El esquema del proceso de membranas de nano-madera para destilación por membrana (MD). (A) Esquema de MD utilizando la membrana de madera. (B) Fotografía digital de la nano-madera y las correspondientes propiedades beneficiosas para aplicaciones de MD. (C) Esquema del agua (vapor) y la transferencia de calor en la membrana de madera durante la MD. Crédito de la foto:T. Li, Universidad de Maryland. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw3203
Durante la desalinización del agua, La destilación por membrana (MD) se ve desafiada por la ineficiencia de la separación térmica del agua de los solutos disueltos, debido a su dependencia de la porosidad de la membrana y la conductividad térmica. Por ejemplo, Las membranas derivadas del petróleo existentes se han enfrentado a importantes obstáculos para el desarrollo. En un nuevo informe ahora en Avances de la ciencia , Dianxun Hou y colegas de los departamentos interdisciplinarios de civil, ambiental, Ingeniería arquitectónica, ciencia de materiales e ingeniería mecánica en los EE. UU., Noruega y China fabricaron una membrana MD robusta directamente a partir de material de madera sostenible por primera vez.
Utilizaron una membrana de nano-madera hidrófoba con alta porosidad y estructura de poros jerárquica con una amplia distribución de tamaño de poro de nanofibrillas de celulosa cristalina. vasos de xilema y lumina para facilitar el transporte de vapor de agua. La conductividad térmica fue extremadamente baja en la dirección transversal de la construcción para reducir la pérdida de calor por conducción, aunque la alta conductividad térmica a lo largo de la fibra permitió una disipación térmica eficiente a lo largo de la dirección axial. La membrana demostró una excelente permeabilidad intrínseca al vapor y eficiencia térmica. Las propiedades combinadas de la eficiencia térmica, flujo de agua, la escalabilidad y la sostenibilidad hicieron que la nano-madera fuera muy deseable para aplicaciones de MD (destilación por membrana).
La escasez de agua es un desafío global y las Naciones Unidas (ONU) informan que en la actualidad casi la mitad de la población mundial vive en regiones con escasez de agua durante al menos 1 mes al año. El problema se ve agravado por el cambio climático y la rápida urbanización, evidenciado con extensos períodos de sequía y frecuentes incendios forestales en el estado de California en los EE. UU. La desalinización puede ayudar a aliviar el estrés hídrico al extraer agua dulce de una variedad de fuentes salinas o contaminadas, incluida el agua de mar, aguas subterráneas salobres o aguas residuales. Los científicos han impulsado la desalinización utilizando nanotecnología y fabricación avanzada.
Caracterización estructural de la membrana de nano-madera. (A) Foto de la membrana de nano-madera hidrofóbica. (B) Foto que muestra hidrofobicidad después del tratamiento con silano. (C) Ángulo de contacto con el agua de la membrana de nano-madera. (D) Imágenes SEM de la superficie de la nano-madera que exhiben una textura alineada, vasos del xilema, y lumina (canales). (E) Imágenes SEM que exhiben mesoporos [sección transversal (G) y hoyos (H)] que crecen en las paredes de los vasos del xilema y la luz. (F) Imágenes SEM que exhiben poros de tamaño microscópico en medio de las fibras de celulosa. (I) PSD de las membranas hidrofóbicas de madera natural y nanomadera. Crédito de la foto:D. Hou, Universidad de Colorado. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw3203.
Sin embargo, las técnicas de desalinización de agua existentes, como la ósmosis inversa, consumen mucha energía y se encuentran en su límite de eficiencia energética (~ 50 por ciento). Por lo tanto, los investigadores están interesados en utilizar fuentes de energía renovables y de bajo costo como una estrategia alternativa rentable para mitigar los desafíos en el almacenamiento de energía. La destilación por membrana (MD) es una proceso de separación impulsado térmicamente basado en temperatura y presión de vapor utilizando energía solar, fuentes térmicas u otras renovables. En su mecanismo de acción, el agua se evapora en el lado de alimentación caliente de las células MD para difundirse a través de una membrana hidrófoba porosa para condensarse en el lado de permeado frío.
