Un estudio realizado en el Politecnico di Torino Italia en estrecha colaboración con el Instituto de Tecnología de Massachusetts EE. UU. Y publicado por Comunicaciones de la naturaleza la revista muestra una forma innovadora de mejorar el rendimiento de las membranas de desalinización. En el futuro, las membranas para ósmosis inversa fabricadas con estos nuevos criterios podrían desalinizar el agua de mar con costos significativamente reducidos
Desalinizar agua de mar a costos reducidos: este es el ambicioso objetivo del estudio de un equipo de ingenieros del Departamento de Energía del Politecnico di Torino Torino, Italia, en colaboración con el Instituto de Tecnología de Massachusetts-MIT Cambridge,EE. UU. Y la Universidad de Minnesota Minneapolis, EE. UU.. Comunicaciones de la naturaleza ha publicado recientemente los resultados de esta investigación, abriendo así un nuevo camino en el desarrollo de tecnologías para procesos de desalinización basados en membranas, que podrían proporcionar soluciones innovadoras para el problema actual de escasez de agua en varios países.
El agua de mar puede desalinizarse y hacerse potable por medio de una membrana, a saber, un "tamiz" capaz de separar las moléculas de agua de los iones de sal disueltos. La energía requerida en este proceso de separación puede ser proporcionada por fuentes de calor, campo electromagnético o presión hidráulica.En particular, la investigación presentada por las instituciones italianas y estadounidenses se ha centrado en el proceso de desalinización por ósmosis inversa, que se basa en la capacidad de algunos materiales porosos, bajo presiones mayores que la osmótica, de ser permeados solo por moléculas de agua., mientras rechaza los iones de sal.
Este proceso puede describirse mejor como una serie de vehículos haciendo cola en las casetas de peaje para ingresar a la autopista. "Suponga que las motocicletas son moléculas de agua mientras que los automóviles son iones de sal disueltos, y que ambos están pacientemente en línea en la caseta de peaje", investigadores dePolitecnico ilustra: "Ahora, imaginemos que la apertura de la cabina de peaje tiene solo un metro de ancho: las motocicletas podrían superar fácilmente la barrera y así ingresar a la carretera, mientras que los automóviles se verían obligados a revertir el curso. De manera similar, las membranas para ósmosis inversapermiten el transporte de moléculas de agua, al tiempo que bloquean las sales disueltas. Por lo tanto, las membranas eficientes se caracterizan por grandes velocidades de transporte de agua con energía de entrada fija y superficie efectiva, es decir, alta permeabilidad ".
Sin embargo, los investigadores del Politecnico di Torino, el MIT y la Universidad de Minnesota han dado un paso más, al poder comprender por primera vez los mecanismos que regulan el transporte de agua de un lado agua salada al otro agua dulceagua de la membrana. De hecho, el laboratorio de investigación del MIT ha medido experimentalmente el coeficiente de difusión del agua permeada, es decir, la movilidad de las moléculas de agua al cruzar la membrana. Estas membranas están hechas de zeolita, que es un material caracterizado por unDensa y ordenada red de poros con diámetro de subnanómetro menos de una billonésima parte del metro. Sin embargo, el coeficiente de difusión experimental del agua parece ser casi un millón de veces menor que el esperado por simulaciones y análisis teóricos, medidos porinvestigadores del Politecnico di Torino: un rompecabezas que requirió más de dos años de actividades entre Torino y Boston, gracias al programa de investigación colaborativa MITORd por Compagnia di San Paolo.
Luego, los investigadores explican que: "Si bien los estudios anteriores se centraron principalmente en el proceso de transporte dentro de la membrana, hemos centrado la atención en lo que estaba sucediendo en la superficie, donde se podía encontrar la solución al rompecabezas". De hecho, elEl transporte de agua a través de la membrana se rige por una serie de dos fenómenos: primero, las moléculas de agua tienen que encontrar un poro abierto resistencia de la superficie al transporte; luego, pueden entrar y difundirse dentro de la membrana resistencia volumétrica al transporte, eventualmente con fugasdesde el otro lado de la membrana ". Volver al símil anterior, agregar más carriles de autopista puede revelar como una estrategia insuficiente para acelerar el viaje de los motociclistas a través de la autopista. De hecho, también debemos asegurarnos de que haya un número suficiente deEl peaje está disponible para evitar atascos en la entrada y salida de la autopista ", dicen los investigadores.
Los científicos han demostrado que la diferencia de órdenes de magnitud entre los valores teóricos y experimentales de la permeabilidad de la membrana se debe a la resistencia al transporte de agua que muestra la superficie de las membranas. Esta resistencia se deriva de las técnicas de fabricación actuales de las membranas de zeolita,que provocan el cierre de más del 99.9% de las bocas de poro disponibles. En otras palabras, las moléculas de agua pueden penetrar a través de una fracción mínima uno por mil de aberturas de poros superficiales: esto provoca un efecto de cuello de botella, lo que ralentiza el transporte general de aguaa través de la membrana y, por lo tanto, reduce drásticamente la permeabilidad de la membrana.Después de más de dos años dedicados a simulaciones y experimentos por computadora, Matteo Fasano, Alessio Bevilacqua, Eliodoro Chiavazzo, Pietro Asinari Laboratorio de modelado multiescala, Departamento de Energía del Politecnico di Torino,Thomas Humplik, Evelyn Wang Device Research Laboratory, MIT y Michael Tsapatsis Tsapatsis Research Group, Universidad de Minnesota han presentado este mecanismo y han propuesto un modelo físico preciso del proceso general de permeación de agua.
Estos hallazgos indican claramente que las membranas de desalinización de próxima generación con un rendimiento mejorado pueden lograrse mediante técnicas de fabricación que permitan reducir las resistencias superficiales al transporte, es decir, abrir una fracción mayor de poros superficiales. Los investigadores estiman que las membranas fabricadas siguiendo estos criterios tienenpotencial para lograr una permeabilidad 10 veces mayor que las actuales, reduciendo así los costos operativos en los procesos de desalinización. Esta nueva comprensión de los fenómenos de transporte de superficie y volumétricos también abre nuevos caminos en otras aplicaciones en las que se utilizan materiales nanoporosos: desde tecnologías para energía sostenible paraejemplo, almacenamiento térmico para la eliminación de contaminantes del agua por ejemplo, tamices moleculares, hasta nanomedicina por ejemplo, suministro de medicamentos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Politécnico de Turín . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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