Podrían utilizarse ampliamente en proyectos de desalinización
Las nanopartículas de ferrita de manganeso podrían provocar un aumento sustancial en la disponibilidad de agua potable a nivel mundial cuando se utilicen para modificar las capas filtrantes que se emplean actualmente en las plantas de tratamiento de agua, según los científicos.
"Nuestro estudio registra algunos resultados extraordinarios. La membrana de mayor rendimiento, que contiene un 2% en peso de material compuesto, logró un flujo de agua de 351,4 LMH, que es 2,6 veces mayor que las membranas PES prístinas", dijo el coautor del estudio, el Dr. Ismail Almanassra, investigador asociado en el Instituto de Ciencias e Ingeniería de la Universidad de Sharjah.
Las membranas de PES o polietersulfona son fundamentales para las plantas de tratamiento de agua, ya que funcionan como barreras que permiten el paso del agua potable y evitan que las atraviesen sustancias no deseadas. Filtran del agua sales, impurezas y otras partículas no deseadas.
"La importancia de este proyecto radica en su potencial para revolucionar los procesos de tratamiento de agua, ofreciendo beneficios tecnológicos, económicos, ambientales y de salud a gran escala", añadió el Dr. Almanassra.
El estudio muestra que los científicos han desarrollado "membranas UF con un flujo de agua y tasas de rechazo superiores" y con la capacidad de abordar ineficiencias clave en los actuales métodos de tratamiento de agua.
"El proyecto mitiga eficazmente la bioincrustación, reduciendo los costos de mantenimiento y operación y, al mismo tiempo, contribuyendo a la sostenibilidad ambiental mediante una gestión más eficiente del agua", añadió el Dr. Almanassra.
Imagen: Membrana de ferrita de manganeso. Crédito: Journal of Membrane Science (2024). DOI: 10.1016/j.memsci.2023.122259
Las membranas de UF o ultrafiltración se utilizan ampliamente en plantas de tratamiento de agua en todo el mundo. También se utilizan de forma convencional y habitual en proyectos de desalinización, así como en el pretratamiento de aguas subterráneas, el procesamiento de alimentos, la separación de productos químicos industriales y el tratamiento de aguas residuales.
Las membranas de ultrafiltración también funcionan como barrera para suspender endotoxinas, virus y otros sólidos y patógenos para producir agua potable con alta pureza y baja densidad de sedimentos. En su mayoría están construidas con materiales poliméricos o cerámicos.
El Dr. Almanassra dijo que las plantas de tratamiento de agua y desalinización actualmente enfrentan varios desafíos "especialmente durante la etapa de pretratamiento donde se utilizan membranas de ultrafiltración (UF) basadas en polímeros para la descontaminación.
"Uno de los principales problemas es la bioincrustación, donde los materiales biológicos se acumulan en la superficie de la membrana, lo que afecta negativamente el flujo de permeado y la calidad del agua".
La bioincrustación afecta negativamente la eficiencia y la durabilidad de las membranas de UF utilizadas en las plantas de tratamiento de agua. Es causada por microorganismos que contaminan y contaminan el agua, disminuyen la producción de agua potable y cubren, bloquean o dañan las superficies de las membranas.
Este es un problema con el que aún lidian los ingenieros operativos. Para abordarlo, generalmente buscan dos soluciones. En la primera, aumentan la presión operativa sobre las membranas de FU para mantener la permeabilidad y la producción de agua. En segundo lugar, se ven obligados a sustituir con frecuencia las membranas contaminadas con bioincrustaciones.
Imagen derecha: Representación gráfica de (a) preparación de nanocompuesto MnFe2O4/g-C3N4, (b) fabricación de membranas de ultrafiltración híbridas MnFe2O4/g-C3N4/PES mediante NIPS y (c) configuración de filtración de celdas sin salida utilizada para experimentos de filtración. Crédito: Journal of Membrane Science (2024). DOI: 10.1016/j.memsci.2023.122259
Sin embargo, los autores del estudio demuestran que ambas soluciones conllevan mayores costes operativos y de mantenimiento. Como investigadores de diversos orígenes, trabajan para innovar y diseñar membranas de UF integrando materiales hidrófilos para abordar la bioincrustación de manera eficaz y reducir los gastos a largo plazo.
"Este enfoque no solo mejora el flujo de permeado y las tasas de eliminación de contaminantes, sino que también reduce significativamente el impacto de la bioincrustación a lo largo del tiempo, lo que conduce a soluciones de tratamiento de agua más eficientes y rentables", dijo el Dr. Almanassra.
La innovación de los científicos radica en su éxito en la modificación del nitruro de carbono grafítico 2D con nanopartículas de ferrita de manganeso para su uso como nanorellenos para membranas PES UF. Las membranas se fabricaron con diferentes cargas de masa del aditivo que oscilaban entre 0,5 y 3 % en peso, mediante el método de inversión de fase.
Previo a su prueba y evaluación, estas películas fueron caracterizadas utilizando diferentes técnicas para estudiar su morfología, rugosidad superficial y atributos fisicoquímicos y mecánicos. Posteriormente, las membranas fueron probadas con agentes incrustantes que se sabe que causan incrustaciones con el tiempo.
"En términos de capacidad de rechazo y antiincrustación, nuestra membrana se destacó, rechazando más del 95% de HA y BSA. Sorprendentemente, incluso después del lavado hidráulico, la membrana mantuvo una tasa de recuperación superior al 88%".
"La integración de materiales hidrófilos marca un avance significativo en la ciencia de los materiales, con posibles aplicaciones más allá del tratamiento del agua. En última instancia, este proyecto mejora la salud pública al proporcionar agua más limpia y segura y ofrece soluciones escalables a los problemas globales de escasez de agua y contaminación".
El estudio se ha publicado en el Journal of Membrane Science: Pioneering Biofouling Resistant PES UF Membrane with MnFe2O4/g-C3N4 Nanocomposite: Insight into Mechanisms and Fouling Dynamics
