Por primera vez, un equipo de investigadores de la Universidad Stony Brook y el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE han revelado la estructura molecular de las membranas utilizadas en la ósmosis inversa. La investigación se informó en un artículo publicado recientemente en letras macro de ACS , una revista de la American Chemical Society ACS.
La ósmosis inversa es el método principal para convertir agua salobre o agua de mar en agua potable o potable, y se usa para producir alrededor de 25,000 millones de galones de agua dulce al día en todo el mundo según la Asociación Internacional del Agua.
"La mayor parte del agua de la tierra está en los océanos y solo el tres por ciento es agua dulce, por lo que la purificación del agua es una herramienta esencial para satisfacer la creciente demanda de agua potable", dijo el científico principal de Brookhaven Lab, Benjamin Ocko. "La ósmosis inversa no esuna nueva tecnología; sin embargo, la estructura molecular de muchas de las películas de polímero muy delgadas que sirven como la capa de barrera en las membranas de ósmosis inversa, a pesar de su importancia, no se conocía previamente ".
La delgada capa de barrera de polímero utilizada en la membrana de ósmosis inversa es semipermeable. Las moléculas pequeñas como el agua pueden cruzar de un lado de la membrana al otro, pero otras moléculas, como los iones de sodio o cloruro hidratados, no pueden cruzar la capa de barrera.Esta característica es lo que permite que estas membranas filtren la sal de la solución salina para producir agua potable. Durante un proceso comercial de ósmosis inversa, el agua salada se presuriza para forzar el agua dulce a través de la membrana.
Dado que el agua de mar tiene que ser presionada a través de la membrana, el consumo de energía de las instalaciones de ósmosis inversa es alto. Para producir 100 galones de agua dulce con ósmosis inversa, el costo de la energía es de aproximadamente un kilovatio-hora, el equivalente a correr 100-vatios bombilla durante 10 horas.
"Incluso las pequeñas mejoras en el rendimiento de las membranas de filtración resultarían en un gran ahorro de energía y costos a nivel mundial", dijo Benjamin S. Hsiao, profesor distinguido de la Universidad Stony Brook. "Por lo tanto, estamos analizando las membranas a nivel molecular".Queremos descubrir cómo la estructura molecular contribuye a las membranas altamente eficientes y utilizar este conocimiento para diseñar membranas mejoradas ".
Para estas mediciones, el equipo hizo una película de polímero delgada bien definida en la interfaz aceite / agua usando un método llamado polimerización interfacial, que es similar al proceso industrial. Como un epoxi de dos partes, uno de los componentes moleculares esse agrega al agua y el otro se agrega al aceite.En la interfaz, donde el agua y el aceite se tocan, como la interfaz entre el aceite y el vinagre en el aderezo para ensaladas, los dos componentes moleculares reaccionan entre sí y crean el muy delgadopelícula de polímero.
"La película delgada resultante tiene solo una milésima parte del grosor de un cabello humano. También es estructuralmente similar a la capa delgada de barrera en las membranas comerciales de ósmosis inversa, pero es mucho más lisa", dijo Francisco Medellín-Rodríguez, profesoren la Universidad Autónoma de San Luis Potosí en México. "Para estudiar estas películas delgadas, necesitamos rayos X ultrabrillantes, así como herramientas analíticas y de simulación avanzadas".
Al usar rayos X ultrabrillantes de la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II NSLS-II, una Instalación de Usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en Brookhaven, los investigadores están comenzando a desentrañar la relación entre la estructura molecular de las membranas y su efectividad.
Según Qinyi Fu, un estudiante graduado de la Universidad de Stony Brook y autor principal del estudio, "para resolver la estructura molecular de las membranas, el equipo estudió los patrones de dispersión de los rayos X utilizando una técnica llamada incidencia de pastoreo amplia-dispersión de rayos X en ángulo en las líneas de haz de dispersión de materiales complejos CMS e interfaces de materia blanda SMI de NSLS-II ".
En esta técnica, los rayos X golpean la membrana en un ligero ángulo y se dispersan de la superficie. Luego son capturados por un detector que registra el llamado patrón de dispersión de los rayos X que es específico de la membrana molecularestructura.
"En el patrón de dispersión, podemos identificar motivos de empaquetamiento molecular: cómo se ordenan las moléculas vecinas en el polímero entre sí. Una es el motivo paralelo y el segundo es el motivo perpendicular", dijo Ocko ".Si bien ambos motivos de empaque están presentes, el motivo de empaque perpendicular se correlaciona mejor con las propiedades óptimas de filtración ".
Hsiao agregó: "Nuestros hallazgos también muestran que la estructura molecular está orientada preferentemente con respecto a la superficie de la membrana. Esto es bastante intrigante y puede estar relacionado con la orientación de las vías de agua en la membrana".
Más recientemente, el equipo ha comenzado a estudiar las membranas de ósmosis inversa que se fabrican para sistemas comerciales de purificación de agua. Los productos químicos utilizados para preparar estas membranas son los mismos que se utilizaron para hacer películas de membrana en las interfaces de aceite / agua.
"Los procesos comerciales están protegidos por secretos comerciales corporativos y no se conocen las condiciones precisas de fabricación", dijo Ocko. "A pesar de esto, nuestros hallazgos muestran que las membranas comerciales exhiben propiedades estructurales similares a las membranas modelo preparadas en nuestro laboratorio en el petróleo/ interfaz de agua, incluidos los motivos paralelos y perpendiculares y la orientación molecular preferencial "
Al estudiar muchos materiales de membrana y comparar sus propiedades estructurales determinadas por rayos X con sus características de filtración, los científicos esperan desarrollar una relación estructura-función detallada.
"Esperamos que esto ayude al desarrollo de membranas más eficientes energéticamente para las futuras generaciones de sistemas de filtración de agua", dijo Hsiao.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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