El grupo de investigación del profesor Matsuyama Hideto en el Centro de Investigación de Tecnología de Membranas y Películas de la Universidad de Kobe ha desarrollado con éxito una nueva membrana de desalinización. Lo lograron laminando un material de carbono bidimensional sobre la superficie de una membrana de polímero poroso.

Las membranas de desalinización se utilizan para producir agua dulce a partir del agua de mar. Para resolver el problema mundial de la insuficiencia de recursos de agua dulce, Los investigadores se esfuerzan por desarrollar membranas de desalinización que no solo estén impregnadas de agua más rápido que las que se usan actualmente, sino que también eliminen la sal de manera eficiente. para que sea más eficaz Se pueden implementar sistemas de desalación de bajo consumo energético.

En este estudio de investigación, nanohojas de óxido de grafeno, que son un tipo de nanomaterial bidimensional, se apilaron sobre la superficie de una membrana porosa después de recibir un tratamiento de reducción química, permitiendo desarrollar una capa de membrana de desalación de aproximadamente 50 nanómetros (nm). La membrana desarrollada tiene el potencial de realizar una desalinización altamente eficiente porque es posible controlar los espacios entre sus nanoláminas y la carga en las superficies de las nanoláminas. Se espera que esta investigación contribuya a la aplicación e implementación de membranas de desalinización futuristas.

Estos resultados de investigación fueron publicados en Revista de Química de Materiales A el 18 de noviembre 2020.

Puntos principales

• Los investigadores desarrollaron con éxito una nueva membrana de desalinización utilizando nanohojas bidimensionales.
• El tratamiento de reducción química de las nanohojas de óxido de grafeno reforzó el apilamiento π- π entre las nanohojas.
• El apilamiento π- π mejoró la estabilidad de la membrana laminada de nanohojas y permitió manipular el espacio entre capas entre cada nanohoja.
• Se introdujeron moléculas planas a base de porfirina con grupos cargados y un sistema π conjugado entre las nanohojas. Esto resultó en una repulsión electrostática entre el óxido de grafeno y la carga negativa del compuesto plano, permitiendo a los investigadores controlar el movimiento de los aniones dentro de los nanocanales.
• La membrana laminada en nanohojas desarrollada a través de esta investigación fue capaz de rechazar la permeación de cloruro de sodio (NaCl) en un 95%. En el futuro, Estos resultados de investigación pueden contribuir a la creación de nuevos tecnologías de membranas de alto rendimiento para desalación.

Antecedentes de la investigación

El 97,5% del agua de la Tierra es agua de mar y solo el 2,5% es agua dulce. Dentro de este porcentaje, Un mero 0,01% de los recursos de agua dulce puede tratarse fácilmente para ser utilizado por la humanidad. Sin embargo, la población humana sigue aumentando cada año. Como consecuencia, se ha predicho que dentro de varios años, dos tercios de la población mundial tendrán un acceso insuficiente al agua dulce. La escasez de agua en todo el mundo es uno de los problemas más graves que enfrenta la humanidad. Por lo tanto, Las tecnologías que pueden obtener los recursos necesarios convirtiendo la abundante agua de mar de la Tierra en agua dulce son primordiales.

Se han utilizado métodos de evaporación para convertir el agua de mar en agua dulce, sin embargo, requieren grandes cantidades de energía para evaporar el agua de mar y eliminar la sal (desalinización). Por otra parte, los métodos de separación por membrana proporcionan una alternativa de baja energía; Permiten producir agua dulce filtrando el agua del mar y eliminando la sal. Se han implementado métodos para producir agua dulce a partir de agua de mar utilizando membranas. sin embargo, con las membranas de desalinización desarrolladas hasta ahora, siempre existe un equilibrio entre la velocidad de permeación y la capacidad de desalinización. Por lo tanto, Es vital desarrollar una membrana de desalinización revolucionaria a partir de nuevos materiales para resolver este compromiso y hacer posible desalinizar el agua de mar con una mayor eficiencia.

Metodología de investigación

Este equipo de investigación desarrolló una membrana de desalinización altamente funcional laminando la membrana con un material de carbono bidimensional del grosor aproximado de un átomo de carbono. Estos materiales de carbono 2-D eran nanohojas de óxido de grafeno que se redujeron químicamente para darles una interacción π-π reforzada.

Aplicando recubrimientos de nanolaminas con intercalación de moléculas planas basadas en porfirina (con grupos cargados y un sistema π conjugado) a la superficie de una membrana porosa, el grupo de investigación pudo construir una capa de membrana de desalinización ultrafina de aproximadamente 50 nm de espesor.

Esta capa demostró una alta funcionalidad de bloqueo de iones porque el tamaño de los nanocanales (los huecos entre cada nanohoja) se podía controlar en 1 nm. Es más, los espacios entre los nanocanales en la membrana laminada en nanohojas demostraron una estabilidad continua al agua debido al fuerte apilamiento π- π entre las hojas, sugiriendo la posibilidad de que se pueda utilizar durante un largo período de tiempo. Además, no hubo pérdida de funcionalidad de desalación incluso bajo una presión de 20 bar.

Los investigadores revelaron que la transferencia de iones dentro de la membrana laminada de nanohojas desarrollada se suprimió de manera efectiva mediante la repulsión electrostática en la superficie de la nanoplaca. Esta repulsión electrostática fue muy eficaz cuando se controló adecuadamente la anchura de los nanocanales. Para el material de nanohojas utilizado en este estudio, el ancho de los nanocanales podría limitarse controlando el proceso de reducción química y la relación de intercalación de moléculas planas basadas en porfirinas.

El NaCl es el componente principal de los iones de agua de mar y es particularmente difícil evitar que penetre en la membrana. Sin embargo, una membrana laminada en nanohojas producida en condiciones óptimas pudo bloquear alrededor del 95% de NaCl.

Nuevos desarrollos

La membrana laminada en nanoshoja 2-D desarrollada a través de esta investigación se produjo regulando la reducción de la hoja de grafeno oxidado y la relación de intercalación de moléculas planas. lo que a su vez permitió controlar tanto el espacio entre capas entre las nanohojas como el efecto de repulsión electrostática. Además de las membranas de desalinización, esta técnica también se puede aplicar al desarrollo de diversas membranas de separación de electrolitos.

Las tecnologías de desalinización de bajo consumo energético que utilizan membranas de separación son indispensables para reducir la escasez de agua. Se espera que la tecnología contribuya a resolver el problema del agotamiento de los recursos hídricos en todo el mundo. Próximo, el equipo de investigación intentará mejorar aún más la alta funcionalidad de la membrana desarrollada, para que se pueda implementar.