Les scientifiques de Sandia National Laboratories et leurs collaborateurs ont développé une nouvelle membrane, dont la structure est inspirée d'une protéine d'algue, pour l'électrodialyse qui pourrait être utilisée pour fournir de l'eau douce pour l'agriculture et la production d'énergie.

L'équipe a partagé sa conception de membrane dans un article publié récemment dans la revue scientifique Matière molle .

L'électrodialyse utilise l'énergie électrique pour éliminer les sels dissous de l'eau. Actuellement, il est utilisé pour capturer le sel de l'eau de mer pour produire du sel de table et retirer le sel de l'eau saumâtre pour faire de l'eau douce, mais il pourrait également être utilisé pour éliminer le sel des eaux usées afin de fournir une nouvelle source d'eau douce.

Les chercheurs ont découvert que l'ajout d'un acide aminé commun, appelé phénylalanine, à une membrane d'électrodialyse lui a permis de mieux capter et éliminer les ions positifs, comme le sodium.

"L'ajout de phénylalanine à la membrane d'électrodialyse a augmenté la sélectivité pour les ions positifs d'une quantité significative, à notre agréable surprise, " Susan Rempé, le bio-ingénieur responsable du projet, mentionné.

Assurer un approvisionnement adéquat en eau douce est un problème de sécurité nationale, elle a dit. L'eau douce est essentielle pour tout, de la consommation et de l'agriculture à la production d'énergie nucléaire, centrales électriques au charbon et au gaz naturel.

Eau propre, avec moins d'électricité

Actuellement, une méthode appelée osmose inverse est utilisée commercialement pour éliminer le sel de l'eau de mer ou de l'eau saumâtre pour produire de l'eau douce, mais il a plusieurs limites. Une limitation est la nécessité d'une pression élevée pour pousser l'eau douce hors d'une solution de plus en plus salée. La force d'entraînement à haute pression est coûteuse et conduit facilement à l'obstruction ou à l'encrassement de la membrane par des matériaux non dissous dans l'eau, dit Rempé.

Plus la solution salée est concentrée, plus le problème est gros. Par conséquent, il existe peu d'options pour nettoyer les eaux usées salées. Par exemple, eau produite par fracturation hydraulique pour récupérer le gaz naturel, qui peut être dix fois plus salée que l'eau de mer, est généralement enfoui sous terre au lieu d'être remis dans l'environnement, dit Rempé.

Le sodium et le chlorure sont les deux ions les plus courants dans l'eau de mer, et du sel de table. Bien sûr, il existe une variété d'autres ions chargés positivement et négativement dans l'eau de mer et les eaux usées, trop.

L'électrodialyse est une méthode potentiellement meilleure que l'osmose inverse car elle utilise un courant électrique pour extraire les ions du sel, laissant derrière lui de l'eau douce. Cela nécessite moins d'énergie et rend la membrane moins susceptible de se boucher, dit Rempé. L'électrodialyse a besoin d'une paire de membranes pour produire de l'eau douce, celui qui capture les ions chargés positivement, comme le sodium, et un qui attrape les ions chargés négativement, comme le chlorure.

Inspirer par la biologie

Rempe et son équipe se sont inspirés de la biologie sous la forme d'une protéine spécifique qui transporte des ions appelée channelrhodopsin. La channelrhodopsine provient à l'origine d'algues et est couramment utilisée en optogénétique, une technique dans laquelle les biologistes ont ciblé le contrôle de cellules vivantes spécifiques à l'aide de la lumière.

Cette protéine de transport d'ions laisse passer de nombreux ions chargés positivement, y compris les ions sodium, ions potassium, ions calcium et protons, mais pas d'ions chargés négativement. Ce type de sélectivité est important pour une membrane d'électrodialyse.

Rempe et ancien chercheur postdoctoral, Prêtre Tchad, vu qu'il y avait beaucoup d'un certain type d'acide aminé, appelée phénylalanine, l'un des 20 éléments constitutifs à partir desquels les protéines sont fabriquées, le long de la voie de transport des ions de la protéine.

« Nous travaillons sur la protéine channelrhodopsine depuis un certain temps, essayer de comprendre ses propriétés et comment il est sélectif pour des ions spécifiques, " a déclaré Rempe. "Nous avons remarqué plusieurs chaînes latérales de phénylalanine tapissant sa voie de transport d'ions et nous nous sommes demandés "Que font les phénylalanines là-dedans?" Nous pensons généralement à la phénylalanine comme une molécule qui repousse l'eau et les ions dans les protéines de transport biologique."

Les calculs informatiques de Rempe et Priest ont montré que la chaîne latérale phényle de la phénylalanine forme un composant de plusieurs sites de liaison le long de la voie de transport de la protéine channelrhodopsine. Leurs calculs ont montré que ces sites de liaison à la phénylalanine interagissaient suffisamment avec les ions sodium pour que les ions positifs soient stables, mais pas si stables qu'ils arrêteraient de se déplacer dans le canal.

Construction couche par couche

Rempe a parlé avec Stephen Percival, Leo Small et Erik Spoerke, Scientifiques des matériaux de Sandia, sur cette bizarrerie biologique. L'équipe a pensé que l'incorporation de la minuscule molécule de phénylalanine dans une membrane d'électrodialyse pourrait faciliter la séparation des ions chargés positivement de l'eau pendant l'électrodialyse.

