Qinyi Fu, Francisco J. Medellín-Rodríguez, Nisha Verma, y Benjamin Ocko (de izquierda a derecha) se preparan para montar las muestras de membrana que imitan las membranas utilizadas en la ósmosis inversa para las mediciones en la línea de luz de dispersión de materiales complejos (CMS) en la fuente de luz del sincrotrón nacional II (NSLS-II). Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Por primera vez, Un equipo de investigadores de la Universidad de Stony Brook y el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha revelado la estructura molecular de las membranas utilizadas en la ósmosis inversa. La investigación se informa en un artículo publicado recientemente en Cartas macro 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 hacer unos 25, 000 millones de galones de agua dulce al día a nivel mundial 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 senior de Brookhaven Lab, Benjamin Ocko." La ósmosis inversa no es una tecnología nueva; sin embargo, la estructura molecular de muchas de las películas poliméricas muy delgadas que sirven como capa de barrera en las membranas de ósmosis inversa, a pesar de su importancia, no se conocía anteriormente ".
La delgada capa de barrera de polímero utilizada en la membrana de ósmosis inversa es semipermeable. Pequeñas moléculas como el agua pueden cruzar de un lado a otro de la membrana, pero otras moléculas, como iones de sodio o cloruro hidratados, no puede cruzar la capa de barrera. Esta característica es la que permite que estas membranas filtren la sal de la solución salina para producir agua potable. Durante un proceso de ósmosis inversa comercial, el agua salada se presuriza para forzar el agua dulce a través de la membrana.
Dado que el agua de mar debe presionarse a través de la membrana, el consumo de energía de las instalaciones de ósmosis inversa es elevado. Para hacer 100 galones de agua dulce con ósmosis inversa, el costo de la energía es de aproximadamente un kilovatio-hora, el equivalente a hacer funcionar una bombilla de 100 vatios durante 10 horas.
"Incluso pequeñas mejoras en el rendimiento de las membranas de filtración resultarían en enormes ahorros de energía y costos a nivel mundial, "dijo Benjamin S. Hsiao, profesor distinguido de la Universidad de Stony Brook. "Por lo tanto, estamos mirando las membranas a nivel molecular. Queremos descubrir cómo la estructura molecular contribuye a membranas altamente eficientes y utilizar este conocimiento para diseñar membranas mejoradas ".
El dibujo muestra cómo los rayos X inciden en la membrana en un ligero ángulo y se dispersan por la superficie. Luego, son capturados por un detector que registra el llamado patrón de dispersión de los rayos X que es específico de la estructura molecular de la membrana. El panel superior izquierdo muestra dos estructuras moleculares diferentes, que también se denominan motivos de empaquetamiento molecular. Los resultados de las mediciones sugieren que el motivo perpendicular (abajo a la derecha) podría correlacionarse con propiedades de filtración superiores. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Para estas medidas, El equipo hizo una película delgada de polímero bien definida en la interfaz aceite / agua utilizando un método llamado polimerización interfacial. que es similar al proceso industrial. Como un epoxi de dos componentes, uno de los componentes moleculares se 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 una película de polímero muy delgada.
"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 suave, "dijo Francisco Medellín-Rodríguez, profesor de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí en México. "Para estudiar estas películas delgadas, necesitamos rayos X ultrabrillantes, así como herramientas avanzadas de análisis y simulación ".
Mediante el uso de rayos X ultrabrillantes de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven, los investigadores están empezando a desentrañar la relación entre la estructura molecular de las membranas y su eficacia.
Según Qinyi Fu, estudiante de posgrado 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 dispersión de rayos X de gran angular de incidencia rasante en las líneas de luz de dispersión de materiales complejos (CMS) e interfaces de materia blanda (SMI) de NSLS-II ".
En esta técnica, los rayos X inciden en la membrana en un ligero ángulo y se dispersan por la superficie. Luego, son capturados por un detector que registra el llamado patrón de dispersión de los rayos X que es específico de la estructura molecular de la membrana.
"En el patrón de dispersión, somos capaces de identificar motivos de empaquetamiento molecular:cómo están dispuestas las moléculas vecinas en el polímero entre sí. Uno es el motivo paralelo y el segundo es el motivo perpendicular, "dijo Ocko." Si bien ambos motivos de empaque están presentes, el motivo de empaquetamiento perpendicular se correlaciona mejor con las propiedades de filtración óptimas ".
El distinguido profesor Benjamin S. Hsiao en su laboratorio de la Universidad de Stony Brook. Crédito de la imagen:Universidad de Stony Brook. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Hsiao agregado, "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 cómo se orientan las vías del agua en la membrana".
Más recientemente, el equipo ha comenzado a estudiar 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 aceite / agua.
"Los procesos comerciales están protegidos por secretos comerciales corporativos y se desconocen 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 la interfaz aceite / agua. incluyendo 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 generaciones futuras de sistemas de filtración de agua, "Dijo Hsiao.
