Você pode fazer filtros de dióxido de carbono com um 3D

Universidade Estadual da Carolina do Norte

Em um novo estudo, pesquisadores da North Carolina State University demonstraram que é possível fazer filtros de captura de dióxido de carbono usando impressão 3D. Especificamente, eles imprimiram um material de hidrogel que pode conter anidrase carbônica, uma enzima que acelera uma reação que transforma dióxido de carbono e água em bicarbonato.

As descobertas, publicadas na revista Gels, sugerem que a impressão 3D pode ser um método mais rápido e versátil de fazer designs de filtros.

“Esse processo de fabricação, usando impressão 3D, torna tudo mais rápido e preciso”, disse o principal autor do estudo, Jialong Shen, professor assistente de pesquisa de engenharia têxtil, química e ciência na Carolina do Norte. "Se você tiver acesso a uma impressora e às matérias-primas, poderá fazer esse material funcional."

No estudo, pesquisadores do NC State Wilson College of Textiles misturaram uma solução contendo dois compostos orgânicos diferentes – ou a “tinta” de impressão – e uma enzima chamada anidrase carbônica. Os pesquisadores então imprimiram filamentos semelhantes a fios do hidrogel em uma grade bidimensional enquanto solidificavam a solução com luz ultravioleta à medida que era impressa.

“Formulamos o hidrogel de uma maneira que seria mecanicamente forte o suficiente para ser impresso em 3D e também extrudado em um filamento contínuo”, disse Shen. "A inspiração por trás do nosso projeto foram nossas próprias células, que possuem enzimas empacotadas em espaços compartimentados, preenchidos com um fluido. Esse tipo de ambiente é bom para ajudar as enzimas a fazer seu trabalho."

Os pesquisadores testaram as propriedades do material para entender o quão bem ele dobraria e torceria, e investigaram o desempenho de captura de carbono do filtro. Em um experimento em pequena escala, eles descobriram que o filtro capturou 24% do dióxido de carbono em uma mistura de gases. Embora a taxa de captura seja menor do que a obtida em projetos anteriores, o filtro tinha menos de uma polegada (2 centímetros) de diâmetro e poderia ser maior e em diferentes formas modulares para empilhá-los em uma coluna alta. . Isso poderia aumentar a eficiência de captura, disseram os pesquisadores.

"Para obter uma taxa de captura mais alta, precisaríamos aumentar o diâmetro do filtro ou empilhar mais filtros uns sobre os outros", disse Shen. “Não achamos que isso seja um problema; este foi um teste inicial em pequena escala para facilitar o teste”.

Os pesquisadores também testaram a durabilidade da filtragem do material e descobriram que ele manteve 52% de seu desempenho inicial de captura de carbono após mais de 1.000 horas.

“Este trabalho ainda está em estágio inicial, mas nossas descobertas sugerem que há novas maneiras de fabricar materiais para dispositivos de captura de carbono”, disse a coautora do estudo, Sonja Salmon, professora associada de engenharia têxtil, química e ciência na Carolina do Norte. "Estamos oferecendo esperança para a captura de carbono."

O estudo, "Carbonic Anhydrase Enhanced UV-Crosslinked PEG-DA/PEO Extruded Hydrogel Flexible Filaments and Durable Grids for CO₂ Capture", foi publicado online na revista Gels. Os co-autores incluíram Sen Zhang e Xiaomeng Fang. O financiamento foi fornecido pela Universidade Estadual da Carolina do Norte, a Fundação Novo Nordisk e a Alliance for Sustainable Energy, LLC, contratante de gerenciamento e operação do Laboratório Nacional de Energia Renovável do Departamento de Energia dos EUA.

-oleniacz-

Nota aos editores:Segue o resumo do estudo.

Filamentos flexíveis de hidrogel extrudado de PEG-DA/PEO com reticulação UV aprimorada com anidrase carbônica e grades duráveis ​​para captura de CO ₂

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

Publicado: 16 de abril de 2023, Géis

DOI:10.3390/gels9040341

Abstrato: Neste estudo, poli(etileno glicol) diacrilato/poli (óxido de etileno) (PEG-DA/PEO) hidrogéis interpenetrantes de rede de polímeros (IPNH) foram extrudados em filamentos 1D e grades 2D. A adequação deste sistema para aplicação de imobilização de enzimas e captura de CO2 foi validada. A composição química do IPNH foi verificada espectroscopicamente usando FTIR. O filamento extrudado tinha resistência à tração média de 6,5 MPa e alongamento na ruptura de 80%. O filamento IPNH pode ser torcido e dobrado e, portanto, é adequado para processamento adicional usando métodos convencionais de fabricação têxtil. A recuperação da atividade inicial da anidrase carbônica (CA) aprisionada, calculada a partir da atividade da esterase, mostrou uma diminuição com o aumento da dose da enzima, enquanto a retenção da atividade das amostras com altas doses de enzima foi superior a 87% após 150 dias de lavagens e testes repetidos. As grades IPNH 2D que foram montadas em embalagens estruturadas em rolo espiral exibiram maior eficiência de captura de CO2 com o aumento da dose de enzima. O desempenho de captura de CO2 a longo prazo do empacotamento estruturado de IPNH imobilizado por CA foi testado em um experimento contínuo de recirculação de solvente por 1032 h, onde 52% do desempenho inicial de captura de CO2 e 34% da contribuição da enzima foram retidos. Esses resultados demonstram a viabilidade do uso de reticulação ultravioleta rápida para formar hidrogéis imobilizados por enzimas por um processo de extrusão geometricamente controlável que usa polímeros lineares análogos para aumento da viscosidade e propósitos de emaranhamento de cadeia e alcança alta retenção de atividade e estabilidade de desempenho do CA imobilizado . Os usos potenciais para este sistema se estendem a tintas de impressão 3D e matrizes de imobilização de enzimas para diversas aplicações como reatores biocatalíticos e fabricação de biossensores.