La izquierda representa una membrana omnifóbica, y el de la derecha representa una membrana hidrófoba convencional con un aumento de las áreas interfaciales agua-aire (líneas verdes). Crédito:laboratorio de Kota
Con la escasez de agua como 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 implica una membrana repelente al agua que aprovecha las diferencias de presión de vapor entre el líquido impuro más caliente, llamado "agua de alimentación, "y agua purificada más fría, llamado "permear". Durante el proceso, el vapor de agua pasa a través de 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 pueden tratar agua extremadamente salada, como salmueras de desalinización o agua producida por fracturación hidráulica.
Mientras sea prometedor, la destilación por membrana no funciona perfectamente. Un desafío clave es diseñar membranas para purificar el agua de manera eficiente y, al mismo tiempo, garantizar una contaminación cero del agua limpia.
El científico de Tong y materiales Arun Kota en el Departamento de Ingeniería Mecánica unieron fuerzas para obtener la ciencia fundamental detrás del diseño de esa membrana perfecta. En nuevos experimentos que describen en Comunicaciones de la naturaleza , Los investigadores de CSU ofrecen nueva información sobre por qué ciertos diseños de membranas utilizados en la destilación de membranas funcionan mejor que otros.
"El conocimiento fundamental de nuestro artículo mejora la comprensión mecanicista sobre el transporte de vapor de agua dentro de sustratos microporosos y tiene el potencial de guiar el diseño futuro de las membranas utilizadas en la destilación de membranas, "Dijo Tong.
En destilación por membrana, el agua de alimentación se calienta, separando los componentes puros e impuros por diferencias en volatilidad. La membrana microporosa es un componente clave de la instalación porque permite que pase el vapor de agua, pero no todo el líquido impuro. Típicamente, la membrana está hecha de un "hidrofóbico, "o repelente al agua, material para dejar pasar solo el vapor de agua pero mantener una barrera para el agua de alimentación.
Vista en sección transversal de una membrana hidrófoba convencional utilizada en la destilación por membranas. El azul representa el agua. Crédito:laboratorios Tong y Kota
Sin embargo, estas membranas hidrofóbicas pueden fallar, porque el agua de alimentación, como el agua producida por el petróleo de esquisto, puede tener baja tensión superficial. Esta baja tensión superficial permite que el agua de alimentación se filtre a través de los poros de la membrana, contaminando el agua pura en el 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, incluyendo agua y líquidos de baja tensión superficial — mantenga intacta la separación de vapor / agua. Pero, las membranas omnifóbicas suelen ralentizar la velocidad y la cantidad de vapor de agua que pasa a través de la membrana, reduciendo drásticamente la eficiencia de todo el proceso.
Los investigadores de CSU se propusieron descubrir por qué existe este compromiso entre membranas hidrofóbicas 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, encontraron que las membranas hidrófobas 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 el rendimiento de las membranas.
Las membranas omnifóbicas utilizadas en los experimentos se hicieron sin depositar partículas adicionales. Por lo tanto, los investigadores pudieron determinar que sus observaciones no fueron el resultado de cambios estructurales en las membranas.
Si bien no ofrecieron una solución a la compensación, sus conocimientos revelan el desafío central en torno a hacer de la destilación por membranas 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 omnifobicidad excepcional y al mismo tiempo una gran superficie interfacial líquido-vapor pueden hacer de la destilación por membrana un proceso robusto y rentable para la purificación del agua. El equipo ha iniciado más investigaciones colaborativas para diseñar membranas inteligentes, con el objetivo de aumentar la eficiencia de la destilación por membrana.
Tong agregó que la investigación se realizó 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, " Tong said. "It is an example of good interdisciplinary collaboration across campus."
