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，可以用于电渗析，为农业和能源生产提供淡水。
该团队最近在科学杂志《软物质》(Soft Matter)上发表了一篇论文，分享了他们的膜设计。
电渗析利用电力从水中除去溶解的盐。目前，它被用于从海水中捕获盐分来生产食盐，从微咸水中去除盐分来生产淡水，但它也可以用于从废水中去除盐分来提供新的淡水来源。
研究人员发现，在电渗析膜中加入一种叫做苯丙氨酸的普通氨基酸，可以更好地捕捉和去除正离子，比如钠离子。
“令我们惊喜的是，在电渗析膜中加入苯丙氨酸显著地提高了对正离子的选择性，”该项目的首席生物工程师苏珊·雷姆佩(Susan Rempe)说。
她说，确保充足的淡水供应是一个国家安全问题。从饮用水、农业到以核能、煤炭和天然气为基础的发电厂的能源生产，淡水都是必不可少的。
干净的水，更少的电
目前，一种被称为反渗透的方法用于去除海水或微咸水中的盐分，以生产淡水，但它有几个局限性。一个限制是需要高压把淡水从盐度越来越高的溶液中挤出来。Rempe说，高压驱动成本很高，而且容易导致膜被水中未溶解的物质堵塞或污染。
盐水浓度越高，问题就越大。因此，处理含盐废水的方法很少。Rempe说，举例来说，通过水力压裂开采天然气所产生的水的含盐量可能是海水的10倍，通常会被埋在地下，而不是返回到环境中。
钠和氯是海水和食盐中最常见的两种离子。当然，在海水和废水中也有各种各样的正负电离子。
电渗析是一种潜在的比反渗透更好的方法，因为它使用电流来抽出盐离子，留下淡水。Rempe说，这需要更少的能量，使薄膜不太可能被堵塞。电渗析需要一对膜来产生淡水，一个膜可以捕获正电荷离子，如钠，另一个膜可以捕获负电荷离子，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，找到了一种特殊的蛋白质，它可以运输被称为通道视紫红质的离子。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靶向控制特定活细胞的技术。
这种离子转运蛋白允许许多带正电荷的离子通过，包括钠离子、钾离子、钙离子和质子，但不允许带负电荷的离子通过。这种选择性对于电渗析膜是很重要的。
Rempe和前博士后研究员Chad Priest发现，沿着蛋白质的离子转运途径，有很多一种被称为苯丙氨酸的氨基酸，苯丙氨酸是构成蛋白质的20种基本成分之一。
“我们已经对通道视紫红质蛋白进行了相当一段时间的研究，试图了解它的特性以及它如何对特定离子进行选择性，”Rempe说。“我们注意到，在它的离子运输路径上有几个苯丙氨酸侧链，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一种分子，它能排斥生物运输蛋白中的水和离子。”
Rempe和Priest的计算表明，苯丙氨酸的苯基侧链在通道视紫质蛋白的运输途径上形成了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够使正离子稳定，但还没有稳定到停止通过通道。
层一层的建设
Rempe与桑迪亚材料科学家Stephen Percival、Leo Small和Erik Spoerke谈论了这个生物学上的奇怪现象。研究小组认为，在电渗析膜中加入微小的苯丙氨酸分子，可能会使电渗析过程中更容易从水中分离出正离子。
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的溶液中，冲洗掉膜，然后将它浸入带负电的溶液中。Percival说，因为溶液带有相反的电荷，所以它们可以自我组装成膜的两面的涂层。Percival是这个项目的博士后研究员。
他在有和没有苯丙氨酸的情况下做了这个实验，以测试添加氨基酸对膜的影响。
每个双溶液循环都添加了一层非常薄的膜，可以捕获正离子。在这个项目中，Percival主要制造五到十层双层膜厚的薄膜。一层有或没有苯丙氨酸的五层薄膜涂层比人的头发薄约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，因为更厚的膜需要更多的电来拉离子通过。
“我们发现，只需在浸液中加入苯丙氨酸，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比氯离子的选择性。”
具体来说，他们发现含有苯丙氨酸的五层薄膜与不含苯丙氨酸的十层薄膜具有相似的选择性，但没有与较厚涂层相关的电阻增加。Percival说，这意味着苯丙氨酸薄膜可以有效地净化水，同时使用更少的电力，从而提高效率。然而，氨基酸只是混合在溶液中，所以研究小组不知道它是否以完全相同的方式与正钠离子相互作用，就像Rempe模拟的生物蛋白一样。
“这个项目的生物灵感，与不同学科的专家合作，指导本科生实习生，这是我最引以为傲的论文之一，”珀西瓦尔说。“论文的发现也非常重要。我们能够证明，离子选择性可以在不依赖膜电阻的情况下提高，这是非常有利的。”
伙伴关系和前进道路
桑迪亚团队还与德克萨斯大学埃尔帕索分校的土木工程教授肖恩·沃克(Shane Walker)合作，进一步测试这种薄膜。Walker和他的团队在一个复杂的实验室电渗析系统中比较了桑迪亚的电渗析膜和商用膜。他们研究了一系列参数，包括盐度降低、耗电量和水渗透性。
“我们的UT El Paso合作伙伴在真实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。我们的薄膜做得很好。”
沃克的团队发现，桑迪亚的生物激发膜与商用电渗析膜具有竞争力。具体来说，桑迪亚薄膜的电流密度高于平均水平。水的渗透性高于平均水平，这与水从咸水输入到淡水的运动有关。Sandia的薄膜在运行一小时后的盐度降低略低于平均水平，并且比大多数测试的6对薄膜消耗更多的电力。
这些研究结果发表在3月19日的科学杂志《膜》上。在这篇论文中，研究人员得出结论，尽管桑迪亚的生物激发膜与商业膜具有竞争力，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，可以分离出特定的有经济价值的离子，比如稀土金属离子。稀土金属被用于汽车催化转换器、强力磁铁、可充电电池和手机，而且大多在中国开采。
“该项目的下一步自然是利用生物学，再次作为设计薄膜的灵感，可以专门移动稀土离子穿过薄膜，”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质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发项目资助，通道视紫红质研究是在综合纳米技术中心进行的。
来源:https://www.sandia.gov/