Podría aumentar la eficiencia de la membrana entre un 30% y un 40%
Una membrana de desalinización actúa como filtro para el agua salada: empuja el agua a través de la membrana, obteniendo agua limpia apta para la agricultura, la producción de energía e incluso para beber. El proceso parece bastante simple, pero contiene complejidades que han desconcertado a los científicos durante décadas, hasta ahora.
Investigadores de Penn State, la Universidad de Texas en Austin, la Universidad Estatal de Iowa, Dow Chemical Company y DuPont Water Solutions publicaron un hallazgo clave para comprender cómo las membranas filtran realmente los minerales del agua.
"A pesar de su uso durante muchos años, hay mucho que no sabemos sobre cómo funcionan las membranas de filtración de agua", dijo Enrique Gómez, profesor de ingeniería química y ciencia e ingeniería de materiales en Penn State, quien dirigió la investigación. "Descubrimos que la forma de controlar la distribución de densidad de la membrana en sí a nanoescala es realmente importante para el rendimiento de la producción de agua".
Codirigido por Manish Kumar, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Civil, Arquitectónica y Ambiental de UT Austin, el equipo utilizó microscopía electrónica multimodal, que combina las imágenes detalladas a escala atómica con técnicas que revelan la composición química, para determinar que las membranas de desalinización son inconsistentes en densidad y masa.
Los investigadores mapearon las variaciones de densidad en la película de polímero en tres dimensiones con una resolución espacial de aproximadamente un nanómetro, que es menos de la mitad del diámetro de una hebra de ADN. Según Gómez, este avance tecnológico fue clave para comprender el papel de la densidad en las membranas.
"Con solo tu ojo puedes ver cómo algunos lugares son más o menos densos en un filtro de café", dijo Gómez. "En las membranas de filtración, se ve uniforme, pero no a nanoescala, y la forma de controlar esa distribución de masa es realmente importante para el rendimiento de la filtración de agua".
Esto fue una sorpresa, dijeron Gómez y Kumar, ya que anteriormente se pensaba que cuanto más gruesa era la membrana, menos producción de agua. Filmtec, ahora parte de DuPont Water Solutions, que fabrica numerosos productos de desalinización, se asoció con los investigadores y financió el proyecto porque sus científicos internos encontraron que las membranas más gruesas en realidad estaban demostrando ser más permeables.
Los investigadores encontraron que el grosor no importa tanto como evitar regiones de nanoescala altamente densas o "zonas muertas". En cierto sentido, una densidad más consistente en toda la membrana es más importante que el grosor para maximizar la producción de agua, según Gómez.
Esta comprensión podría aumentar la eficiencia de la membrana entre un 30% y un 40%, según los investigadores, lo que resultaría en más agua filtrada con menos energía, una actualización potencial de ahorro de costos para los actuales procesos de desalinización.
"Las membranas de ósmosis inversa se utilizan mucho para limpiar el agua, pero todavía hay muchas cosas que no sabemos sobre ellas", dijo Kumar. "No podríamos decir realmente cómo se mueve el agua a través de ellas, por lo que todas las mejoras de los últimos 40 años se han realizado esencialmente en la oscuridad".
Las membranas de ósmosis inversa funcionan aplicando presión en un lado. Los minerales permanecen allí, mientras pasa el agua. Si bien es más eficiente que los procesos de desalinización sin membrana, esto aún requiere una inmensa cantidad de energía, dijeron los investigadores, pero mejorar la eficiencia de las membranas podría reducir esa carga.
"La gestión del agua dulce se está convirtiendo en un desafío crucial en todo el mundo", dijo Gómez. "Escasez, sequía: con el aumento de los patrones climáticos severos, se espera que este problema sea aún más significativo. Es de vital importancia tener agua limpia disponible, especialmente en áreas de bajos recursos".
El equipo continúa estudiando la estructura de las membranas, así como las reacciones químicas involucradas en el proceso de desalación. También están examinando cómo desarrollar las mejores membranas para materiales específicos, como membranas sostenibles pero resistentes que pueden prevenir la formación de crecimiento bacteriano.
"Continuamos impulsando nuestras técnicas con más materiales de alto rendimiento con el objetivo de dilucidar los factores cruciales de la filtración eficiente", dijo Gómez.
El artículo aparece en la portada de la edición impresa de Science del 1 de enero: Nanoscale control of internal inhomogeneity enhances water transport in desalination membranes
