Puedes hacer filtros de dióxido de carbono con un 3D

Universidad Estatal de Carolina del Norte

En un nuevo estudio, los investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte demostraron que es posible fabricar filtros de captura de dióxido de carbono mediante la impresión 3D. Específicamente, imprimieron un material de hidrogel que puede contener anhidrasa carbónica, una enzima que acelera una reacción que convierte el dióxido de carbono y el agua en bicarbonato.

Los hallazgos, publicados en la revista Gels, sugieren que la impresión 3D podría ser un método más rápido y versátil para hacer diseños de filtros.

"Este proceso de fabricación, que utiliza la impresión 3D, hace que todo sea más rápido y preciso", dijo el autor principal del estudio, Jialong Shen, profesor asistente de investigación de ingeniería textil, química y ciencia en NC State. "Si tiene acceso a una impresora y las materias primas, puede hacer este material funcional".

En el estudio, los investigadores del Wilson College of Textiles de NC State mezclaron una solución que contenía dos compuestos orgánicos diferentes, o la "tinta" de impresión, y una enzima llamada anhidrasa carbónica. Luego, los investigadores imprimieron filamentos similares a hilos del hidrogel en una cuadrícula bidimensional mientras solidificaban la solución con luz ultravioleta a medida que se imprimía.

"Formulamos el hidrogel de una manera que sería mecánicamente lo suficientemente fuerte como para ser impreso en 3D y también extruido en un filamento continuo", dijo Shen. "La inspiración detrás de nuestro diseño fueron nuestras propias células, que tienen enzimas empaquetadas en espacios compartimentados, llenos de un fluido. Ese tipo de entorno es bueno para ayudar a las enzimas a hacer su trabajo".

Los investigadores probaron las propiedades del material para comprender qué tan bien se doblaría y torcería, e investigaron el rendimiento de captura de carbono del filtro. En un experimento a pequeña escala, encontraron que el filtro capturaba el 24% del dióxido de carbono en una mezcla de gases. Si bien la tasa de captura es más baja que la que lograron en diseños anteriores, el filtro tenía menos de una pulgada (2 centímetros) de diámetro y podría hacerse más grande y en diferentes formas modulares para apilarlos en una columna alta. . Eso podría aumentar la eficiencia de captura, dijeron los investigadores.

"Para obtener una tasa de captura más alta, necesitaríamos hacer que el filtro tenga un diámetro más grande o apilar más filtros uno encima del otro", dijo Shen. "No creemos que eso sea un problema; esta fue una prueba inicial a pequeña escala para facilitar la prueba".

Los investigadores también probaron la durabilidad de la filtración del material y descubrieron que retenía el 52 % de su rendimiento inicial de captura de carbono después de más de 1000 horas.

"Este trabajo aún se encuentra en una etapa inicial, pero nuestros hallazgos sugieren que hay nuevas formas de fabricar materiales para dispositivos de captura de carbono", dijo la coautora del estudio, Sonja Salmon, profesora asociada de ingeniería textil, química y ciencia en NC State. "Estamos ofreciendo esperanza para la captura de carbono".

El estudio, "Filamentos flexibles de hidrogel extruido de PEG-DA/PEO reticulado por UV mejorado con anhidrasa carbónica y rejillas duraderas para la captura de CO₂", se publicó en línea en Gels. Los coautores incluyeron a Sen Zhang y Xiaomeng Fang. El financiamiento fue proporcionado por la Universidad Estatal de Carolina del Norte, la Fundación Novo Nordisk y Alliance for Sustainable Energy, LLC, contratista administrativo y operativo del Laboratorio Nacional de Energía Renovable del Departamento de Energía de EE. UU.

-oleniacz-

Nota para los editores:El resumen del estudio sigue.

Filamentos flexibles de hidrogel extruido PEG-DA/PEO reticulado por UV mejorado con anhidrasa carbónica y rejillas duraderas para la captura de CO ₂

Autores: Jialong Shen, Sen Zhang, Xiaomeng Fang y Sonja Salmon

Publicado: 16 de abril de 2023, Geles

DOI:10.3390/geles9040341

Abstracto: En este estudio, se extruyeron hidrogeles de red polimérica interpenetrante (IPNH) de diacrilato/poli (óxido de etileno) (PEG-DA/PEO) de poli (etilenglicol) en filamentos 1D y rejillas 2D. Se validó la idoneidad de este sistema para la aplicación de inmovilización de enzimas y captura de CO2. La composición química de IPNH se verificó espectroscópicamente usando FTIR. El filamento extruido tenía una resistencia a la tracción media de 6,5 MPa y un alargamiento a la rotura del 80%. El filamento IPNH se puede torcer y doblar y, por lo tanto, es adecuado para su posterior procesamiento utilizando métodos de fabricación textil convencionales. La recuperación de la actividad inicial de la anhidrasa carbónica (CA) atrapada, calculada a partir de la actividad de la esterasa, mostró una disminución con un aumento en la dosis de enzima, mientras que la retención de actividad de las muestras con dosis altas de enzima fue superior al 87 % después de 150 días de lavados y análisis repetidos. Las rejillas IPNH 2D que se ensamblaron en empaques estructurados en rollo en espiral exhibieron una mayor eficiencia de captura de CO2 con una dosis de enzima creciente. El rendimiento de captura de CO2 a largo plazo del relleno estructurado de IPNH inmovilizado con CA se probó en un experimento de recirculación de disolvente continuo durante 1032 h, donde se retuvo el 52 % del rendimiento inicial de captura de CO2 y el 34 % de la contribución de la enzima. Estos resultados demuestran la viabilidad de usar la reticulación ultravioleta rápida para formar hidrogeles inmovilizados con enzimas mediante un proceso de extrusión controlable geométricamente que usa polímeros lineales análogos tanto para mejorar la viscosidad como para enredar la cadena, y logra una alta retención de la actividad y estabilidad del rendimiento de la CA inmovilizada. . Los usos potenciales de este sistema se extienden a las tintas de impresión 3D y las matrices de inmovilización de enzimas para aplicaciones tan diversas como los reactores biocatalíticos y la fabricación de biosensores.

Geles

10.3390/geles9040341

Filamentos flexibles de hidrogel extruido PEG-DA/PEO reticulado UV mejorado con anhidrasa carbónica y rejillas duraderas para la captura de CO₂

16-abr-2023

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