En el experimento, Los investigadores primero recubrieron por inmersión una membrana polimérica hidrófoba en ácido tánico (TA), un polifenol común. Luego, la membrana recubierta por inmersión de TA seca se carga en el reactor de deposición de capa atómica (ALD) para recubrir con dióxido de titanio usando los precursores tetracloruro de titanio y agua (TiCl4 y H2O). Las membranas recubiertas presentan un mínimo de suciedad en el tratamiento de aceite en agua. Crédito:Laboratorio Nacional Argonne
Muchos procesos industriales se basan en membranas delgadas que pueden limpiar el agua, por ejemplo, filtrando las impurezas. En años recientes, se ha utilizado una técnica llamada deposición de capa atómica (ALD) para ajustar estas membranas para un mejor rendimiento, pero hay un problema:muchos de ellos están hechos de materiales que no son compatibles con ALD, un proceso que utiliza vapores químicos alternos para crear capas muy delgadas en una superficie.
Un nuevo método desarrollado por un equipo que incluye investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) hace posible la ALD en casi cualquier membrana. Los investigadores descubrieron una solución sorprendentemente simple:sumergir las membranas en ácido tánico primero. Las moléculas del ácido se adhieren a la superficie de la membrana, proporcionando sitios de nucleación, o puntos donde una capa de ALD puede afianzarse y crecer.
La capacidad de utilizar esta técnica en materiales de membrana típicamente resistentes permite una variedad de mejoras potenciales que podrían mejorar la funcionalidad y la durabilidad, o crear propiedades completamente nuevas. El trabajo se detalla en el artículo "Deposición de capa atómica sensibilizada con polifenoles para hidrofilización de interfaz de membrana, "que se publicó recientemente en la revista Materiales funcionales avanzados .
Muchas membranas comerciales están hechas de plásticos comunes como polipropileno y polietileno, que son económicos y relativamente resistentes. Pero cuando se usa para tratar el agua, estas membranas basadas en polímeros tienden a causar problemas. Sus superficies son propensas a ensuciarse, donde los contaminantes se acumulan en sus poros y reducen la eficacia.
Con ALD, un proceso común en la industria de los semiconductores, las membranas se pueden alterar para resistir el ensuciamiento o adquirir otras propiedades deseables. Las moléculas depositadas en la superficie pueden abrirse camino a través de la tortuosa red de poros de una membrana para encontrar todas las superficies en el interior, creando una capa excepcionalmente uniforme.
Una imagen muestra la alimentación de petróleo crudo en agua en su estado inicial y el permeado limpio que sale después de pasar a través de la membrana tratada con ALD. un proceso que se realizó tres veces sucesivas. La membrana simplemente se enjuagó con agua después de cada ciclo de filtración. Crédito:Laboratorio Nacional Argonne
"ALD, en principio, es genial, "dijo Seth Darling, coautor del estudio y director del Centro de investigación Energy Frontier Research de Argonne's Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS). "El desafío es que la mayoría de los polímeros que se utilizan para fabricar membranas no se pueden recubrir con ALD".
En el estudio, El pretratamiento con ácido tánico permitió recubrir una membrana de polímero resistente al agua con dióxido de titanio. transformando su superficie en hidrófila (amante del agua) en su lugar. La capa que atrae el agua crea un amortiguador protector contra las incrustaciones.
El centro AMEWS, que está financiado por la Oficina de Ciencias del DOE, apoyó el trabajo como parte de un esfuerzo más amplio para comprender y controlar lo que sucede en la interfaz entre el agua y los materiales sólidos. Esta comprensión es clave para mejorar la forma en que procesamos y usamos el agua.
En el pasado, Los investigadores de Argonne han aprovechado el hecho de que algunos polímeros son inhóspitos para la ALD creando una membrana de "Janus" de dos caras, con un recubrimiento de óxido de metal completo en la parte superior de la membrana y ninguno en el otro lado. Este último estudio es la primera vez que los científicos han podido sensibilizar completa y uniformemente una membrana a la ALD utilizando un pretratamiento no destructivo.
Argonne está desarrollando métodos para ampliar ALD y otras capacidades de ingeniería de interfaz para que estos métodos se puedan evaluar para grandes, aplicaciones industriales. "Actualmente utilizamos reactores a escala de laboratorio para estos estudios de investigación, pero estamos construyendo herramientas para el procesamiento ALD eficiente de sustratos de gran superficie. Esto permitirá realizar pruebas a escala piloto de nuestros materiales ALD, "dijo Jeffrey Elam, químico senior en Argonne y coautor del estudio.
El nuevo método podría funcionar potencialmente no solo con ácido tánico sino con cualquier polifenol líquido y también con cualquier membrana de polímero. lo que abre un gran número de posibilidades más allá de la prueba de concepto descrita en el artículo. Además de los recubrimientos que atraen el agua o resistentes al agua, ALD se puede utilizar para crear materiales químicamente reactivos o eléctricamente conductores.
"Hay toda una biblioteca de cosas que puede hacer con ALD, "Dijo Darling." Esta técnica ahora abre esa biblioteca para membranas de polímero ".
