Con la intensificación de la sequía en California, el estado ha acelerado la construcción de plantas desaladoras. Sin embargo, debido a los altos costos de construcción y operación, así como preocupaciones medioambientales, No es probable que veamos que el agua de mar recuperada represente más que una pequeña fracción de las reservas de agua limpia de Estados Unidos durante algún tiempo. Aparte de otros costos, las inmensas cantidades de energía necesarias para producir agua limpia a partir del agua de mar siguen haciendo de la desalinización una solución de nicho en la mayor parte del mundo.

Cuando Jeffrey Grossman, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE) del MIT, comenzó a investigar si los nuevos materiales podrían reducir el costo de la desalinización, se sorprendió al descubrir cuán poco dinero para investigación y desarrollo se estaba aplicando al problema.

"Mil millones de personas en todo el mundo carecen de acceso regular a agua potable, y se espera que se duplique en los próximos 25 años, "Dice Grossman." El agua desalinizada cuesta entre cinco y diez veces más que el agua municipal normal, sin embargo, no estamos invirtiendo suficiente dinero en investigación. Si no tenemos energía limpia, estamos en serios problemas. pero si no tenemos agua morimos ".

En el Grupo Grossman, que explora el desarrollo de nuevos materiales para abordar los problemas de agua y energía limpia, una posible solución puede estar a la mano. El laboratorio de Grossman ha demostrado resultados sólidos que muestran que los nuevos filtros hechos de grafeno podrían mejorar en gran medida la eficiencia energética de las plantas de desalinización y, al mismo tiempo, reducir potencialmente otros costos.

Grafeno que resulta de cortar una capa de grafito de un átomo de espesor, está emergiendo cada vez más como una especie de material maravilloso. El Grupo Grossman, por ejemplo, también está estudiando su uso como una alternativa más barata al silicio para fabricar células solares.

"Nunca ha sido un momento más emocionante para ser científico de materiales, "dice Grossman." Cuando miras la tecnología limpia o la filtración de agua, descubre que el cuello de botella de la conversión de energía proviene del material. Ahora podemos diseñar materiales prácticamente hasta la escala del átomo de la forma que queramos, confeccionar materiales de formas que antes eran imposibles. Está surgiendo una convergencia en la que nos enfrentamos a problemas enormemente urgentes que solo pueden resolverse desarrollando nuevos materiales ".

Filtros de grafeno:hasta un 50 por ciento menos de energía

Aislado por primera vez en 2003, el grafeno tiene diferentes componentes eléctricos, óptico, y propiedades mecánicas que el grafito. "Es más fuerte que el acero, y tiene propiedades de tamizado únicas, "Dice Grossman. Con solo un átomo de espesor, hay mucha menos pérdida por fricción cuando se empuja el agua de mar a través de un filtro de grafeno perforado en comparación con los filtros de plástico de poliamida que se han utilizado durante los últimos 50 años, él dice.

"Hemos demostrado que los filtros de grafeno perforados pueden manejar la presión del agua de las plantas de desalinización al tiempo que ofrecen una permeabilidad cientos de veces mejor". "Explica Grossman." El proceso de bombear agua de mar a través de filtros representa aproximadamente la mitad de los costos operativos de una planta desalinizadora. Con grafeno podríamos usar hasta un 50 por ciento menos de energía ".

Otra ventaja es que los filtros de grafeno no se ensucian con el crecimiento biológico casi a la velocidad que ocurre con los filtros de poliamida. Las plantas de desalinización a menudo funcionan con una eficiencia reducida debido a la necesidad de limpiar los filtros con frecuencia. Además, el cloro utilizado para limpiar los filtros reduce la integridad estructural de la poliamida, requiriendo reemplazo frecuente. En comparación, el grafeno es resistente a los efectos dañinos del cloro.

Según Grossman, podría reemplazar fácilmente los filtros de poliamida con filtros de grafeno en las plantas existentes. Como filtros de poliamida, Los filtros de grafeno se pueden montar en soportes robustos de polisulfona, que tienen orificios más grandes que tamizan las partículas.

Todavía, Sigue habiendo retos importantes para reducir los costes. El Grupo Grossman ha avanzado mucho en la creación de grandes volúmenes de grafeno a un costo razonablemente bajo. Un desafío más serio, sin embargo, está haciendo agujeros uniformes de manera rentable en el grafeno de una manera altamente escalable.

"Una planta típica tiene decenas de miles de membranas, configurados en tubos de dos metros de largo, cada uno de los cuales tiene 40 metros cuadrados de membrana activa enrollada, "Dice Grossman." Tenemos que igualar ese volumen al mismo costo, o no es un comienzo ".

