桑迪亚国家实验室的科学家和他们的合作者开发了一种新的膜，其结构受到藻类蛋白质的启发，用于电渗析，可用于为农业和能源生产提供淡水。
该团队在最近发表在科学杂志《Soft Matter》上的一篇论文中分享了他们的膜设计。
电渗析利用电力去除水中溶解的盐分。目前，它被用于从海水中捕获盐以生产食盐，从微咸水中去除盐以制造淡水，但它也可以用于从废水中去除盐以提供新的淡水来源。
研究人员发现，在电渗析膜上添加一种名为苯丙氨酸的常见氨基酸，可以使其更好地捕获和去除钠等正离子。
“让我们惊喜的是，在电渗析膜上添加苯丙氨酸可以显著提高对正离子的选择性。”该项目的首席生物工程师苏珊·伦佩说。
她说，确保充足的淡水供应是一个国家安全问题。淡水对于从饮用、农业到核能、煤炭和天然气发电厂的能源生产，都是必不可少的。
清洁的水，更少的电
目前，一种被称为反渗透的方法被商业上用于从海水或微咸水中去除盐分以生产淡水，但它有几个局限性。限制之一是需要高压将淡水从越来越咸的溶液中挤出。Rempe说，高压驱动力是昂贵的，并且容易导致膜被水中不溶解的物质堵塞或污染。
盐水浓度越高，问题就越严重。因此，净化含盐废水的方法很少。Rempe举例说，通过水力压裂开采天然气产生的水，其盐度可能是海水的十倍，通常会被埋在地下，而不是回到环境中。
钠和氯是海水和食盐中最常见的两种离子。当然，海水和废水中也有各种其他带正电荷和负电荷的离子。
电渗析是一种可能比反渗透更好的方法，因为它利用电流把盐离子抽出来，留下淡水。Rempe说，这需要更少的能量，使细胞膜不太可能堵塞。电渗析需要一对膜来产生淡水，一层膜捕获正电荷离子，如钠，另一层膜捕获负电荷离子，如氯。
从生物学中寻找灵感
Rempe和她的团队从生物学中寻找灵感，以一种特殊的蛋白质的形式运输离子，称为通道视紫红质。通道视紫红质最初来自藻类，通常用于光遗传学——一种生物学家利用光对特定活细胞进行靶向控制的技术。
这种离子运输蛋白允许许多不同的正电荷离子通过，包括钠离子、钾离子、钙离子和质子，但不允许负电荷离子通过。这种选择性对电渗析膜很重要。
伦佩和前博士后研究员查德·普里斯特发现，在蛋白质的离子运输途径中，有很多一种叫做苯丙氨酸的氨基酸，苯丙氨酸是构成蛋白质的20种基本成分之一。
“我们研究通道视紫红质蛋白已经有一段时间了，试图了解它的性质以及它是如何对特定离子有选择性的。”Rempe说。“我们注意到苯丙氨酸的离子运输途径中有几条侧链，我们想知道‘苯丙氨酸在那里做什么?我们通常认为苯丙氨酸是生物转运蛋白中排斥水和离子的分子。”
Rempe和Priest的计算结果表明，苯丙氨酸的苯基侧链是通道视紫红质蛋白转运途径中几个结合位点的组成部分。他们的计算表明，这些苯丙氨酸结合位点与钠离子的相互作用足以使正离子稳定，但又不至于稳定到停止在通道中移动。
层一层的建设
Rempe与桑迪亚材料科学家Stephen Percival、Leo Small和Erik Spoerke讨论了这种生物学上的奇怪现象。研究小组认为，将微小的苯丙氨酸分子加入电渗析膜中，可能会在电渗析过程中更容易将带正电的离子从水中分离出来。
制作电渗析膜的过程有点像老式的蜡烛制作。首先，Percival将市售的多孔支撑膜浸入带正电荷的溶液中，冲洗掉膜，然后将其浸入带负电荷的溶液中。Percival说，因为两种溶液的电荷相反，它们可以在膜的两侧自组装成涂层。Percival以博士后研究员的身份开始了这个项目。
