Al crecer en Seattle, Allyson McGaughey, Ph.D. de la Escuela de Ingeniería Viterbi de la USC. '21, nunca se enfrentó a la realidad diaria de la sequía. Sin embargo, en el desierto cada vez más cálido y seco de Los Ángeles, la escasez de agua quedó al descubierto, lo que aumentó la urgencia de encontrar soluciones alternativas de agua.

En una investigación publicada en el Journal of Membrane Science , McGaughey, en coordinación con Amy Childress, profesora distinguida Viterbi Gabilan de la USC, reveló nuevos conocimientos sobre la mejor manera de diseñar procesos de purificación de agua, por ejemplo, tratamiento de aguas residuales en una planta de tratamiento de agua, utilizando destilación por membrana (MD). MD es un proceso que separa la sal del agua usando una membrana porosa delgada y seca. Diferencias de temperatura moderadas hacen que el agua pase de un lado a otro.

Para entender esto mejor, piense en un colador de espagueti, pero con agujeros mucho, mucho más pequeños. Un chorro de agua que se vierte a través del colador se "limpia" de ciertos materiales en el agua que son demasiado grandes para pasar a través de los orificios del colador (como los poros de una membrana), dejando un chorro "limpio" en el otro lado del colador. Aún así, cualquier cosa más pequeña que esos agujeros, como la sal disuelta en el agua de nuestra pasta, todavía puede pasar. Para purificar aún más, ¿qué pasaría si pudiéramos recolectar solo el vapor o el vapor de agua pura? Ahora, imagina un colador que solo permita que el vapor, no el agua líquida, pase a través de los agujeros. Entonces, incluso las sales disueltas no pueden pasar. Mediante el uso de una membrana muy hidrofóbica (temerosa del agua) que hace precisamente eso, MD se puede usar para extraer agua pura desalinizada de corrientes contaminadas.

El éxito de la destilación por membrana, dijeron los investigadores, se basa en gran medida en los diseños de membrana que pueden reducir o eliminar la acumulación de humedad en la membrana. Si una membrana se moja, dijeron los investigadores, puede perder su eficacia, comprometiendo la calidad del agua tratada. Con este fin, McGaughey, ahora becario postdoctoral en la Universidad de Princeton, estudió la mejor manera de diseñar membranas para que no se humedezcan excesivamente y traten el agua con éxito, eliminando la sal y los contaminantes y creando un flujo de salida puro o de alta calidad.

Entre sus hallazgos clave, dijo McGaughey, está que reducir el tamaño de los poros de la membrana o aumentar el grosor de la membrana en sí puede aumentar la resistencia al agua y retrasar o prevenir la contaminación del flujo de agua purificada.

Las membranas suelen estar hechas de un material sintético hidrofóbico, o resistente al agua, con poros de 0,1 a 0,5 micrómetros de pequeño. McGaughey dijo que, si bien otros procesos suelen ser más eficientes desde el punto de vista energético que la destilación por membrana, por ejemplo, un proceso llamado ósmosis inversa, en el caso de corrientes de agua más saladas, estos procesos más típicos requieren una enorme cantidad de presión para obligar a las moléculas de agua a atravesar la membrana. . Por lo tanto, haciéndolos menos prácticos para el tratamiento de arroyos muy salados.

Por el contrario, la destilación por membrana permite que el agua más salada se purifique de manera más eficiente que con la ósmosis inversa y permite a los científicos purificar aguas residuales más saladas que generalmente se eliminan porque no se pueden limpiar de manera eficiente mediante los procesos tradicionales de tratamiento de agua.

El problema, dijo McGaughey, es que las membranas que filtran las aguas residuales pueden humedecerse en exceso. "En la ósmosis inversa usamos membranas densas que no son porosas, por lo que solo las moléculas de agua pasan, pero en la destilación por membrana hay agujeros en las membranas que pueden permitir la contaminación si se mojan", dijo.

Optimización de la destilación de membranas para aumentar la resistencia al agua de las membranas

La desalinización es inherentemente un proceso costoso y que consume mucha energía debido a las propiedades químicas de la sal y el agua. La sal se disuelve fácilmente en agua, formando enlaces que son muy difíciles de romper, dijeron los investigadores.

"Si tuviéramos otra opción, no estaríamos desalinizando nada", dijo McGaughey, "pero necesitamos cada vez más esa agua".

Con la destilación por membrana, McGaughey dijo que se coloca una corriente salada calentada en un lado de una membrana seca y una corriente de agua fría y pura en el otro. La diferencia de temperatura entre las dos corrientes es la fuerza impulsora que mueve el agua de un lado a otro. Para separar el agua pura de la sal y otros contaminantes, las moléculas de agua en la corriente salada cambian de líquido a gas de vapor debido al calor.

Dentro de los poros secos de la membrana, hay un pequeño espacio de aire que permite la recolección de vapor, lo que ocurre cuando el agua salada se calienta y se evapora, pasando a través de la membrana y dejando atrás la sal. Debido a que el espacio de aire es pequeño, no se necesita mucho calor para convertir el agua salada en vapor, lo que significa que puede usar energía solar para calentar el líquido salado. El vapor representa el agua purificada o destilada, que al otro lado de la membrana, es enfriada —por el agua fría— y vuelve a su estado líquido.

La resistencia de la membrana al agua líquida, o la resistencia a la humectación, es clave para garantizar que la corriente de destilado esté realmente purificada y no contaminada. Cuando la membrana se moja, el agua líquida se mezcla desde el agua residual, o la corriente salina, con la corriente de agua purificada, creando una salida de menor calidad, tal vez incluso una salida de agua que no cumpliría con los estándares de potabilidad.

Tratar de descubrir cómo una membrana pierde su resistencia a la humectación en un nivel fundamental y cómo se puede prevenir a través de la hidrofobicidad del material de la membrana y el tamaño de los poros es clave, dijeron los investigadores.

"Tenemos membranas que funcionan ahora, pero cuando se sube a salinidades extremadamente altas y se produce una precipitación de sal en la superficie de la membrana, sigue siendo un gran desafío", dijo McGaughey.

Retos emergentes en el suministro de agua

"La gestión de los flujos de desechos de alta salinidad es un gran desafío, por ejemplo, los flujos de desechos industriales", dijo McGaughey.

"[La destilación por membrana] nunca será más eficiente desde el punto de vista energético que la ósmosis inversa, pero puede usar energía solar térmica o calor 'residual' de bajo grado, lo que significa que puede depender de energía verde. Esto significa menos emisiones de carbono que la electricidad usamos para impulsar la ósmosis inversa y también puede alcanzar flujos de mayor salinidad", dijo.

En lugar de que un solo proceso sea una solución independiente, McGaughey dijo que la destilación por membrana podría ser un complemento de la ósmosis inversa, por ejemplo, algo que se puede usar aguas abajo (más adelante en el proceso de tratamiento del agua), después de un tratamiento de ósmosis inversa.

"La destilación por membrana podría usarse en la corriente de agua salada rechazada que sale de la ósmosis inversa para maximizar el uso del agua disponible", dijo.

McGaughey también dijo que la destilación por membrana también podría tener aplicaciones en regiones rurales y no electrificadas.