Los científicos de CSU revelan información clave sobre la tecnología de purificación de agua

por Anne Manning

La izquierda representa una membrana omnifóbica y la derecha representa una membrana hidrofóbica convencional con áreas interfaciales de agua y aire aumentadas (líneas verdes). Crédito: laboratorio Kota

Dado que la escasez de agua es un desafío crítico en todo el mundo, los científicos e ingenieros están buscando nuevas formas de recolectar agua purificada de fuentes no convencionales, como agua de mar o incluso aguas residuales.

Uno de esos investigadores es Tiezheng Tong, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, cuyo laboratorio está estudiando una tecnología emergente llamada destilación por membrana.

La destilación por membrana involucra una membrana delgada que repele el agua que aprovecha las diferencias de presión de vapor entre el líquido impuro más caliente, llamado "agua de alimentación", y el agua purificada más fría, llamada "permeado". Durante el proceso, el vapor de agua atraviesa la membrana y se separa del agua de alimentación salada o sucia. Según Tong, la destilación por membrana funciona mejor que otras tecnologías como la ósmosis inversa, que no puede tratar agua extremadamente salada como las salmueras de desalinización o el agua producida por la fracturación hidráulica.

Si bien es prometedor, la destilación por membrana no funciona a la perfección. Un desafío clave es diseñar membranas para purificar el agua de manera eficiente y garantizar que el agua limpia no se contamine.

Tong y el científico de materiales Arun Kota en el Departamento de Ingeniería Mecánica unieron fuerzas para llegar a la ciencia fundamental detrás del diseño de esa membrana perfecta. En los nuevos experimentos que describen en Nature Communications, los ingenieros de CSU ofrecen nueva información sobre por qué ciertos diseños de membrana utilizados en la destilación por membrana funcionan mejor que otros.

"El conocimiento fundamental de nuestro artículo mejora la comprensión mecánica del transporte de vapor de agua dentro de sustratos microporosos y tiene el potencial de guiar el diseño futuro de membranas utilizadas en la destilación de membranas", dijo Tong.

En la destilación por membrana, el agua de alimentación se calienta, separando los componentes puros e impuros por diferencias de volatilidad. La membrana microporosa es un componente clave de la configuración porque permite el paso del vapor de agua, pero no de todo el líquido impuro. Por lo general, la membrana está hecha de un material "hidrofóbico" o repelente al agua para permitir que solo pase el vapor de agua, pero manteniendo una barrera para el agua de alimentación.

Sin embargo, estas membranas hidrófobas pueden fallar porque el agua de alimentación, como el agua producida por el petróleo de esquisto, puede tener una tensión superficial baja. Esta baja tensión superficial permite que el agua de alimentación se filtre a través de los poros de la membrana, contaminando el agua pura del otro lado, un fenómeno llamado humectación de la membrana.

Investigaciones anteriores habían revelado que el uso de membranas "omnifóbicas", membranas que repelen todos los líquidos, incluidos el agua y los líquidos de baja tensión superficial, mantienen intacta la separación vapor/agua. Sin embargo, las membranas omnifóbicas generalmente reducen la velocidad y la cantidad de vapor de agua que pasa a través de la membrana, lo que reduce drásticamente la eficiencia de todo el proceso.

Los investigadores de la CSU se propusieron descubrir por qué existe esta compensación entre membranas hidrófobas y omnifóbicas. A través de experimentos sistemáticos en el laboratorio dirigidos por los investigadores postdoctorales Wei Wang en el laboratorio de Kota y el estudiante graduado de Tong, Xuewei Du, descubrieron que las membranas hidrofóbicas convencionales crean un área interfacial líquido-vapor más grande. Esto aumenta la cantidad de evaporación que tiene lugar. Con las membranas omnifóbicas, vieron una interfaz líquido-vapor mucho más pequeña. Esto explica la diferencia entre los rendimientos de las membranas.

Las membranas omnifóbicas utilizadas en los experimentos se fabricaron sin depositar partículas adicionales. Por lo tanto, los investigadores pudieron determinar que sus observaciones no eran el resultado de cambios estructurales en las membranas.

Vista transversal de una membrana hidrófoba convencional utilizada en la destilación por membrana. El azul representa el agua. Crédito: laboratorios Tong y Kota

Si bien no ofrecieron una solución a la compensación, sus ideas revelan el desafío central en torno a hacer que la destilación por membrana sea una tecnología exitosa. "Si comprende el problema a fondo, entonces hay margen para resolverlo", dijo Kota. "Hemos identificado el mecanismo; ahora tenemos que resolver el problema de la compensación".

Por ejemplo, las membranas inteligentes con una omnifobia excepcional y, al mismo tiempo, una gran área interfacial de líquido-vapor pueden convertir la destilación por membrana en un proceso sólido y rentable para la purificación del agua. El equipo ha iniciado una investigación más colaborativa para diseñar tales membranas inteligentes, con el objetivo de aumentar la eficiencia de la destilación por membrana.

Tong agregó que la investigación ocurrió en la interfaz de dos disciplinas: ciencia de superficies y tecnología de membranas.

"Arun y yo utilizamos nuestra experiencia complementaria para realizar este trabajo de manera sistemática", dijo Tong. "Es un ejemplo de buena colaboración interdisciplinaria en todo el campus".

Los estudiantes graduados Hamed Vahabi en ingeniería mecánica y Yiming Yin en ingeniería civil y ambiental también contribuyeron a este trabajo.

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