Hacer grafeno a bajo precio

La forma tradicional de hacer grafeno, desde su primer aislamiento en 2003, fíjate, es despegarlo con adhesivo. "Literalmente, se toma un trozo de cinta adhesiva para convertirlo en grafito y se pela, "Explica Grossman." Si sigues haciendo esto, eventualmente terminas con una sola capa. El problema es que se tardaría una eternidad en eliminar suficiente grafeno para una planta desalinizadora ".

Otro enfoque es "hacer crecer" el grafeno aplicando gases supercalientes a la lámina de cobre. "Cultivar grafeno proporciona la mejor calidad, por eso la industria de los semiconductores está interesada en él, "Dice Grossman. El proceso, sin embargo, es muy caro y consume mucha energía.

En lugar de, el Grupo Grossman está utilizando un enfoque químico mucho más asequible, que produce suficiente calidad para la creación de membranas desaladoras. "Afortunadamente, nuestra aplicación no requiere la mejor calidad, "dice Grossman." Con la técnica química, ponemos grafito en una solución, y aplique química de baja temperatura para romper todo el trozo de grafito en láminas. Podemos obtener gran cantidad de grafeno de forma muy barata y rápida ".

Crear poros que bloqueen la sal pero que dejen pasar las moléculas de agua es un desafío mayor. La razón por la que la desalinización es posible en primer lugar es que cuando se difunde en agua, los iones de sal se unen con moléculas de agua, creando así una entidad más grande. Pero la diferencia de tamaño en comparación con una molécula de agua libre sigue siendo frustrantemente pequeña.

"El desafío es encontrar el punto óptimo de aproximadamente 0,8 nanómetros, "Dice Grossman." Si sus poros están a 1,5 nm, entonces pasarán tanto el agua como la sal. Si son medio nanómetro, entonces no pasa nada ".

Un agujero de 0,8 nm es "más pequeño de lo que hemos podido hacer de forma controlable con cualquier otro material, "Dice Grossman." Y tenemos que hacer esto en un área muy grande de manera muy consistente y económica ".

El Grupo Grossman está aplicando tres técnicas para fabricar membranas de grafeno nanoporosas, todos los cuales utilizan energía química y térmica en lugar de procesos mecánicos. "Si intentó utilizar la litografía, tomaría años, "Dice Grossman." Nuestro primer enfoque implica hacer los agujeros demasiado grandes, y luego completarlos con cuidado. Otro intenta hacerlos exactamente del tamaño correcto, y el tercero implica comenzar con un material sin agujeros y luego desgarrarlo con cuidado ".

La técnica química para hacer grafeno en realidad produce óxido de grafeno, que se considera indeseable para semiconductores, pero está bien para filtros. Como resultado, los investigadores pudieron evitar el difícil paso de eliminar el oxígeno del óxido de grafeno. De hecho, encontraron una manera de utilizar el oxígeno a su favor.

"Al controlar la forma en que el oxígeno se une a la hoja de grafeno, podemos usar energía química y térmica para perforar los agujeros con la ayuda del oxígeno, "Dice Grossman.

Primer objetivo:agua salobre

A medida que Grossman Group continúa trabajando en el desafío de fabricar y perforar láminas de grafeno, Grossman busca aprovechar otros beneficios de los filtros de grafeno para ayudar a llevar la tecnología al mercado.

Aunque el grafeno debería mejorar la eficiencia con agua de mar e incluso más salada, agua más sucia utilizada en la fracturación hidráulica, probablemente debutará en plantas que limpian agua salobre, como las que se encuentran en los estuarios. "Resulta que una mayor permeabilidad, incluso en un factor de dos o tres, haría una mayor diferencia con agua salobre que con agua de mar, "Dice Grossman." Reduces el consumo de energía en ambos casos, pero más aún para el agua salobre ".

Los filtros de grafeno también podrían permitir la construcción de plantas más baratas. "Con el grafeno tienes más opciones sobre cómo operar la planta, "Dice Grossman." Podrías aplicar las mismas presiones pero sacar más agua, o podría operarlo a presiones más bajas y obtener la misma cantidad de agua, pero a un menor coste energético ".

Grossman señala que puede llevar años o incluso décadas ubicar y permitir una planta en áreas costeras densamente pobladas. "Se hace un gran esfuerzo en cómo se va a construir la planta y dónde se va a encontrar suficiente terreno, "Dice Grossman." Tener la opción de construir una planta más pequeña sería una gran ventaja ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.