Une équipe de scientifiques de la Tufts University School of Engineering a développé une nouvelle technologie de filtrage. Inspiré de la biologie, cela pourrait aider à lutter contre une maladie liée à l'eau potable qui affecte des dizaines de millions de personnes dans le monde et potentiellement améliorer la remédiation environnementale, production industrielle et chimique, et l'exploitation minière, entre autres processus.

Reportage dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , les chercheurs ont démontré que leurs nouvelles membranes polymères peuvent séparer le fluorure du chlorure et d'autres ions (atomes chargés électriquement) avec une sélectivité deux fois plus élevée que celle rapportée par d'autres méthodes. Ils disent que l'application de la technologie pourrait empêcher la toxicité du fluorure dans les approvisionnements en eau où l'élément se produit naturellement à des niveaux trop élevés pour la consommation humaine.

Il est bien connu que l'ajout de fluorure à un approvisionnement en eau peut réduire l'incidence de la carie dentaire, y compris les cavités. Moins connu est le fait que certains approvisionnements en eaux souterraines ont des niveaux naturels de fluorure si élevés qu'ils peuvent entraîner de graves problèmes de santé. Une exposition prolongée à un excès de fluorure peut provoquer une fluorose, une condition qui peut réellement affaiblir les dents, calcifier les tendons et les ligaments, et conduire à des déformations osseuses. L'Organisation mondiale de la santé estime que des concentrations excessives de fluorure dans l'eau potable ont causé des dizaines de millions de cas de fluorose dentaire et squelettique dans le monde.

La capacité d'éliminer le fluorure avec une membrane filtrante relativement peu coûteuse pourrait protéger les communautés de la fluorose sans nécessiter l'utilisation d'une filtration à haute pression ou sans avoir à éliminer complètement tous les composants, puis à reminéraliser l'eau potable.

« Le potentiel des membranes sélectives d'ions pour réduire l'excès de fluorure dans les approvisionnements en eau potable est très encourageant, " dit Ayse Asatekin, professeur agrégé de génie chimique et biologique à l'École d'ingénierie. "Mais l'utilité potentielle de la technologie s'étend au-delà de l'eau potable à d'autres défis. La méthode que nous avons utilisée pour fabriquer les membranes est facile à mettre à l'échelle pour des applications industrielles. Et parce que la mise en œuvre en tant que filtre peut également être relativement simple, faible coût et respectueux de l'environnement, il pourrait avoir de larges applications pour améliorer l'approvisionnement en eau agricole, nettoyer les déchets chimiques, et l'amélioration de la production chimique.

Par exemple, théoriquement, le procédé pourrait améliorer les rendements des réserves géologiques limitées de lithium pour la production durable de batteries au lithium ou d'uranium nécessaire à la production d'énergie nucléaire, dit Asatekine.

En développant la conception des membranes synthétiques, L'équipe d'Asatekin s'est inspirée de la biologie. Les membranes cellulaires sont remarquablement sélectives en permettant le passage des ions dans et hors de la cellule, et ils peuvent même réguler les concentrations internes et externes d'ions et de molécules avec une grande précision.

Les canaux ioniques biologiques créent un environnement plus sélectif pour le passage de ces petits ions en tapissant les canaux avec des groupes chimiques fonctionnels qui ont des tailles et des charges différentes et une affinité différente pour l'eau. L'interaction entre les ions passants et ces groupes est forcée par les dimensions nanométriques des pores du canal, et le taux de passage est affecté par la force ou la faiblesse des interactions.

Les membranes de filtration créées par l'équipe d'Asatekin ont été conçues en enduisant un polymère zwitterionique - un polymère dans lequel les groupes moléculaires contiennent des charges positives et négatives étroitement liées à leur surface - sur un support poreux, créer des membranes avec des canaux plus étroits qu'un nanomètre entourés à la fois de groupes chimiques hydrofuges et de groupes chimiques plus et moins chargés. Comme pour les canaux biologiques, la très petite taille des pores oblige les ions à interagir avec les groupes chargés et hydrofuges dans les pores, permettant à certains ions de passer beaucoup plus rapidement que d'autres. Dans l'étude actuelle, la composition du polymère a été faite pour cibler la sélection du fluorure par rapport au chlorure. En modifiant la composition du polymère zwitterionique, il doit être possible de cibler la sélection des différents ions, disent les chercheurs.

La plupart des membranes filtrantes actuelles séparent les molécules par des différences significatives dans la taille et la charge des particules ou des molécules, mais ont des difficultés à distinguer les ions d'un seul atome les uns des autres en raison de leur petite taille et lorsque leurs charges électriques sont presque identiques.

Par contre, les membranes des chercheurs de Tufts sont capables de séparer des ions qui ne diffèrent que d'une fraction de leur diamètre atomique, même lorsque leurs charges électriques sont presque identiques.

Zwitterco, une société basée à Cambridge qui a aidé à financer ce travail, explorera la mise à l'échelle dans la fabrication des membranes de séparation d'ions pour tester leur application dans des environnements industriels.