他在加入苯丙氨酸和不加入苯丙氨酸的情况下进行了实验，以测试氨基酸的加入对膜的影响。
每个双溶液循环都增加了一层非常薄的膜，可以捕获正离子。在这个项目中，Percival主要制造了5到10层的双层膜。有或没有苯丙氨酸的五层膜涂层大约比人的头发薄50倍。一层10层的薄膜比人的头发还要薄25倍。电渗析膜的厚度很重要，因为较厚的膜需要更多的电来拉离子通过。
“我们发现，只要在浸渍溶液中添加苯丙氨酸，我们就能将其纳入最终的电渗析膜中。”珀西瓦尔说。“此外，与不含苯丙氨酸的标准膜相比，我们能够提高膜对钠离子的选择性。”
具体来说，他们发现含有苯丙氨酸的五层薄膜具有与不含苯丙氨酸的10层薄膜相似的选择性，但没有较厚涂层带来的阻力增加。Percival说，这意味着苯丙氨酸薄膜可以在使用更少电力的情况下有效地净化水，从而提高了效率。然而，这种氨基酸只是混合在溶液中，所以研究小组不知道它是否以与生物蛋白质Rempe模型中完全相同的方式与正钠离子相互作用。
“这个项目的生物启发性质，与不同学科的专家合作，指导本科生实习生，这是我最自豪的论文之一。”珀西瓦尔说。“这篇论文的发现也非常重要。我们能够证明离子选择性可以独立于膜电阻而增加，这是非常有利的。”
伙伴关系和前进道路
Sandia团队还与德克萨斯大学埃尔帕索分校的土木工程教授Shane Walker合作，进一步测试这种膜。沃克和他的团队将桑迪亚的电渗析膜与一个复杂的、实验室规模的电渗析系统中的市售膜进行了比较。他们考察了一些参数，包括盐度降低、耗电量和透水性。
“我们埃尔帕索大学的合作伙伴在真正的电渗析系统中分析了我们的膜，”Rempe说。“他们将膜样本放入实验室规模的系统中，进行了一系列测试，并将我们的膜与商业膜进行了比较。我们的膜做得很好。”
沃克的团队发现，桑迪亚的生物启发膜与商业电渗析膜相比具有竞争力。具体来说，桑迪亚的膜在电流密度方面高于平均水平。透水率高于平均水平，透水率与水从咸水流入淡水的运动有关。Sandia的膜在运行一小时后的盐度降低方面略低于平均水平，并且比测试的六对膜中的大多数消耗了更多的电力。
这些结果是发表在一篇论文中发表在3月19日的科学杂志《膜》上。在论文中，研究人员得出结论，虽然桑迪亚的生物膜与商业膜相比具有竞争力，但仍有改进的空间。希望公司可以从这种生物启发膜中学习，以提高他们的电渗析膜的效率。
在未来，Rempe希望设计一种电渗析膜，可以分离出特定的经济价值离子，如稀土金属离子。稀土金属用于汽车催化转换器、强力磁铁、可充电电池和手机，大部分在中国开采。
“这个项目的下一步自然是利用生物学作为灵感来设计一种薄膜，这种薄膜可以让稀土离子在膜上移动。”Rempe说。“稀土金属很有价值，国内供应不足是一个国家安全问题。总之，保护我们的水供应和回收宝贵的矿物对环境安全和减缓气候变化非常重要。”
该项目由桑迪亚实验室指导研究和发展计划资助，通道视紫红质研究在集成纳米技术中心进行。
桑迪亚国家实验室是一个多任务实验室，由霍尼韦尔国际公司的全资子公司桑迪亚国家技术和工程解决方案有限责任公司为美国能源部国家核安全管理局运营。桑迪亚实验室在核威慑、全球安全、国防、能源技术和经济竞争力方面承担着主要的研发责任，主要设施位于新墨西哥州的阿尔伯克基和加利福尼亚州的利弗莫尔。
来源:https://www.sandia.gov/