El aceite y el agua son famosos por su resistencia a mezclarse completamente. Pero separándolos por completo, por ejemplo, cuando se limpia un derrame de petróleo o se purifica agua contaminada a través del fracking, es un proceso endiabladamente duro e ineficiente que con frecuencia se basa en membranas que tienden a obstruirse, o "ensuciado".

Una nueva técnica de imágenes desarrollada en el MIT podría proporcionar una herramienta para desarrollar mejores materiales de membrana que puedan resistir o prevenir las incrustaciones. El nuevo trabajo se describe en la revista Materiales e interfaces aplicados , en un artículo de los estudiantes graduados del MIT Yi-Min Lin y Chen Song y el profesor de ingeniería química Gregory Rutledge.

La limpieza de las aguas residuales aceitosas es necesaria en muchas industrias, incluido el refinado de petróleo, procesamiento de alimentos, y acabado de metales, y los desechos no tratados pueden dañar los ecosistemas acuáticos. Los métodos para eliminar contaminantes aceitosos varían, dependiendo de las cantidades relativas de aceite y agua y del tamaño de las gotas de aceite. Cuando el aceite se emulsiona, El método de limpieza más eficiente es el uso de membranas que filtran las diminutas gotas de aceite. pero estas membranas se ensucian rápidamente con las gotas y requieren una limpieza que requiere mucho tiempo.

Pero el proceso de ensuciamiento es muy difícil de observar, lo que dificulta la evaluación de las ventajas relativas de los diferentes materiales y arquitecturas para las membranas en sí. La nueva técnica desarrollada por el equipo del MIT podría hacer que estas evaluaciones sean mucho más fáciles de realizar, dicen los investigadores.

Estas membranas de filtración "tienden a ser muy difíciles de mirar por dentro, "Dice Rutledge." Hay mucho esfuerzo para desarrollar nuevos tipos de membranas, pero cuando se ponen en servicio, quieres ver cómo interactúan con el agua contaminada, y no se prestan a un examen fácil. Por lo general, están diseñados para empaquetarse en la mayor cantidad de área de membrana posible, y poder mirar adentro es muy difícil ".

La solución que desarrollaron utiliza microscopía de barrido láser confocal, una técnica en la que se escanean dos láseres a través del material, y en el punto donde se cruzan las dos vigas, un material marcado con un tinte fluorescente brillará. En su enfoque, el equipo introdujo dos tintes fluorescentes, uno para marcar el material aceitoso en el fluido, el otro para marcar las fibras en la membrana de filtración. La técnica permite escanear el material no solo a través del área de la membrana, sino también en la profundidad del material, capa por capa, para crear una imagen tridimensional completa de la forma en que las gotas de aceite se dispersan en la membrana, que en este caso está compuesto por una matriz de fibras microscópicas.

El método básico se ha utilizado en investigación biológica, para observar células y proteínas dentro de una muestra, Rutledge explica, pero no se ha aplicado mucho al estudio de los materiales de las membranas, y nunca con el aceite y las fibras etiquetados. En este caso, los investigadores están observando gotas que varían en tamaño de aproximadamente 10 a 20 micrones (millonésimas de metro), hasta unos pocos cientos de nanómetros (mil millonésimas de metro).

Hasta ahora, él dice, "Los métodos para obtener imágenes de los espacios porosos en las membranas eran bastante toscos". En la mayor parte, las características de los poros se infirieron midiendo los caudales y los cambios de presión a través del material, sin dar información directa sobre cómo se acumula realmente el material aceitoso en los poros. Con el nuevo proceso, él dice, "ahora puedes medir la geometría, y construir un modelo tridimensional y caracterizar el material con cierto detalle. Entonces, lo nuevo ahora es que realmente podemos ver cómo se produce la separación en estas membranas ".

Al hacerlo, y probando los efectos utilizando diferentes materiales y diferentes disposiciones de las fibras, "esto debería darnos una mejor comprensión de lo que realmente son las incrustaciones, "Dice Rutledge.

El equipo ya ha demostrado que la interacción entre el aceite y la membrana puede ser muy diferente según el material utilizado. En algunos casos, el aceite forma pequeñas gotas que se fusionan gradualmente para formar gotas más grandes, mientras que en otros casos el aceite se esparce en una capa a lo largo de las fibras, un proceso llamado humectación. "La esperanza es que con una mejor comprensión del mecanismo de las incrustaciones, las personas podrán dedicar más tiempo a las técnicas que tienen más probabilidades de tener éxito "en la limitación de esa incrustación, Dice Rutledge.

El nuevo método de observación tiene aplicaciones claras para los ingenieros que intentan diseñar mejores sistemas de filtración. él dice, pero también se puede utilizar para investigar la ciencia básica de cómo interactúan los fluidos mezclados. "Ahora podemos empezar a pensar en alguna ciencia fundamental sobre la interacción entre los flujos de líquidos de dos fases y los medios porosos, ", dice." Ahora, puede desarrollar algunos modelos detallados "del proceso.

Y la información detallada sobre cómo se desempeñan las diferentes estructuras o químicas podría facilitar la ingeniería de tipos específicos de membranas para diferentes aplicaciones, dependiendo de los tipos de contaminantes a eliminar, los tamaños típicos de las gotas en estos contaminantes, etcétera. "Al diseñar membranas, no es una talla única para todos, ", dice." Potencialmente, puede tener diferentes tipos de membranas para diferentes efluentes ".

El método también podría usarse para observar la separación de diferentes tipos de mezclas, como partículas sólidas en un líquido, o una situación inversa donde el aceite es dominante y la membrana se usa para filtrar las gotas de agua, como en un sistema de filtración de combustible, Dice Rutledge.

"Cuando leí su artículo en profundidad, Me impresionó la forma en que Greg usa las imágenes tridimensionales para comprender el complejo proceso de ensuciamiento en las membranas utilizadas para las emulsiones de aceite y agua. "dice William J. Koros, la Cátedra Roberto C. Goizueta de Excelencia en Ingeniería Química y la Beca Eminente GRA en Membranas en el Instituto de Tecnología de Georgia, que no participó en esta investigación.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.