Artículo de SURF: Mary O'Sullivan '23 y Huma Jafree '22 en busca de agua limpia

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En la sala 217 del Copley Science Center, los conductos trepan por la pared como la hiedra y el aire vibra con la corriente eléctrica. En el interior, dos estudiantes se inclinan hacia atrás desde una mesa de laboratorio repleta de tubos de PVC, vasos de precipitados de vidrio y lámparas de calor al rojo vivo para hablar de trabajo. El tema de su conversación es la destilación por membrana, un método de purificación de agua que ambos estudiantes investigaron este verano durante sus proyectos de becas de investigación de pregrado Schapiro (SURF).

"Agua salada adentro, agua dulce afuera", dijo Huma Jafree '22, describiendo el proceso que creen que desempeñará un papel en la solución potencial de la escasez mundial de agua dulce.

Un estudiante internacional que se especializó en Física y se especializó en Matemáticas, Jafree trabajó en el perfeccionamiento de un método de destilación de agua llamado destilación por membrana de espacio de aire. En su proyecto, titulado "El efecto del tamaño de los poros y el tamaño del espacio en la destilación de la membrana del espacio de aire", calentó agua salada en un recipiente hasta que se convirtió en vapor, después de lo cual pasó a través de una membrana de polímero poroso a una segunda cámara. Allí, condensó las partículas de vapor en gotas de agua dulce enfriándolas. La tarea que tenía ante sí era modificar el ancho de los espacios de aire y el tamaño de los poros para determinar la forma más eficiente de destilación del agua.

Ahí es donde entró el proyecto SURF de Mary O'Sullivan '23 (especialización en Ingeniería, Química y Matemáticas), titulado "Fabricación y caracterización de membranas electrohiladas fundidas para uso en sistemas de destilación de membranas". La estudiante del Programa de Honores y nativa de Colonial Beach buscó la mejor manera de producir el mismo tipo de membrana utilizada en los experimentos de Jafree a través de un proceso llamado electrohilado por fusión. Con la ayuda de una aguja electrificada y calentada, O'Sullivan fundió un polímero (en su caso, polipropileno, que se encuentra en objetos domésticos como popotes, biberones y envases de yogur) que luego se ensambló en membranas fibrosas con tamaños de poro en la escala de micras a través de la guía de la computadora.

"Ambos estamos interesados ​​en saber si hay un espesor de membrana o un tamaño de espacio de aire que sea mejor que lo que está disponible comercialmente", dijo Jafree sobre su trabajo, realizado bajo la tutela del mentor de la facultad y profesor de ingeniería Jim McLeskey. "El mercado en este momento es limitado, por lo que si somos capaces de hacer las membranas desde cero, los parámetros de nuestra investigación se abrirían de muchas maneras".

¿El futuro de la desalinización del agua?

Tradicionalmente, los científicos necesitan calentar el agua hasta su punto de ebullición (100 grados centígrados) para que se evapore, separándola así del contenido de agua que no quieren, ya sea sal, amonio o aguas residuales. "Lo bueno de la destilación por membrana es que no es necesario llevar el agua a su punto de ebullición. Solo tiene que estar caliente, incluso a 50 grados centígrados, lo que significa ahorrar energía y reducir costos", explicó O'Sullivan.

Jafree se refirió a la ventaja potencial del proceso para los esfuerzos de desalinización del agua al decir: "Este podría ser un sistema que calienta el agua de mar usando calor residual o energía solar y la enfría usando agua fría del océano. En esencia, se necesitaría poca energía a bajo costo". para calentar el agua del océano a la temperatura adecuada para producir agua dulce".

Entonces, ¿cómo era un día típico en el laboratorio para Jafree y O'Sullivan? "Mucho trabajo de preparación", dijo O'Sullivan. Eso se debe a que tanto su sistema como el de Jafree tardaron varias horas en completar una sola "ejecución", que culminó en una nueva membrana o un ciclo de destilación de agua competido, respectivamente. Mientras sus sistemas hacían su magia, el dúo se preparó para las presentaciones de carteles del Simposio SURF, limpió el equipo y anotó los resultados. A veces, esos resultados proporcionaron más preguntas que respuestas.

El proceso avanza

Jafree identificó una falla en su procedimiento solo tres semanas antes de presentar sus hallazgos en el Simposio SURF. En ese momento, había completado 60 carreras con su sistema de destilación, cada una con una duración de aproximadamente tres horas. Se dio cuenta con un sentimiento de hundimiento que tendría que realizar cada carrera de nuevo, lo que superaría con creces el alcance de su beca de nueve semanas. Aún así, se alegró de haber corregido el problema cuando lo hizo y de que las ejecuciones posteriores produjeron resultados con los que estaba contenta.

O'Sullivan también encontró contratiempos cuando refinó el proceso de desarrollo para producir membranas a la par de las disponibles para la venta. "Tenemos días en los que progresamos muchísimo y las cosas están funcionando", dijo O'Sullivan. "Otros días es un paso adelante, dos pasos atrás".

Es un patrón que llevó al dúo a adoptar un mantra compartido en el laboratorio: ¡progreso! declinado con un signo de exclamación, e incluso tener un pequeño trozo de madera a mano para tocar cuando la investigación iba bien. Ambos estudiantes dijeron que el proceso de investigación SURF ayudó a remediar cualquier "noción glorificada de cómo debería ser la investigación en lugar de lo que es", señaló Jafree. Elogiaron al Dr. McLeskey por darles la libertad de probar cosas nuevas y el apoyo que necesitaban cuando surgían obstáculos.

"Siempre es una conversación con el Dr. McLeskey", dijo Jafree. "Él te permite ser dueño de tu proyecto al darte consejos sin dejarlo en blanco o negro. Te alienta a probar cosas nuevas y ver a dónde te lleva".

"La investigación no va a ser perfectamente fluida", agregó O'Sullivan. "Hay un cartel unas cuantas puertas más allá que dice: 'Si supiéramos lo que estamos haciendo, no se llamaría investigación, ¿verdad?' Eso lo resume perfectamente".