Durante MD, el transporte de vapor de agua puede conducir a una transferencia de calor por convección para reducir el gradiente y disminuir la fuerza impulsora para la transferencia de masa a través de la membrana. Los científicos imaginan que una membrana MD ideal combinará un tamaño de poro grande, tortuosidad de poros bajos, baja conductividad térmica, alta porosidad, espesor óptimo, buena resistencia mecánica, rentabilidad y bajo impacto medioambiental. Sin embargo, las membranas MD existentes hechas de polímeros sintéticos no cumplen con los estándares óptimos debido a varias deficiencias.
En el presente trabajo, por lo tanto, Hou y col. desarrolló la primera membrana MD robusta directamente de madera sostenible como una solución natural para la purificación del agua. El material de nanocelulosa, abundante en la tierra, se utiliza generalmente en productos con impactos ambientales o de salud mínimos para construir andamios. biocombustibles o filtros de agua. Los científicos de materiales desarrollaron la versión actual de nanomadera eliminando directamente lignina y hemicelulosa con tratamiento químico y liofilización para preservar la nanoestructura anisotrópica y la alineación jerárquica de las fibras de madera.
Caracterización de la conductividad térmica de las membranas de madera. (A) Foto de la membrana de nano-madera hidrofóbica. (B) Foto de la membrana de madera natural hidrofóbica. (C) Representación esquemática de la medición de la fuente de calor por contacto. Termógrafos IR de (D) las membranas de madera. (E) Conductividad térmica medida de las membranas de madera de 40 ° a 60 ° C. (F) Comparación de la conductividad térmica de las maderas a 60 ° C antes y después del tratamiento con silano hidrofóbico. Las barras de error representan las DE basadas en tres experimentos independientes. Crédito de la foto:D. Hou, Universidad de Colorado. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aaw3203
Los científicos prepararon la madera en un material a granel anisotrópico y térmicamente aislante con alta porosidad, baja conductividad térmica y buena resistencia mecánica como sustrato ideal para la nueva membrana MD. El equipo de investigación utilizó madera nanoestructurada de tilo americano natural seguida de un revestimiento de silano para formar una membrana superficial hidrófoba con alta porosidad y baja conductividad térmica. Luego compararon las membranas de madera hidrófobas con las membranas comerciales en relación con la estructura y el rendimiento durante la purificación del agua.
Las nuevas membranas presentaban una estructura de poros única con vasos de xilema formados naturalmente y lumina en paralelo a la superficie de la membrana en comparación con las membranas comerciales sintéticas con poros verticales. El equipo de investigación observó directamente la alineación natural de las nanofibrillas de celulosa utilizando microscopía electrónica de barrido (SEM). Observaron la estructura resultante con nanofibrillas cristalinas alineadas unidas por enlaces de hidrógeno intermoleculares y fuerzas de van de Waal. Al eliminar los componentes entremezclados de lignina y hemicelulosa, los científicos contribuyeron a aproximadamente el 70 por ciento de pérdida de masa y mejoraron la porosidad de la membrana de nano-madera hidrófoba. Hou y col. utilizó los poros ubicados entre las nanofibrillas o en las paredes del canal para el transporte de vapor de agua.
Debido a la gran porosidad del material de ingeniería, la conductividad térmica teórica de la membrana de nano-madera hidrófoba disminuyó de 0,210 a 0,04 W m −1 K −1 a 25 ° C, contribuir a la reducción de la pérdida de calor por conducción, mientras aumenta la transferencia de calor por convección. Los científicos trataron la madera con fluoroalquilsilano (FAS) para inducir la hidrofobicidad, lo cual verificaron usando mediciones del ángulo de contacto del agua para obtener ángulos de contacto mayores a 140 grados. Los valores fueron superiores a los observados con membranas comerciales como el politetrafluoroetileno (PTFE) y el fluoruro de polivinilideno (PVDF). La morfología y la estructura de los poros permanecieron intactas antes y después del tratamiento superficial. Los científicos compararon las membranas de madera hidrófobas con las membranas comerciales en relación con las estructuras de membranas, incluida la dimensión del tamaño de los poros (PSD), conductividad térmica y rendimiento.
