Figura 1:Imágenes SEM y diagrama que muestra la formación de la capa de sílice ultrafina en la membrana porosa. Crédito:Universidad de Kobe
Los investigadores dirigidos por el profesor Matsuyama Hideto y el profesor Yoshioka Tomohisa del Centro de Investigación de Tecnología de Membranas y Películas de la Universidad de Kobe han logrado desarrollar una membrana ultrafina con un tratamiento de superficie de sílice resistente a las incrustaciones para la separación de aceite y agua de alto rendimiento. Es más, esta membrana demostró ser versátil; fue capaz de separar el agua de una amplia variedad de diferentes sustancias aceitosas. Los resultados se publicaron en línea en la Revista de Química de Materiales A el 3 de octubre de 2019.
El desarrollo de tecnología para separar el petróleo del agua es crucial para hacer frente a los derrames de petróleo y la contaminación del agua generada por diversas industrias. Para 2025, Se prevé que dos tercios de la población mundial no tendrán acceso suficiente al agua potable. Por lo tanto, Las tecnologías para filtrar emulsiones aceitosas y así aumentar la cantidad de agua limpia disponible son fundamentales.
En comparación con los métodos de purificación tradicionales, incluida la centrifugación y la coagulación química, La separación por membranas se ha propuesto como un bajo costo, alternativa energéticamente eficiente. Aunque esta tecnología se ha desarrollado mucho, la mayoría de las membranas sufren problemas de ensuciamiento por lo que las gotas de aceite se absorben irreversiblemente en la superficie. Esto conduce al bloqueo de los poros de la membrana, posteriormente reduciendo su vida útil y eficiencia.
Un método para mitigar los problemas de incrustaciones es agregar tratamientos superficiales a la membrana. Sin embargo, muchos experimentos con este método han encontrado problemas tales como cambios en la estructura de la superficie original y el deterioro de la capa superficial tratada por un ácido fuerte, soluciones alcalinas y salinas. Estos problemas limitan las aplicaciones prácticas de tales membranas en las duras condiciones durante el tratamiento de aguas residuales.
Figura 2:Varias emulsiones aceitosas antes (izquierda) y después (derecha) de la permeación de la membrana. Crédito:Universidad de Kobe
En este estudio, Los investigadores lograron desarrollar una membrana que consta de un soporte poroso de policetona (PK) con una capa de sílice de 10 nanómetros de espesor aplicada en la superficie superior (Figura 1). Esta capa de sílice se formó sobre las fibrillas de PK usando atracción electrostática; la sílice cargada negativamente fue atraída por la PK cargada positivamente.
La membrana PK tiene una alta permeabilidad al agua debido a sus poros grandes y alta porosidad. El proceso de silicificación, la adición de sílice en las fibrillas de PK, proporciona un fuerte recubrimiento repelente al aceite para proteger la superficie de la membrana modificada de problemas de ensuciamiento.
Otra ventaja de esta membrana es que no requiere una gran aplicación de presión para lograr una alta penetración de agua. La membrana exhibió penetración de agua por gravedad, incluso cuando se utilizó un nivel de agua tan bajo como 10 cm (con una presión de aproximadamente 0,01 atm). Además, la membrana desarrollada fue capaz de rechazar el 99,9% de las gotas de aceite, incluidas aquellas con un tamaño de 10 nanómetros. Usando esta membrana con un área de 1 m 2 , Se pueden tratar 6000 litros de aguas residuales en una hora bajo una presión aplicada de 1 atm. También se demostró que es eficaz para separar agua de varias emulsiones oleosas diferentes (Figura 2).
Como se mencionó, la silificación proporcionó un fuerte revestimiento repelente al aceite. A través de los experimentos llevados a cabo en la membrana para probar su durabilidad frente al ensuciamiento, se descubrió que el aceite no se adsorbía en la superficie y que las gotas de aceite se podían limpiar fácilmente (Figura 3). Esta membrana mostró una gran tolerancia contra una variedad de ácidos, alcalino, soluciones salinas y solventes.
Figura 3:Ensayos de adhesión dinámica superficial y autolimpieza de la membrana preparada. Crédito:Universidad de Kobe
La membrana ultrafina desarrollada por este grupo de investigación ha demostrado una separación eficaz del agua de las emulsiones oleosas, además de la resistencia antiincrustante. La tecnología para separar las emulsiones es indispensable en la lucha contra la contaminación del agua y la escasez de agua limpia. Se espera que este desarrollo pueda utilizarse en el tratamiento de aguas residuales industriales.
