Reducir la energía y, por lo tanto, el costo financiero, así como mejorar la simplicidad de la desalinización del agua, podría ayudar a las comunidades de todo el mundo con acceso deficiente al agua potable. Crédito:© 2022 Itoh et al.
La escasez de agua es un problema creciente en todo el mundo. La desalinización del agua de mar es un método establecido para producir agua potable, pero conlleva enormes costos de energía. Por primera vez, los investigadores utilizan nanoestructuras a base de flúor para filtrar con éxito la sal del agua. En comparación con los métodos de desalinización actuales, estos nanocanales fluorados funcionan más rápido, requieren menos presión y menos energía, y son un filtro más efectivo.
Si alguna vez ha cocinado con una sartén antiadherente recubierta de teflón, probablemente haya visto la forma en que los ingredientes húmedos se deslizan fácilmente. Esto sucede porque el componente clave del teflón es el flúor, un elemento liviano que naturalmente repele el agua o es hidrofóbico. El teflón también se puede usar para revestir tuberías para mejorar el flujo de agua. Tal comportamiento llamó la atención del profesor asociado Yoshimitsu Itoh del Departamento de Química y Biotecnología de la Universidad de Tokio y su equipo. Los inspiró a explorar cómo las tuberías o canales fabricados con flúor podrían operar en una escala muy diferente, la nanoescala.
"Teníamos curiosidad por ver cuán efectivo podría ser un nanocanal fluorado para filtrar selectivamente diferentes compuestos, en particular, agua y sal. Y, después de ejecutar algunas simulaciones informáticas complejas, decidimos que valía la pena el tiempo y el esfuerzo para crear una muestra de trabajo, - dijo Ito. "Actualmente, hay dos formas principales de desalinizar el agua:térmicamente, usando calor para evaporar el agua de mar para que se condense como agua pura, o por ósmosis inversa, que usa presión para forzar el agua a través de una membrana que bloquea la sal. Ambos métodos requieren mucha energía. , pero nuestras pruebas sugieren que los nanocanales fluorados requieren poca energía y también tienen otros beneficios".
El equipo creó membranas de filtración de prueba mediante la síntesis química de anillos de flúor nanoscópicos, que se apilaron e incrustaron en una capa lipídica impermeable, similar a las moléculas orgánicas que forman las paredes celulares. Crearon varias muestras de prueba con nanoanillos de entre 1 y 2 nanómetros. Como referencia, un cabello humano tiene casi 100.000 nanómetros de ancho. Para probar la eficacia de sus membranas, Itoh y el equipo midieron la presencia de iones de cloro, uno de los principales componentes de la sal (el otro es el sodio) a ambos lados de la membrana de prueba.
"Fue muy emocionante ver los resultados de primera mano. El más pequeño de nuestros canales de prueba rechazó perfectamente las moléculas de sal entrantes, y los canales más grandes también fueron una mejora con respecto a otras técnicas de desalinización e incluso a los filtros de nanotubos de carbono de última generación", dijo Itoh. "La verdadera sorpresa para mí fue lo rápido que ocurrió el proceso. Nuestra muestra funcionó varios miles de veces más rápido que los dispositivos industriales típicos y alrededor de 2400 veces más rápido que los dispositivos experimentales de desalinización basados en nanotubos de carbono".
Como el flúor es eléctricamente negativo, repele los iones negativos como el cloro que se encuentra en la sal. Pero una ventaja adicional de esta negatividad es que también descompone lo que se conoce como grupos de agua, esencialmente grupos de moléculas de agua débilmente unidos, para que pasen a través de los canales más rápido. Las membranas de desalinización de agua a base de flúor del equipo son más efectivas, más rápidas, requieren menos energía para funcionar y también están diseñadas para ser muy fáciles de usar, entonces, ¿cuál es el problema?
"Actualmente, la forma en que sintetizamos nuestros materiales es relativamente intensiva en energía; sin embargo, esto es algo que esperamos mejorar en próximas investigaciones. Y, dada la longevidad de las membranas y sus bajos costos operativos, los costos generales de energía mucho más bajo que con los métodos actuales", dijo Itoh. "Otros pasos que deseamos tomar son, por supuesto, ampliar esto. Nuestras muestras de prueba eran nanocanales individuales, pero con la ayuda de otros especialistas, esperamos crear una membrana de alrededor de 1 metro de ancho en varios años. Paralelamente a estas preocupaciones de fabricación, también estamos explorando si se podrían usar membranas similares para reducir el dióxido de carbono u otros productos de desecho indeseables liberados por la industria".
Los resultados se publican en Science . La desalación de agua acelera el ritmo
