Filtrado y tratamiento de agua, tanto para consumo humano como para la limpieza de aguas residuales industriales y municipales, representa aproximadamente el 13% de toda la electricidad consumida en los EE. UU. cada año y libera alrededor de 290 millones de toneladas métricas de CO ₂ a la atmósfera anualmente, aproximadamente equivalente al peso combinado de cada ser humano en la Tierra.

Uno de los métodos más comunes para procesar el agua es pasarla a través de una membrana con poros que están dimensionados para filtrar partículas que son más grandes que las moléculas de agua. Sin embargo, estas membranas son susceptibles a "ensuciamiento, "u obstrucción por los mismos materiales para los que están diseñados para filtrar, Necesitando más electricidad para forzar el agua a través de una membrana parcialmente obstruida y reemplazo frecuente de la membrana. ambos aumentan los costos del tratamiento del agua.

Una nueva investigación del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard y colaboradores de la Universidad Northeastern y la Universidad de Waterloo demuestra que las membranas de apertura líquida (LGM) de Wyss filtran partículas de nanoarcilla fuera del agua con una eficiencia dos veces mayor. casi tres veces más tiempo para cometer falta, y una reducción de la presión requerida para la filtración sobre membranas convencionales, ofreciendo una solución que podría reducir el costo y el consumo de electricidad de procesos industriales de alto impacto como la perforación de petróleo y gas. El estudio se informa en Materiales APL .

"Este es el primer estudio que demuestra que los LGM pueden lograr una filtración sostenida en entornos similares a los que se encuentran en la industria pesada, y proporciona información sobre cómo los LGM resisten los diferentes tipos de incrustaciones, lo que podría llevar a su uso en una variedad de entornos de procesamiento de agua, "dijo el primer autor Jack Alvarenga, un científico investigador en el Instituto Wyss.

Los LGM imitan el uso que hace la naturaleza de los poros llenos de líquido para controlar el movimiento de los líquidos, gases y partículas a través de filtros biológicos utilizando la menor cantidad de energía posible, al igual que las pequeñas aberturas de los estomas en las hojas de las plantas permiten el paso de los gases. Cada LGM está recubierto con un líquido que actúa como una puerta reversible, llenando y sellando sus poros en el estado "cerrado". Cuando se aplica presión a la membrana, el líquido dentro de los poros se tira hacia los lados, creando abierto, poros revestidos de líquido que se pueden ajustar para permitir el paso de líquidos o gases específicos, y resisten el ensuciamiento debido a la superficie resbaladiza de la capa líquida. El uso de poros revestidos de líquido también permite la separación de un compuesto objetivo de una mezcla de diferentes sustancias, que es común en el procesamiento de líquidos industriales.

El equipo de investigación decidió probar sus LGM en una suspensión de arcilla bentonita en agua, como tales, las soluciones de "nanoarcilla" imitan las aguas residuales producidas por las actividades de perforación en la industria del petróleo y el gas. Infundieron discos de 25 mm de una membrana de filtro estándar con perfluoropoliéter, un tipo de lubricante líquido que se ha utilizado en la industria aeroespacial durante más de 30 años, para convertirlos en LGM. Luego colocaron las membranas bajo presión para extraer agua a través de los poros, pero dejaron las partículas de nanoarcilla atrás. y comparó el rendimiento de las membranas sin tratar con los LGM.

Las membranas no tratadas mostraron signos de incrustaciones de nanoarcillas mucho más rápidamente que las LGM, y los LGM pudieron filtrar agua tres veces más que las membranas estándar antes de requerir un procedimiento de "retrolavado" para eliminar las partículas que se habían acumulado en la membrana. Un retrolavado menos frecuente podría traducirse en una reducción en el uso de productos químicos de limpieza y la energía necesaria para bombear el agua de retrolavado. y mejorar la tasa de filtración en entornos de tratamiento de agua industrial.

Si bien los LGM eventualmente experimentaron incrustaciones, mostraron una reducción del 60% en la cantidad de nanoarcilla que se acumuló dentro de su estructura durante la filtración, lo que se conoce como "ensuciamiento irreversible" porque no se elimina mediante lavado a contracorriente. Esta ventaja les da a los LGM una vida útil más larga y hace que una mayor parte del filtrado sea recuperable para usos alternativos. Adicionalmente, los LGM requirieron un 16% menos de presión para iniciar el proceso de filtración, reflejando mayores ahorros de energía.

"Los LGM tienen el potencial de usarse en industrias tan diversas como el procesamiento de alimentos y bebidas, fabricación biofarmacéutica, textiles, papel, pulpa, químico, y petroquímica, y podría ofrecer mejoras en el uso y la eficiencia de la energía en una amplia gama de aplicaciones industriales, "dijo la autora correspondiente Joanna Aizenberg, Doctor., quien es miembro fundador del cuerpo docente principal del Instituto Wyss y profesora Amy Smith Berylson de Ciencias de los Materiales en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard.

Los próximos pasos del equipo para la investigación incluyen estudios piloto a mayor escala con socios de la industria, funcionamiento a más largo plazo de los LGM, y filtrar mezclas de sustancias aún más complejas. Estos estudios proporcionarán información sobre la viabilidad comercial de los LGM para diferentes aplicaciones, y cuánto durarían en varios casos de uso.

"El concepto de utilizar un líquido para ayudar a filtrar otros líquidos, aunque quizás no sea obvio para nosotros, prevalece en la naturaleza. Es maravilloso ver cómo aprovechar la innovación de la naturaleza de esta manera puede potencialmente conducir a enormes ahorros de energía, "dijo el director fundador de Wyss, Donald Ingber, MARYLAND., Doctor., quien también es el Profesor Judah Folkman de Biología Vascular en la Escuela de Medicina de Harvard y el Programa de Biología Vascular en el Boston Children's Hospital, así como Profesor de Bioingeniería en SEAS.