Una colaboración internacional dirigida por investigadores de la Universidad de Kobe ha desarrollado con éxito una membrana fotocatalítica laminada con nanoláminas que demuestra una excelente permeabilidad al agua y actividad fotocatalítica. Las propiedades fotocatalíticas de la membrana facilitan la limpieza, ya que la irradiación de la membrana con luz reduce con éxito el ensuciamiento. Desarrollaron esta membrana mediante la laminación de nanomateriales 2D (nanoláminas) sobre un soporte poroso.

Esta revolucionaria tecnología de membrana se puede aplicar a la purificación del agua y, por lo tanto, tiene el potencial de contribuir a abordar los problemas ambientales y energéticos globales al ayudar a garantizar el suministro de agua potable segura y energía limpia. Se espera que esto acelere el avance hacia sociedades sostenibles y neutras en carbono.

Este desarrollo fue realizado por un grupo de investigación de la Escuela de Graduados en Ciencia, Tecnología e Innovación/Centro de Investigación de Tecnología de Membranas y Películas de la Universidad de Kobe (Profesor Asociado NAKAGAWA Keizo, Profesor YOSHIOKA Tomohisa y Profesor MATSUYAMA Hideto) en colaboración con el Profesor TACHIKAWA Takashi de la Universidad de Kobe. Centro de Investigación de Fotociencia Molecular, Profesor Asociado Chechia Hu de la Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología de Taiwán y Profesor Shik Chi Edman Tsang de la Universidad de Oxford.

Los resultados se publicaron por primera vez en el Chemical Engineering Journal el 7 de abril de 2022.

El acceso adecuado al agua en muchas regiones del mundo se está convirtiendo en un problema cada vez mayor ante el cambio climático global y el fuerte aumento de la población y el crecimiento económico de los países en desarrollo. Se ha informado que dos tercios de la población mundial sufrirán escasez de agua para 2025. Para evitar esta grave escasez de agua, la adopción generalizada de tecnologías de purificación y reciclaje de agua, así como el uso eficiente de tecnologías de producción de agua (por ejemplo, desalinización de agua de mar), son cruciales.

El método de filtración por membrana se utiliza actualmente en 900 plantas de purificación de agua porque proporciona agua de buena calidad de forma continua y estable. Sin embargo, existe el problema del ensuciamiento de la membrana cuando la membrana, que separa y elimina los contaminantes del agua, se obstruye. Cuando se produce el ensuciamiento de la membrana, ya no es posible obtener la cantidad necesaria de agua tratada. Por lo tanto, es necesario lavar o reemplazar la membrana. Para abordar este problema, se han realizado muchas investigaciones sobre varios métodos de prevención de incrustaciones, sin embargo, aún no se ha encontrado una solución suficiente.

Se ha propuesto un método que requiere menos energía y tiene un bajo impacto ambiental. Esto implica introducir un material fotocatalítico (como titania) en la membrana y eliminar los contaminantes mediante fotocatálisis. Sin embargo, además de poder tratar el agua, dicha membrana también debe demostrar sensibilidad a la luz visible y alta actividad fotocatalítica. Esto requiere que el diseñador considere el diseño de la membrana desde múltiples perspectivas, incluido el material y la estructura de la membrana.

Este grupo de investigación desarrolló previamente una membrana de nanofiltración, que funciona utilizando canales 2D entre sus capas de nanoláminas. Desarrollaron esta membrana mediante la laminación de nanoláminas de niobato (un tipo de nanolámina de óxido metálico, cada lámina tiene un grosor de alrededor de un nanómetro y un par de cientos de nanómetros de ancho) en una membrana de soporte poroso, que creó los canales 2D entre las nanoláminas.

En este estudio, descubrieron que agregar nanoláminas de nitruro de carbono (que responde a la luz visible) a la membrana en capas de nanoláminas de niobato le dio a la membrana una mayor permeabilidad al agua al tiempo que aumentaba en gran medida la actividad fotocatalítica. Además, las propiedades fotocatalíticas de la membrana rectificaron por completo el problema de la reducción de la permeabilidad de la membrana debido al ensuciamiento.

Las membranas laminadas con nanoláminas se pueden formar mediante una simple filtración al vacío de materiales de nanoláminas (soluciones coloidales) sobre membranas de soporte de polímero. En este estudio, el grupo de investigación produjo una membrana laminada con nanoláminas ultradelgada de unos 100 nanómetros de espesor (Figura 1a). Las mediciones de difracción de rayos X y fraccionamiento por peso molecular revelaron que la introducción de nanoláminas de nitruro de carbono en una membrana laminada con nanoláminas de niobato podría controlar el diámetro de los nanocanales entre las capas.

En cuanto a la funcionalidad de la membrana, la membrana de nanofiltración laminada con una proporción de niobato de 74:25 (HNB₃ O₈ ) nanolámina a nitruro de carbono (g-C₃ N₄ ) nanosheet mantuvo su rendimiento de separación mientras demostraba un aumento de 8 veces en la permeabilidad al agua (Figura 1b). En términos de rendimiento fotocatalítico, la integración de nanoláminas de nitruro de carbono permitió absorber la luz visible. Además, esta combinación de nanoláminas mejoró en gran medida la capacidad de la membrana para fotodegradar los colorantes catiónicos (rodamina B) (Figura 1c).

Cuando la membrana compuesta desarrollada se utiliza como membrana de separación, las nanoláminas de niobato dan su estructura a la membrana laminada, mientras que el nitruro de carbono se introduce entre estas capas y actúa como espaciador. En consecuencia, los canales de la membrana laminada se expanden, lo que aumenta en gran medida la tasa de penetración del agua (lado izquierdo de la Figura 2a). El control de la estructura del canal de esta manera permite que el 90% de un tinte (con un peso molecular de aproximadamente 1000) se separe del agua.

La funcionalidad fotocatalítica de la membrana es la siguiente:las nanoláminas de nitruro de carbono funcionan como fotocatalizadores que absorben la luz visible y las nanoláminas de niobato actúan como promotores catalíticos. Además, el grupo de investigación reveló que el control adecuado de la estructura de la banda permitió que los electrones se movieran de manera eficiente, lo que resultó en un aumento espectacular de la actividad fotocatalítica (lado derecho de la Figura 2a). Utilizando estos resultados como base, los investigadores aplicaron la membrana a la purificación del agua y realizaron un experimento de ensuciamiento de la membrana utilizando albúmina de suero bovino (BSA) como ensuciante. El ensuciamiento de BSA redujo la velocidad de permeación de agua de la membrana a 1/5 de su rendimiento normal. Sin embargo, los investigadores lograron restaurar completamente su permeabilidad al irradiar la membrana compuesta de nanoláminas (Figura 2b).

Entretejiendo diferentes tipos de nanoláminas para formar nanocanales 2D, los investigadores desarrollaron con éxito una membrana que demuestra una excelente permeabilidad al agua y actividad fotocatalítica. Se espera que se puedan realizar mejoras adicionales en la funcionalidad de la membrana y la acción fotocatalítica cambiando el tipo de nanolámina para controlar con mayor precisión la formación de nanocanales 2D y la estructura de la banda. A continuación, los investigadores esperan aumentar el área de la membrana y desarrollar el proceso fotocatalítico, con el objetivo de una aplicación industrial y práctica. + Explora más

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