En su núcleo, las membranas de filtración son materiales en forma de esponja que tienen poros pequeños micro o nanoescópicamente. El laberinto de malla bloquea físicamente productos químicos no deseados, bacterias e incluso virus, pero líquidos como el agua pueden atravesarlo.
El estándar actual para hacer estos filtros es relativamente sencillo, pero no permite mucho en cuanto a darles funcionalidad adicional. Esta es una necesidad particular cuando se trata de "bioincrustación". El material biológico que se supone que deben filtrarfuera, incluidas las bacterias y los virus, se atasca en la superficie de la malla y bloquea los poros con un residuo viscoso.
Más allá de reducir el flujo, tales biopelículas pueden contaminar potencialmente cualquier líquido que llegue al otro lado del filtro.
Los investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania tienen una nueva forma de fabricar membranas que podrían abordar este problema. Su método les permite agregar una serie de nuevas habilidades a través de nanopartículas funcionales que se adhieren a la superficie de la malla.
Han demostrado este nuevo proceso con membranas que bloquean los contaminantes del tamaño de bacterias y virus sin que se peguen, una propiedad que aumentaría enormemente la eficiencia y la vida útil del filtro.
Las membranas "antiincrustantes" que han probado serían de utilidad inmediata en aplicaciones relativamente simples, como el filtrado de agua potable, y eventualmente podrían usarse en los compuestos aceitosos que se encuentran en el fracking de aguas residuales y otros contaminantes pesados.
El método de los investigadores, descrito en un artículo publicado recientemente en la revista Comunicaciones de la naturaleza permite membranas hechas de una amplia gama de polímeros y nanopartículas. Más allá de las capacidades antiincrustantes, las nanopartículas futuras podrían catalizar reacciones con los contaminantes, destruirlos o incluso convertirlos en algo útil.
El estudio fue dirigido por Daeyeon Lee, profesor del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de Penn Engineering, y Kathleen Stebe, Decana Adjunta de Investigación de Penn Engineering y Richer & Elizabeth Goodwin Profesora de Ingeniería Química y Biomolecular, junto con Martin F. Haase, profesor asistente en la Universidad de Rowan que desarrolló la tecnología como investigador postdoctoral en los laboratorios de Stebe y Lee. Harim Jeon, Noah Hough y Jong Hak Kim también contribuyeron al estudio.
El nuevo método de fabricación de membranas de los investigadores se basa en un tipo especializado de mezcla líquida conocida como "gel de emulsión bicontinua y atascada interfacialmente" o "bijel". A diferencia de las emulsiones que consisten en gotas aisladas, tanto las fases oleosas como las de agua de las bijelsconsisten en redes densamente entrelazadas pero totalmente conectadas. Las nanopartículas introducidas en la emulsión encuentran su camino hacia la interfaz entre las redes de petróleo y agua.
Lee, Stebe y Haase idearon previamente una nueva forma de hacer bijels que permite una mayor gama de materiales componentes, que describieron en un documento de Materiales Avanzados de 2015. Ahora, han mostrado una manera de hacer un filtro sólido usando el mismométodo.
"Sabíamos que esta tecnología era prometedora", dijo Stebe. "Parte de esa promesa ahora se está haciendo realidad".
Al igual que con sus bijels anteriores, este filtro comienza como una red entrelazada de agua y aceite, con una densa capa de nanopartículas que las separa a las dos. Pero al usar un aceite que se puede polimerizar con luz ultravioleta - reticulando moléculas individuales que flotan librementeen una malla sólida en 3D: los investigadores ahora pueden solidificar la estructura de la bisel.
Críticamente, este método deja la capa densa de nanopartículas en su lugar en la superficie del polímero después de que el agua haya sido expulsada. Las formas convencionales de hacer membranas de polímeros no permiten esto.
"Los polímeros generalmente odian las partículas y las expulsarán, pero las interfaces aman las partículas y las atraparán", dijo Stebe. "La densidad de las nanopartículas en la superficie de nuestros polímeros es a través del techo. Están atascadas como arena en un castillo de arena"."
Los investigadores impregnaron sus filtros con nanopartículas de sílice y los transformaron en tubos con forma de paja. Las nanopartículas de sílice pueden modificarse con una amplia gama de productos químicos con diferentes funcionalidades, incluida la propiedad antiincrustante que los investigadores probaron. Demostraron tanto su filtración como antiincrustantecapacidades en agua que contiene nanopartículas de oro de varios tamaños.
"En nuestro experimento, pudimos filtrar nanopartículas de oro muy pequeñas, en tamaños equivalentes a los virus", dijo Lee. "La forma del tubo también funciona bien en la implementación a gran escala de estas membranas de filtro. Debido a que tienen una superficie grande-relaciones de área a volumen y no se obstruyen, podemos extraer el líquido de los lados y aspirarlo desde el extremo, lo que permite una filtración continua ".
"Las membranas son típicamente materiales pasivos que no adaptan sus propiedades cuando cambian las condiciones ambientales", dijo Haase. "Un aspecto interesante de nuestras membranas es que se puede hacer que abran y cierren sus poros en respuesta a una señal química".La característica única permite que la membrana tenga una permeabilidad controlable, que es útil para la separación de diferentes tipos de contaminantes del agua ".
Lee también es co-investigador principal en REACT de Penn Engineering, o Investigación y Educación en Tecnologías de Recubrimientos Activos para hábitat humano. Este programa multidisciplinario tiene como objetivo mejorar los refugios utilizados en el socorro en casos de desastre, y como tal, Lee ha interactuado con los servicios de emergenciay proveedores de equipos, como ShelterBox.
"Cuando hablamos con la gente en ShelterBox, dijeron que más que una tienda de campaña, lo que la gente necesita es agua limpia", dijo Lee. "REACT podría hacer que estos filtros formen parte de un sistema que hace ambas cosas".
Con varias crisis de refugiados en curso en todo el mundo y millones aún sin agua potable después del huracán María en Puerto Rico, la importancia de este desarrollo no se pierde para los investigadores.
"Realmente hay personas en este momento que necesitan tanto este tipo de tecnología", dijo Stebe.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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