Los ingenieros de la Universidad de Illinois han encontrado un material energéticamente eficiente para eliminar la sal del agua de mar que podría proporcionar una refutación al lamento del poeta Samuel Taylor Coleridge, "Agua, agua, En todas partes, ni una gota para beber ".

El material, una hoja de bisulfuro de molibdeno (MoS2) de nanómetros de espesor plagada de pequeños agujeros llamados nanoporos, está especialmente diseñado para dejar pasar grandes volúmenes de agua pero mantener la sal y otros contaminantes fuera, un proceso llamado desalinización. En un estudio publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , el equipo de Illinois modeló varias membranas de película delgada y descubrió que MoS2 mostró la mayor eficiencia, filtrando hasta un 70 por ciento más de agua que las membranas de grafeno.

"Aunque tenemos mucha agua en este planeta, hay muy poco que se pueda beber, "dijo el líder del estudio Narayana Aluru, un profesor de la U. de I. de la ciencia y de la ingeniería mecánicas. "Si pudiéramos encontrar un forma eficiente de purificar el agua de mar, estaríamos logrando grandes avances en la solución de la crisis del agua.

"Encontrar materiales para una desalinización eficiente ha sido un gran problema, y creo que este trabajo sienta las bases para los materiales de próxima generación. Estos materiales son eficientes en términos de uso de energía e incrustaciones, que son problemas que han plagado la tecnología de desalinización durante mucho tiempo, "dijo Aluru, quien también está afiliado al Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas en la U. de I.

La mayoría de las tecnologías de desalinización disponibles se basan en un proceso llamado ósmosis inversa para empujar el agua de mar a través de una fina membrana de plástico para producir agua dulce. La membrana tiene agujeros lo suficientemente pequeños como para no dejar pasar la sal o la suciedad, pero lo suficientemente grande como para dejar pasar el agua. Son muy buenos para filtrar la sal, pero produce solo un chorrito de agua fresca. Aunque delgado a la vista, estas membranas todavía son relativamente gruesas para filtrar a nivel molecular, por lo que se debe aplicar mucha presión para empujar el agua.

"La ósmosis inversa es un proceso muy caro, "Dijo Aluru." Es muy intensivo en energía. Se requiere mucha potencia para realizar este proceso, y no es muy eficiente. Además, las membranas fallan debido a la obstrucción. Así que nos gustaría hacerlo más barato y hacer que las membranas sean más eficientes para que no fallen con tanta frecuencia. Tampoco queremos tener que usar mucha presión para obtener un caudal de agua elevado ".

Una forma de aumentar drásticamente el flujo de agua es hacer que la membrana sea más delgada, ya que la fuerza requerida es proporcional al espesor de la membrana. Los investigadores han estado analizando membranas nanométricas como el grafeno. Sin embargo, el grafeno presenta sus propios desafíos en la forma en que interactúa con el agua.

El grupo de Aluru ha estudiado previamente los nanoporos de MoS2 como plataforma para la secuenciación del ADN y decidió explorar sus propiedades para la desalinización del agua. Usando la supercomputadora Blue Waters en el Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación en la U. de I., descubrieron que una hoja de una sola capa de MoS2 superaba a sus competidores gracias a una combinación de delgadez, geometría de poros y propiedades químicas.

Una molécula de MoS2 tiene un átomo de molibdeno intercalado entre dos átomos de azufre. Una hoja de MoS2, luego, tiene una capa de azufre a cada lado con el molibdeno en el centro. Los investigadores encontraron que la creación de un poro en la hoja que dejaba un anillo expuesto de molibdeno alrededor del centro del poro creaba una forma similar a una boquilla que extraía agua a través del poro.

"MoS2 tiene ventajas inherentes en que el molibdeno en el centro atrae agua, luego el azufre del otro lado lo aleja, por lo que tenemos una tasa de agua mucho mayor que atraviesa el poro, "dijo el estudiante de posgrado Mohammad Heiranian, el primer autor del estudio. "Es inherente a la química de MoS2 y la geometría del poro, para que no tengamos que funcionalizar el poro, que es un proceso muy complejo con el grafeno ".

Además de las propiedades químicas, las láminas de una sola capa de MoS2 tienen las ventajas de la delgadez, requiriendo mucha menos energía, lo que a su vez reduce drásticamente los costos operativos. MoS2 también es un material robusto, por lo que incluso una hoja tan delgada es capaz de soportar las presiones y los volúmenes de agua necesarios.

Los investigadores de Illinois están estableciendo colaboraciones para probar experimentalmente MoS2 para la desalinización de agua y para probar su tasa de incrustaciones. u obstrucción de los poros, un problema importante para las membranas plásticas. MoS2 es un material relativamente nuevo, pero los investigadores creen que las técnicas de fabricación mejorarán a medida que su alto rendimiento se vuelva más buscado para diversas aplicaciones.

"La nanotecnología podría desempeñar un papel importante a la hora de reducir el coste de las plantas de desalinización y hacerlas eficientes desde el punto de vista energético, "dijo Amir Barati Farimani, quien trabajó en el estudio como estudiante de posgrado en Illinois y ahora es becario postdoctoral en la Universidad de Stanford. "Estoy en California ahora, y se habla mucho sobre la sequía y cómo abordarla. Tengo muchas esperanzas de que este trabajo pueda ayudar a los diseñadores de plantas desaladoras. Este tipo de membrana delgada puede aumentar el retorno de la inversión porque son mucho más eficientes desde el punto de vista energético ".