Desempeño MD de la madera y membranas comerciales. (A) Flujo de agua y (B) conductividades térmicas experimentales para las membranas de madera hidrófobas con una temperatura de alimentación que varía continuamente entre 40 ° y 60 ° C y una temperatura del destilado de 20 ° C. (C) Permeabilidad intrínseca de las membranas. (D) Eficiencia térmica versus flujo de agua de las membranas de madera y membranas comerciales. Las barras de error representan las DE basadas en tres experimentos independientes. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aaw3203.
Para demostrar las capacidades del aislamiento térmico para la membrana de nano-madera hidrofóbica fabricada, los investigadores probaron la muestra bajo una fuente de calor conductora y estimularon la destilación por membrana de contacto directo (DCMD). Durante los experimentos, aplicaron cinco temperaturas diferentes y las midieron con una cámara de infrarrojos (IR). En los resultados, la nanomembrana hidrofóbica mostró baja conductividad térmica y propiedad anisotrópica cuando las temperaturas subieron de 40 0 C — 60 0 C. Según los resultados, la eliminación de lignina y hemicelulosa entremezcladas durante la preparación de la nano-madera contribuyó a cambios significativos en la conductividad térmica de la madera.
Hou y col. luego probó la desalinización térmicamente eficiente de la membrana de nano-madera observando el flujo de agua (vapor) a través de las membranas. Debido al aumento de la porosidad y el tamaño de los poros, la membrana de nano-madera hidrófoba demostró un mayor flujo de agua con una resistencia a la transferencia de vapor sustancialmente reducida. Compararon el rendimiento de la MD de nano-madera con las MD comerciales y propusieron el uso de membranas de madera más delgadas para fabricar un mejor fundente en estudios futuros. Las membranas hidrofóbicas mostraron una buena eficiencia térmica (71 ± 2% a 60 ° C) para representar los valores más altos alcanzados en MD hasta el momento. En total, los resultados sugirieron un tamaño de poro más grande y una PSD (dimensión de tamaño de poro) más amplia de la membrana de nano-madera para compensar las desventajas de la menor porosidad.
La membrana de nano-madera hidrofóbica desarrollada recientemente mostró propiedades superiores y potencial MD para la desalinización del agua. La membrana mostró una buena afluencia de agua (transporte de vapor de agua) y una excelente eficiencia térmica debido a la alta permeabilidad intrínseca y la conductividad térmica súper baja (0.040 W m −1 K −1 ) para promover la transferencia de calor por convección y conducción. De este modo, Dianxun Hou y sus colegas fabricaron una membrana de nano madera utilizando un enfoque de arriba hacia abajo con tratamientos químicos simples. El recientemente desarrollado, La membrana de nano-madera escalable es una membrana térmicamente eficiente con un gran potencial para utilizar calor de bajo grado de diversas fuentes durante la destilación por membrana (MD) para la desalinización de agua.
Los científicos pueden mejorar el tamaño y el grosor de los poros seleccionando otras especies de madera para el proceso en el futuro. También proponen el uso de electrohilado para diseñar fibras de nanocelulosa. Debido a la naturaleza hidrofílica de los materiales de nanocelulosa, Hou y col. tienen como objetivo mejorar aún más la eficiencia del tratamiento hidrofóbico para la durabilidad de la membrana en condiciones químicas y de alta temperatura. El equipo de investigación tiene la intención de optimizar aún más los métodos de fabricación para diseñar materiales de membrana más delgados y más grandes para futuras aplicaciones en la desalinización de agua.
Esquemas imagenes e interfaz de control del aparato para destilación por membrana de contacto directo (DCMD). (A) Esquemas del aparato para destilación por membrana de contacto directo (DCMD). Imágenes visuales de (B) el reactor DCMD y (C) sistema de control de LabVIEW
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