometri. Dacă sunt înfășurate strâns într-o membrană dimensionată corespunzător, canalele pot transporta 80 de kilograme de apă pe secundă pe metru pătrat de membrană, în timp ce sărurile și protonii pot fi respinși la rate mai mari decât membranele comerciale de corecție comerciale.

„Aceste canale artificiale rezolvă în esență probleme tehnice importante care permit trecerea și trecerea doar a moleculelor de apă și dincolo de alte soluții, cum ar fi sărurile și protonii”, a declarat Huaqiang Zeng, profesor de chimie la Universitatea Hainan și la Universitatea Politehnică din Nord-Vest. Institutul de sinteză avansată. China. „Ratele lor extraordinare de transfer de apă și faptul că aceste canale permit producerea unei membrane mai simple arată că vor deveni o parte importantă a membranelor de generația următoare pentru a produce apă curată pentru a depăși lipsa severă cu care se confruntă oamenii în acest secol”.

Canalele bazate pe acvaporină sunt atât de mici încât trec doar o singură moleculă de apă la un moment dat, ca o cale unică. O caracteristică structurală distinctivă a acestor noi canale este o serie de răsuciri în canale care permit transportul mai rapid al moleculelor de apă, pe lângă crearea unor „căi” suplimentare.

„Mergeți de la șoseaua de țară la autostradă în ceea ce privește viteza de transport pe apă, dar în același timp puneți pași mici pe drum și nu permiteți altceva”, a spus Alexander, profesor de fizică biologică la Universitatea din Illinois la Urbana. – O campanie de cercetare colaborativă.

În timp ce studia pentru disertația sa de doctorat, Kumar l-a învățat pe Aksimentiev despre fizica nanomecanică. În Ingineria Mediului la Universitatea din Illinois. El a spus că cursul a fost foarte provocator și încă face apel la notele sale din anii post-curs.

Au lucrat împreună pe hârtie în timp ce Kumar era student. Mai târziu, când a devenit profesor, Aksimentiev l-a ajutat cu lucrări de simulare pe o altă lucrare. De câțiva ani, ei colaborează la studiul canalelor de transport pe apă.

Echipa interdisciplinară include profesori și cercetători din întreaga lume în fizică, inginerie chimică, farmacologie și alte domenii. Cercetătorii provin de la UT Austin, Universitatea din Illinois, Harvard Medical School, Universitatea Hainan și Universitatea Politehnică Northwestern din China și Laboratorul NanoBio din Singapore.

Zeng este autorul relevant al lucrării. Partea pilot a proiectului a fost condusă de Kumar, iar lucrările de simulare au fost realizate de Aksimentiev.

La începutul acestui an, Kumar a lucrat cu cercetătorii de la Universitatea Penn State la o nouă descoperire care aruncă lumină asupra modului în care funcționează membranele tradiționale de desalinizare. Acestea accelerează transportul apei omogene prin membrană și îmbunătățesc procesul de filtrare a sării.

Această nouă lucrare, spune Kumar, duce acest concept la un alt nivel. Aceste canale pot fi unice în măsura în care corespund moleculelor de apă dorite atunci când se stoarce alte molecule nedorite.

În viitor, echipa intenționează să construiască membrane de osmoză inversă de nouă generație pentru a transforma apa de mare în apă potabilă folosind aceste canale artificiale de apă.

Referință: 20 mai 2021, Nanotehnologia naturii.
DOI: 10.1038 / s41565-021-00915-2

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.