Puoi realizzare filtri per l'anidride carbonica con un 3D

Università statale della Carolina del Nord

In un nuovo studio, i ricercatori della North Carolina State University hanno dimostrato che è possibile realizzare filtri per la cattura dell’anidride carbonica utilizzando la stampa 3D. Nello specifico, hanno stampato un materiale idrogel che può contenere anidrasi carbonica, un enzima che accelera una reazione che trasforma l’anidride carbonica e l’acqua in bicarbonato.

I risultati, pubblicati sulla rivista Gels, suggeriscono che la stampa 3D potrebbe essere un metodo più veloce e versatile per realizzare progetti di filtri.

“Questo processo di produzione, che utilizza la stampa 3D, rende tutto più veloce e più preciso”, ha affermato l’autore principale dello studio Jialong Shen, assistente professore di ricerca di ingegneria tessile, chimica e scienza presso NC State. "Se hai accesso a una stampante e alle materie prime, puoi realizzare questo materiale funzionale."

Nello studio, i ricercatori del Wilson College of Textiles dello stato della Carolina del Nord hanno mescolato una soluzione contenente due diversi composti organici – o “inchiostro” da stampa – e un enzima chiamato anidrasi carbonica. I ricercatori hanno quindi stampato i filamenti filiformi dell’idrogel in una griglia bidimensionale solidificando la soluzione con luce UV mentre veniva stampata.

“Abbiamo formulato l’idrogel in un modo che fosse meccanicamente abbastanza resistente da poter essere stampato in 3D e anche estruso in un filamento continuo”, ha affermato Shen. "L'ispirazione dietro il nostro progetto sono state le nostre cellule, che hanno enzimi racchiusi in spazi compartimentati, riempiti con un fluido. Questo tipo di ambiente è utile per aiutare gli enzimi a fare il loro lavoro."

I ricercatori hanno testato le proprietà del materiale per capire quanto bene si piegherebbe e si torcerebbe, e hanno studiato le prestazioni di cattura del carbonio del filtro. In un esperimento su piccola scala, hanno scoperto che il filtro catturava il 24% dell’anidride carbonica in una miscela di gas. Sebbene la velocità di cattura sia inferiore a quella ottenuta nei progetti precedenti, il filtro aveva un diametro inferiore a 2 centimetri e poteva essere reso più grande e in diverse forme modulari per impilarli in un'alta colonna. . Ciò potrebbe aumentare l’efficienza di cattura, hanno detto i ricercatori.

"Per ottenere una velocità di acquisizione più elevata, dovremmo ingrandire il diametro del filtro o impilare più filtri uno sopra l'altro", ha affermato Shen. "Non pensiamo che sia un problema; questo è stato un test iniziale su piccola scala per facilitare i test."

I ricercatori hanno anche testato la durabilità del materiale di filtrazione e hanno scoperto che conservava il 52% delle prestazioni iniziali di cattura del carbonio dopo più di 1.000 ore.

"Questo lavoro è ancora in fase iniziale, ma i nostri risultati suggeriscono che ci sono nuovi modi per produrre materiali per i dispositivi di cattura del carbonio", ha affermato Sonja Salmon, co-autrice dello studio, professore associato di ingegneria tessile, chimica e scienza presso NC State. "Stiamo offrendo speranza per la cattura del carbonio."

Lo studio, "Filamenti flessibili idrogel estrusi PEG-DA/PEO reticolati UV potenziati dall'anidrasi carbonica e griglie durevoli per la cattura di CO₂", è stato pubblicato online su Gels. I coautori includevano Sen Zhang e Xiaomeng Fang. Il finanziamento è stato fornito dalla North Carolina State University, dalla Novo Nordisk Foundation e dall'Alliance for Sustainable Energy, LLC, appaltatore gestionale e operativo del Laboratorio nazionale per le energie rinnovabili del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

-oleniacz-

Nota per gli editori:Di seguito l'abstract dello studio.

Filamenti flessibili di idrogel estruso PEG-DA/PEO reticolato UV potenziato con anidrasi carbonica e griglie durevoli per la cattura di CO₂

Autori: Jialong Shen, Sen Zhang, Xiaomeng Fang e Sonja Salmon

Pubblicato: 16 aprile 2023, Gel

DOI:10.3390/gels9040341

Astratto: In questo studio, gli idrogel di rete polimerica interpenetranti di poli (etilene glicole) diacrilato/poli (ossido di etilene) (PEG-DA/PEO) (IPNH) sono stati estrusi in filamenti 1D e griglie 2D. È stata convalidata l'idoneità di questo sistema per l'immobilizzazione degli enzimi e l'applicazione della cattura di CO2. La composizione chimica dell'IPNH è stata verificata spettroscopicamente utilizzando FTIR. Il filamento estruso aveva una resistenza media a trazione di 6,5 MPa ed un allungamento a rottura dell'80%. Il filamento IPNH può essere attorcigliato e piegato e quindi è adatto per l'ulteriore lavorazione utilizzando metodi di fabbricazione tessile convenzionali. Il recupero dell'attività iniziale dell'anidrasi carbonica (CA) intrappolata, calcolato dall'attività dell'esterasi, ha mostrato una diminuzione con l'aumento della dose di enzima, mentre la ritenzione dell'attività dei campioni con dose elevata di enzima è stata superiore all'87% dopo 150 giorni di lavaggi e test ripetuti. Le griglie 2D IPNH che sono state assemblate in imballaggi strutturati con rulli a spirale hanno mostrato una maggiore efficienza di cattura della CO2 con l'aumento della dose di enzimi. Le prestazioni di cattura di CO2 a lungo termine dell'impaccamento strutturato IPNH immobilizzato con CA sono state testate in un esperimento di ricircolo continuo di solvente per 1032 ore, dove sono stati mantenuti il ​​52% delle prestazioni di cattura di CO2 iniziale e il 34% del contributo enzimatico. Questi risultati dimostrano la fattibilità dell'utilizzo della reticolazione UV rapida per formare idrogel immobilizzati da enzimi mediante un processo di estrusione geometricamente controllabile che utilizza polimeri lineari analoghi sia per il miglioramento della viscosità che per scopi di entanglement della catena, e raggiunge un'elevata ritenzione di attività e stabilità delle prestazioni della CA immobilizzata . I potenziali usi di questo sistema si estendono agli inchiostri per stampa 3D e alle matrici di immobilizzazione enzimatica per applicazioni diverse come reattori biocatalitici e fabbricazione di biosensori.