Le processus de fabrication de la membrane d'électrodialyse ressemble un peu à la fabrication de bougies à l'ancienne. D'abord, Percival a plongé une membrane de support poreuse disponible dans le commerce dans une solution chargée positivement, rincé la membrane, puis l'a plongé dans une solution chargée négativement. Parce que les solutions ont des charges opposées, ils peuvent s'auto-assembler en un revêtement de part et d'autre de la membrane, dit Perceval, qui a commencé à travailler sur le projet en tant que chercheur postdoctoral.

Il l'a fait avec et sans la phénylalanine pour tester comment l'ajout de l'acide aminé affectait la membrane.

Chaque cycle à deux solutions a ajouté une très fine couche de membrane qui peut capturer les ions positifs. Pour ce projet, Percival fabriquait principalement des membranes épaisses de cinq ou dix couches à deux immersions. Un revêtement de membrane à cinq couches avec ou sans phénylalanine était environ 50 fois plus fin qu'un cheveu humain. Une membrane à 10 couches était 25 fois plus fine qu'un cheveu humain. L'épaisseur des films d'électrodialyse est importante car les films plus épais nécessitent plus d'électricité pour faire passer les ions.

"Nous avons découvert qu'en ajoutant simplement de la phénylalanine aux solutions d'immersion, nous avons pu l'incorporer dans la membrane d'électrodialyse finie, " dit Perceval. " De plus, nous avons pu augmenter la sélectivité de la membrane pour les ions sodium par rapport aux ions chlorure, par rapport à la membrane standard sans phénylalanine."

Spécifiquement, ils ont constaté que le film à cinq couches avec phénylalanine avait une sélectivité similaire à celle du film à 10 couches sans phénylalanine, mais sans la résistance accrue associée aux revêtements plus épais. Cela signifie que le film de phénylalanine peut purifier efficacement l'eau tout en utilisant moins d'électricité, le rendant ainsi plus efficace, dit Perceval. Cependant, l'acide aminé vient d'être mélangé dans la solution, l'équipe ne sait donc pas s'il interagit avec les ions sodium positifs exactement de la même manière que dans la protéine biologique Rempe modélisée.

« Entre le caractère bio-inspiré du projet, travailler avec des experts de différentes disciplines et encadrer des stagiaires de premier cycle, c'est l'un des journaux dont je suis le plus fier, " a déclaré Percival. " Les conclusions du document étaient également très importantes. Nous avons pu démontrer que la sélectivité ionique peut être augmentée indépendamment de la résistance membranaire, ce qui est assez avantageux."

Partenariats et voies à suivre

L'équipe de Sandia a également collaboré avec Shane Walker, professeur de génie civil à l'Université du Texas à El Paso, pour tester davantage la membrane. Walker et son équipe ont comparé la membrane d'électrodialyse de Sandia aux membranes disponibles dans le commerce dans un complexe, système d'électrodialyse à l'échelle du laboratoire. Ils ont examiné un certain nombre de paramètres, notamment la réduction de la salinité, consommation d'électricité et perméabilité à l'eau.

"Nos partenaires de l'UT El Paso ont analysé notre membrane dans un véritable système d'électrodialyse, " a déclaré Rempe. " Ils ont mis des échantillons de membrane dans leur système à l'échelle du laboratoire, effectué tout un tas de tests et comparé notre membrane aux membranes commerciales. Notre membrane a plutôt bien fonctionné."

L'équipe de Walker a découvert que la membrane bio-inspirée de Sandia était compétitive avec les membranes d'électrodialyse commerciales. Spécifiquement, La membrane de Sandia était au-dessus de la moyenne en termes de densité de courant. Perméabilité à l'eau, qui est lié au mouvement de l'eau de l'eau d'entrée salée vers l'eau douce, était supérieur à la moyenne. La membrane de Sandia était légèrement inférieure à la moyenne en termes de réduction de la salinité après une heure de fonctionnement et consommait plus d'électricité que la plupart des six paires de membranes testées.

Ces résultats ont été publiés dans un article de la revue scientifique Membranes le 19 mars. Dans l'article, les chercheurs ont conclu que si la membrane bio-inspirée de Sandia était compétitive avec les membranes commerciales, il y a encore place à amélioration. Avec un peu de chance, les entreprises peuvent apprendre de cette membrane bio-inspirée pour améliorer l'efficacité de leurs membranes d'électrodialyse.

À l'avenir, Rempe souhaite concevoir une membrane d'électrodialyse capable de séparer des ions spécifiques à valeur économique, tels que les ions de métaux des terres rares. Les métaux des terres rares sont utilisés dans les convertisseurs catalytiques automobiles, aimants puissants, les piles rechargeables et les téléphones portables et sont principalement extraits en Chine.

"La prochaine étape naturelle du projet est d'utiliser la biologie, de nouveau, comme source d'inspiration pour concevoir une membrane qui déplacera spécifiquement les ions de terres rares à travers une membrane, " a déclaré Rempe. " Les métaux des terres rares sont précieux, et le manque d'approvisionnement intérieur est un problème de sécurité nationale. Ensemble, prendre soin de notre approvisionnement en eau et recycler nos précieux minéraux sont importants pour la sécurité environnementale et l'atténuation du changement climatique."