(Arriba a la izquierda) Poros de grafeno hidrogenado y (arriba a la derecha) hidroxilado. (Abajo) Vista lateral del grafeno nanoporoso simulado que filtra iones de sal y produce agua potable. Crédito de la imagen:Cohen-Tanugi y Grossman. © 2012 Sociedad Química Estadounidense
(Phys.org) - Aunque los océanos y los mares contienen aproximadamente el 97% del agua de la Tierra, Actualmente, solo una fracción del 1% del suministro de agua potable del mundo proviene de agua salada desalinizada. Para aumentar nuestro uso de agua salada, Las técnicas de desalinización deben ser más eficientes energéticamente y menos costosas para ser sostenibles. En un nuevo estudio, Dos científicos de materiales del MIT han demostrado en simulaciones que el grafeno nanoporoso puede filtrar la sal del agua a una velocidad de 2 a 3 órdenes de magnitud más rápida que la mejor tecnología de desalinización comercial actual. ósmosis inversa (RO). Los investigadores predicen que la permeabilidad superior al agua del grafeno podría conducir a técnicas de desalinización que requieran menos energía y utilicen módulos más pequeños que la tecnología RO. a un costo que dependerá de futuras mejoras en los métodos de fabricación de grafeno.
Los científicos, David Cohen-Tanugi y Jeffrey C. Grossman del MIT, han publicado su estudio sobre la desalinización de agua utilizando grafeno nanoporoso de una sola capa en un número reciente de Nano letras .
“Este trabajo muestra que algunos de los inconvenientes de las técnicas de desalinización actuales podrían evitarse inventando materiales de membrana más eficientes y específicos, "Dijo Grossman Phys.org . "En particular, La nanoestructuración a medida de las membranas podría permitir el flujo real de agua (con rechazo total de la sal) a través de la exclusión por tamaño, lo que lleva a una permeabilidad mucho mayor en comparación con la ósmosis inversa ".
Esta no es la primera vez que los investigadores investigan el uso de materiales nanoporosos para la desalinización. En contraste con RO, que utiliza alta presión para empujar lentamente las moléculas de agua (pero no los iones de sal) a través de una membrana porosa, Los materiales nanoporosos funcionan a presiones más bajas y proporcionan canales bien definidos que pueden filtrar el agua salada a un ritmo más rápido que las membranas de ósmosis inversa.
Cuando las moléculas de agua (rojo y blanco) y los iones de sodio y cloro (verde y morado) en agua salada, A la derecha, encuentro una hoja de grafeno (azul pálido, centro) perforado por agujeros del tamaño correcto, el agua pasa por (lado izquierdo), pero el sodio y el cloro de la sal están bloqueados. Gráfico:David Cohen-Tanugi
Sin embargo, esta es la primera vez que los científicos han explorado el papel potencial del grafeno nanoporoso como filtro para la desalinización del agua. Grafeno de una sola capa, que tiene un solo átomo de carbono de espesor, es la última membrana delgada, lo que lo hace ventajoso para la desalinización de agua, ya que el flujo de agua a través de una membrana se escala en forma inversa con el grosor de la membrana.
Usando simulaciones clásicas de dinámica molecular, Cohen-Tanugi y Grossman examinaron la permeabilidad al agua del grafeno nanoporoso con diferentes diámetros de poro (1,5 a 62 Å 2 ) y química de los poros. Como han demostrado experimentos anteriores, Los nanoporos se pueden introducir en el grafeno mediante una variedad de métodos, incluyendo perforación con haz de iones de helio y grabado químico. En sus simulaciones, los científicos fortalecieron los nanoporos pasivando, o blindaje, cada átomo de carbono en el borde del poro con átomos de hidrógeno o grupos hidroxilo.
Permeabilidad al agua de diversas técnicas de desalación. Los nanoporos de grafeno pueden rechazar iones de sal con una permeabilidad al agua 2-3 órdenes de magnitud mayor que las técnicas comerciales de ósmosis inversa (RO). Crédito de la imagen:Cohen-Tanugi y Grossman. © 2012 Sociedad Química Estadounidense
“Debido a que esos átomos de carbono en el borde de los poros serían bastante reactivos sin pasivación, de una forma u otra, en condiciones experimentales realistas, es probable que tengan alguna forma de funcionalización química, —Dijo Grossman. "Esto se puede controlar hasta cierto punto, así que queríamos explorar los dos límites de las químicas de los bordes hidrófobos frente a los hidrófilos. Si no tuviéramos grupos funcionales (solo carbono desnudo), en poco tiempo las moléculas de agua se disociarían en el borde de los poros y probablemente hidrogenarían o hidroxilarían esos carbonos ".
Los científicos compararon las dos químicas, junto con diferentes tamaños de poros, de grafeno nanoporoso en sus simulaciones haciendo correr agua salada con una salinidad de 72 g / L sobre las membranas, que es aproximadamente el doble de la salinidad del agua de mar promedio (aproximadamente 35 g / L).
Ellos encontraron que aunque los nanoporos más grandes podrían filtrar el agua a la tasa más alta, los nanoporos grandes permitían el paso de algunos iones de sal. Las simulaciones identificaron un rango intermedio de diámetros de nanoporos donde los nanoporos eran lo suficientemente grandes como para permitir el paso de moléculas de agua pero lo suficientemente pequeños como para restringir los iones de sal.
Las simulaciones también mostraron que el grafeno hidroxilado mejora significativamente la permeabilidad al agua, que los científicos atribuyen a la naturaleza hidrófila de los grupos hidroxilo. Ya que, a diferencia de, los poros hidrogenados son hidrofóbicos, las moléculas de agua solo pueden fluir a través de un número limitado de configuraciones altamente ordenadas. Pero los grupos hidrófilos permiten que las moléculas de agua tengan un mayor número de configuraciones de enlaces de hidrógeno dentro de los poros, y esta falta de restricciones aumenta el flujo de agua.
En general, los resultados muestran que el grafeno nanoporoso puede superar teóricamente a las membranas de ósmosis inversa en términos de permeabilidad al agua, que se expresa en litros de producción por centímetro cuadrado de membrana por día y por unidad de presión aplicada. Mientras que la RO de alto flujo tiene una permeabilidad al agua de unas pocas décimas, Las simulaciones mostraron que la permeabilidad al agua del grafeno nanoporoso osciló entre 39 y 66 para las configuraciones de poros que exhibían un rechazo total de la sal (23,1 Å 2 poros hidrogenados y 16,3 Å 2 poros hidroxilados). El grafeno con los poros hidroxilados más grandes alcanzó 129, pero permitió algún paso de iones de sal.
Los científicos explican que existen dos desafíos principales a los que se enfrenta el uso de grafeno nanoporoso con fines de desalinización. Uno es lograr una distribución de tamaño de poro estrecha, aunque el rápido progreso experimental en la síntesis de grafeno poroso altamente ordenado sugiere que esto pronto será factible. El otro desafío es la estabilidad mecánica bajo presión aplicada, lo que podría lograrse utilizando una capa de soporte de película delgada como la que se usa en los materiales de ósmosis inversa.
"Computacionalmente, estamos viendo una variedad de otras formas potencialmente nuevas de diseñar membranas para la desalinización y descontaminación, —Dijo Grossman. "Experimentalmente, Actualmente estamos fabricando membranas nanoporosas y esperamos probar su desempeño en desalinización en los próximos meses ”.
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