Hojas de grafeno con poros controlados precisamente tienen potencial para purificar agua más eficientemente que los métodos existentes.
David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés).
La disponibilidad del agua fresca esta disminuyendo en muchas partes del mundo, un problema que se espera que crezca con la población. Una fuente prometedora de agua potable es la cantidad virtualmente ilimitada de agua de mar en el mundo, pero hasta ahora la tecnología de desalinización ha sido muy cara para el uso extendido.
Ahora, investigadores del MIT han diseñado un nuevo acercamiento usando un tipo diferente de material de filtración: hojas de grafeno, una forma del elemento carbono de un átomo de grosor, el cual dicen que es mucho más eficiente y posiblemente menos caro que los sistemas existentes de desalinización.
“No hay mucha gente trabajando en la desalinización desde un punto de vista de materiales,” dice Jeffrey Grossman, el profesor asociado de Ingeniería de Energía en el Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería del MIT, quien es el autor principal de un artículo describiendo el nuevo proceso en el diario Nano Letters.
Grossman y el estudiante graduado David Cohen-Tanugi, quien es el autor líder del artículo, apuntaron a “controlar las propiedades del material hasta el nivel atómico,” produciendo una hoja de grafeno perforada con agujeros de un tamaño preciso. También añadieron otros elementos al material, causando que los bordes de esas minúsculas aperturas interactuen químicamente con las moléculas de agua – ya sea repeliéndolas o atrayéndolas.
“Estuvimos muy placenteramente sorprendidos por lo bien que el grafeno se desempeñó comparado a los sistemas existentes en las simulaciones por computadora,” dice Grossman.
Un método común de desalinización, llamado ósmosis inversa, usa membranas para filtrar la sal del agua. Pero estos sistemas requieren presión extremadamente alta – y por lo tanto, uso de energía – para forzar el agua a través de las delgadas membranas, las que son alrededor de mil veces más gruesas que el grafeno. El nuevo sistema de grafeno opera a una presión mucho más baja, y por lo tanto podría purificar el agua con un costo mucho más bajo, dicen los investigadores.
Mientras que la ósmosis reversa ha sido utilizada por décadas, “los mecanismos realmente básicos de separar la sal del agua no están bien entendidos, y son muy complejos,” dice Cohen-Tanugi, añadiendo que es muy difícil hacer experimentos a la escala de moléculas y iones individuales. Pero el nuevo sistema basado en grafeno, dice, trabaja “cientos de veces más rápido que las técnicas actuales, con la misma presión” – o, alternativamente, el sistema podría alcanzar las mismas tasas de los sistemas actuales, pero con presión más baja.
La clave para el nuevo proceso es el control preciso sobre el tamaño de los agujeros en la hoja de grafeno. “Hay un punto preciso, pero es muy pequeño,” dice Grossman – entre los poros lo suficientemente grandes para que pueda pasar la sal a través y lo suficientemente pequeños para que las moléculas de agua sean bloqueadas. El tamaño ideal es apenas por encima de un nanómetro, o una mil millonésima parte de un metro, dice. Si los agujeros son apenas ligeramente más pequeños – 0.7 nanómetros- el agua no circulará.
Otros grupos de investigación han trabajado para crear poros en el grafeno, dice Cohen-Tanugi, pero con tamaños diferentes y para diferentes propósitos – por ejemplo, haciendo agujeros mucho más grandes para filtrar moléculas como el ADN, o para separar diferentes tipos de gases. Los métodos usados para estos procesos no fueron lo suficientemente precisos para hacer los pequeños agujeros necesarios para la desalinización, dijo, pero técnicas más avanzadas – como el bombardeo de helio-ion para hacer agujeros precisos en el grafeno, grabados químicos y sistemas de auto-ensamblado – podrían ser adecuadas.
Por ahora, Grossman y Cohen-Tanugi han estado haciendo simulaciones de computadora de el proceso para determinar sus características óptimas. “Comenzaremos a trabajar en el prototipo este verano,” dice Grossman.
Debido a que el grafeno ha sido objeto de investigación en muchas aplicaciones diferentes, ha habido una gran cantidad de trabajo en encontrar maneras de hacerlo económico y en grandes cantidades. Y para la desalinización, debido a que el grafeno es un material tan fuerte – libra por libra, es el material más fuerte conocido – las membranas deberían de ser más durables que aquellas siendo actualmente usadas para la ósmosis inversa, dice Grossman.
Adicionalmente a esto, el material necesario para la desalinización no necesita ser tan puro como para usos electrónicos u ópticos, dice: “Unos pocos defectos no importan, mientras que no se abran” para que así la sal pueda pasar a través.
Joshua Schrier, un profesor asistente de química en el Colegio Haverford, dice, “Simulaciones previas han estudiado el flujo de agua a través de muy pequeños agujeros en el grafeno, y el diseño de poros que selectivamente permitan el paso de iones, pero – a pesar de la relevancia social y de ingeniería relevante a la desalinisación – nadie ha podido examinar las intersecciones de estos dos campos.” El trabajo por el equipo del MIT podría abrir un nuevo acercamiento a la desalinización, dice.
Schrier añade, “Manufacturar las estructuras porosas muy precisas que son encontradas en este artículo será difícil de hacer en gran escala con los métodos existentes.” Sin embargo, dice, “las predicciones son lo suficientemente exitantes que deberían de motivar a los ingenieros químicos a desarrollar análisis económicos más detallados de la desalinización del agua con estos tipos de materiales.”
El trabajo fue fundado por la Iniciativa de Energía del MIT y la Beca John S. Hennessy, y utilizó recursos computacionales del Centro Nacional de Computación Científica para la Investigación de Energia.
Reimpreso con permiso de MIT News.
Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)