Una fina capa de nitruro de boro hexagonal de nanomaterial bidimensional es el ingrediente clave en una tecnología rentable desarrollada por ingenieros de la Universidad de Rice para desalinizar salmuera de potencia industrial.

Más de 1.800 millones de personas viven en países donde el agua dulce es escasa. En muchas regiones áridas, el agua de mar o el agua subterránea salada es abundante pero costosa de desalinizar. Además, muchas industrias pagan altos costos de eliminación de aguas residuales con altas concentraciones de sal que no pueden tratarse con tecnologías convencionales. Osmosis inversa, la tecnología de desalación más común, requiere una presión cada vez mayor a medida que aumenta el contenido de sal del agua y no se puede utilizar para tratar agua que es extremadamente salada, o hipersalino.

Agua hipersalina, que puede contener 10 veces más sal que el agua de mar, es un desafío cada vez más importante para muchas industrias. Algunos pozos de petróleo y gas lo producen en grandes volúmenes, por ejemplo, y es un subproducto de muchas tecnologías de desalinización que producen tanto agua dulce como salmuera concentrada. El aumento de la conciencia sobre el agua en todas las industrias también es un motor, dijo Qilin Li de Rice, coautor correspondiente de un estudio sobre la tecnología de desalinización de Rice publicado en Nanotecnología de la naturaleza .

"No es solo la industria petrolera, "dijo Li, codirector del Centro de tratamiento de agua habilitado con nanotecnología a base de arroz (NEWT). "Procesos industriales, en general, producen aguas residuales saladas porque la tendencia es reutilizar el agua. Muchas industrias están tratando de tener sistemas de agua de "circuito cerrado". Cada vez que recupera agua dulce, la sal se vuelve más concentrada. Con el tiempo, las aguas residuales se vuelven hipersalinas y hay que desalinizarlas o pagar para eliminarlas ".

La tecnología convencional para desalinizar agua hipersalina tiene altos costos de capital y requiere una amplia infraestructura. TRITÓN, un Centro de Investigación de Ingeniería (ERC) de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) con sede en la Escuela de Ingeniería Brown de Rice, utiliza los últimos avances en nanotecnología y ciencia de los materiales para crear sistemas descentralizados, tecnologías adecuadas para el tratamiento de agua potable y aguas residuales industriales de manera más eficiente.

Una de las tecnologías de NEWT es un sistema de desalinización fuera de la red que utiliza energía solar y un proceso llamado destilación por membrana. Cuando la salmuera fluye a través de un lado de una membrana porosa, se calienta en la superficie de la membrana mediante un revestimiento fototérmico que absorbe la luz solar y genera calor. Cuando fluye agua dulce fría a través del otro lado de la membrana, la diferencia de temperatura crea un gradiente de presión que impulsa el vapor de agua a través de la membrana desde el lado caliente al frío, dejando atrás sales y otros contaminantes no volátiles.

Una gran diferencia de temperatura en cada lado de la membrana es la clave para la eficiencia de la desalinización de la membrana. En la versión de tecnología solar de NEWT, Las nanopartículas activadas por luz unidas a la membrana capturan toda la energía necesaria del sol. resultando en una alta eficiencia energética. Li está trabajando con un socio industrial de NEWT para desarrollar una versión de la tecnología que se pueda implementar con fines humanitarios. Pero la energía solar no concentrada por sí sola no es suficiente para la desalinización de alta velocidad de salmuera hipersalina, ella dijo.

"La intensidad energética está limitada con la energía solar ambiental, "dijo Li, profesor de ingeniería civil y ambiental. "La entrada de energía es de solo un kilovatio por metro cuadrado, y la tasa de producción de agua es lenta para los sistemas a gran escala ".

Agregar calor a la superficie de la membrana puede producir mejoras exponenciales en el volumen de agua dulce que cada pie cuadrado de membrana puede producir cada minuto. una medida conocida como flujo. Pero el agua salada es muy corrosiva, y se vuelve más corrosivo cuando se calienta. Los elementos calefactores metálicos tradicionales se destruyen rápidamente, y muchas alternativas no metálicas funcionan un poco mejor o tienen una conductividad insuficiente.

"Realmente buscábamos un material que fuera altamente conductor de la electricidad y que también soportara una gran densidad de corriente sin que se corroiera en esta agua tan salada". "Dijo Li.

La solución provino de los coautores del estudio Jun Lou y Pulickel Ajayan del Departamento de Ciencia de Materiales y Nanoingeniería de Rice (MSNE). Lou Ajayan y los investigadores postdoctorales de NEWT y los coautores principales del estudio Kuichang Zuo y Weipeng Wang, y el coautor del estudio y estudiante de posgrado, Shuai Jia, desarrollaron un proceso para recubrir una fina malla de acero inoxidable con una fina película de nitruro de boro hexagonal (hBN).

La combinación de nitruro de boro de resistencia química y conductividad térmica ha hecho que su forma cerámica sea un activo preciado en equipos de alta temperatura. pero hBN, la forma 2-D de un átomo de espesor del material, generalmente se cultiva en superficies planas.

"Esta es la primera vez que este hermoso revestimiento de hBN se ha cultivado de forma irregular, superficie porosa, "Dijo Li." Es un desafío, porque en cualquier lugar donde tenga un defecto en el recubrimiento de hBN, comenzará a tener corrosión ".

Jia y Wang utilizaron una técnica de deposición química de vapor (CVD) modificada para hacer crecer docenas de capas de hBN en un malla de acero inoxidable disponible comercialmente. La técnica amplió la investigación anterior de Rice sobre el crecimiento de materiales 2-D en superficies curvas, que fue apoyado por el Centro de Recubrimientos Multifuncionales Atómicamente Delgados, o ATÓMICO. El Centro ATOMIC también está alojado por Rice y apoyado por el Programa de Investigación Cooperativa de la Industria / Universidad de la NSF.

Los investigadores demostraron que el revestimiento de malla de alambre, que tenía solo una décima millonésima parte de un metro de espesor, fue suficiente para encerrar los alambres entretejidos y protegerlos de las fuerzas corrosivas del agua hipersalina. El elemento calefactor de malla de alambre revestido se unió a una membrana de difluoruro de polivinilideno disponible comercialmente que se enrolló en un módulo enrollado en espiral. una forma que ahorra espacio utilizada en muchos filtros comerciales.

En pruebas, Los investigadores alimentaron el elemento calefactor con voltaje a una frecuencia doméstica de 50 hercios y densidades de energía de hasta 50 kilovatios por metro cuadrado. A máxima potencia, el sistema produjo un flujo de más de 42 kilogramos de agua por metro cuadrado de membrana por hora, más de 10 veces mayor que las tecnologías de destilación de membrana solar ambiental, con una eficiencia energética mucho mayor que las tecnologías de destilación de membrana existentes.

Li dijo que el equipo está buscando un socio industrial para ampliar el proceso de recubrimiento CVD y producir un prototipo más grande para pruebas de campo a pequeña escala.

"Estamos listos para perseguir algunas aplicaciones comerciales, ", dijo." La ampliación del proceso a escala de laboratorio a una hoja grande de CVD en 2-D requerirá apoyo externo ".