Menos del 1 por ciento del agua de la Tierra es potable. Eliminar la sal y otros minerales de nuestra mayor fuente de agua disponible, el agua de mar, puede ayudar a satisfacer una creciente población mundial sedienta de agua dulce para beber. agricultura, transporte, calefacción, refrigeración e industria. Pero la desalinización es un proceso que consume mucha energía, que concierne a quienes deseen ampliar su aplicación.

Ahora, un equipo de experimentales dirigido por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía ha demostrado una tecnología de desalinización energéticamente eficiente que utiliza una membrana porosa hecha de fuerte, grafeno delgado:un panal de carbono de un átomo de espesor. Los resultados se publican en la edición en línea anticipada del 23 de marzo de Nanotecnología de la naturaleza .

"Nuestro trabajo es una prueba de principio que demuestra cómo se puede desalinizar el agua salada utilizando grafeno poroso, "dijo Shannon Mark Mahurin de la División de Ciencias Químicas de ORNL, quien codirigió el estudio con Ivan Vlassiouk en la División de Ciencias de Energía y Transporte de ORNL.

"Es un gran avance, "dijo Vlassiouk, señalando que una gran cantidad de agua viaja a través de la membrana porosa de grafeno. "El flujo a través de las membranas de grafeno actuales fue al menos un orden de magnitud mayor que el de las membranas poliméricas de ósmosis inversa de última generación".

Los métodos actuales para purificar el agua incluyen la destilación y la ósmosis inversa. Destilación, o calentar una mezcla para extraer componentes volátiles que se condensan, requiere una cantidad significativa de energía. Osmosis inversa, un proceso más eficiente desde el punto de vista energético que, no obstante, requiere una buena cantidad de energía, es la base de la tecnología ORNL.

Hacer poros en el grafeno es clave. Sin estos agujeros el agua no puede viajar de un lado a otro de la membrana. Las moléculas de agua son simplemente demasiado grandes para pasar a través de la fina malla del grafeno. Pero haga agujeros en la malla que sean del tamaño correcto, y las moléculas de agua pueden penetrar. Iones de sal, a diferencia de, son más grandes que las moléculas de agua y no pueden atravesar la membrana. La membrana porosa permite la ósmosis, o paso de un fluido a través de una membrana semipermeable a una solución en la que el disolvente está más concentrado. "Si tiene agua salada en un lado de una membrana porosa y agua dulce en el otro, una presión osmótica tiende a llevar el agua de regreso al lado del agua salada. Pero si superas eso y reviertes eso, y empuja el agua del lado del agua salada al lado del agua dulce; ese es el proceso de ósmosis inversa, "Explicó Mahurin.

Hoy en día, los filtros de ósmosis inversa suelen ser polímeros. Un filtro es delgado y reside sobre un soporte. Se necesita una presión significativa para empujar el agua desde el lado del agua salada hacia el lado del agua dulce. "Si puede hacer que la membrana sea más porosa y delgada, puede aumentar el flujo a través de la membrana y reducir los requisitos de presión, dentro de los limites, ", Dijo Mahurin." Todo eso sirve para reducir la cantidad de energía que se necesita para impulsar el proceso ".

El grafeno al rescate El grafeno tiene solo un átomo de espesor, pero flexible y fuerte. Sus estabilidades mecánicas y químicas lo hacen prometedor en membranas para separaciones. Una membrana de grafeno porosa podría ser más permeable que una membrana de polímero, por lo que el agua separada pasaría más rápido a través de la membrana en las mismas condiciones, razonaron los científicos. "Si podemos usar esta única capa de grafeno, luego podríamos aumentar el flujo y reducir el área de la membrana para lograr el mismo proceso de purificación, "Dijo Mahurin.

Para hacer grafeno para la membrana, los investigadores hicieron fluir metano a través de un horno de tubo a 1, 000 grados C sobre una lámina de cobre que catalizó su descomposición en carbono e hidrógeno. El vapor químico depositó átomos de carbono que se autoensamblaron en hexágonos contiguos para formar una lámina de un átomo de espesor.

Los investigadores transfirieron la membrana de grafeno a un soporte de nitruro de silicio con un orificio del tamaño de un micrómetro. Luego, el equipo expuso el grafeno a un plasma de oxígeno que eliminó los átomos de carbono de la red de alambre de gallinero a nanoescala del grafeno para crear poros. Cuanto más tiempo estuvo expuesta la membrana de grafeno al plasma, cuanto más grandes son los poros que se formaron, y el más hecho.

La membrana preparada separó dos soluciones de agua:agua salada en un lado, fresco por el otro. El chip de nitruro de silicio mantuvo la membrana de grafeno en su lugar mientras el agua fluía a través de ella de una cámara a la otra. La membrana permitió el transporte rápido de agua a través de la membrana y rechazó casi el 100 por ciento de los iones de sal. p.ej., átomos de sodio cargados positivamente y átomos de cloruro cargados negativamente.

Para determinar el mejor tamaño de poro para la desalinización, los investigadores confiaron en el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos (CNMS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL. Allí, Imágenes de microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) con corrección de aberraciones, dirigido por Raymond Unocic, permitió la obtención de imágenes de grafeno con resolución atómica, que los científicos utilizaron para correlacionar la porosidad de la membrana de grafeno con las propiedades de transporte. Determinaron que el tamaño de poro óptimo para una desalinización eficaz era de 0,5 a 1 nanómetros, Dijo Mahurin.

También encontraron que la densidad óptima de poros para la desalinización era de un poro por cada 100 nanómetros cuadrados. "Cuantos más poros tengas, el mejor, hasta cierto punto hasta que empiece a degradar la estabilidad mecánica, "Dijo Mahurin.

Vlassiouk dijo que hacer que las membranas de grafeno porosas utilizadas en el experimento sea viable a escala industrial, y se pueden explorar otros métodos de producción de los poros. "Se han probado varios enfoques, incluida la irradiación con electrones e iones, pero ninguno funcionó. Hasta aquí, el método de plasma de oxígeno funcionó mejor, ", agregó. Le preocupan más los gremlins que plagan las membranas de ósmosis inversa de hoy en día, crecimientos en las superficies de las membranas que las obstruyen (llamado" bioincrustación ") y aseguran la estabilidad mecánica de una membrana bajo presión.