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La desalinización simplificada
Obtener acceso al agua potable es un desafío diario para más de mil millones de personas en el mundo. La desalinización puede ayudar a aliviar esas poblaciones con estrés hídrico al filtrar la sal de la abundante agua de mar, y hay más de 7,000 plantas de desalinización en todo el mundo, 250 operando solo en los Estados Unidos. Sin embargo, las membranas que utilizan estas plantas para filtrar la sal tienden a romperse cuando se exponen a un ingrediente esencial en el proceso: el cloro.
Optimización de la desalación: El investigador Ho Bum Park tiene dos muestras de la membrana de desalinización tolerante al cloro. El de la izquierda tiene un décimo de micrómetro de espesor y está hecho de un soporte poroso con una fina capa de membrana. La membrana azul tiene un grosor de aproximadamente 50 micrómetros.
Ahora, investigadores de la Universidad de Texas en Austin (UT Austin) y el Instituto Politécnico de Virginia han diseñado una membrana tolerante al cloro que filtra la sal tan bien como muchas membranas comerciales. Los investigadores dicen que dicha membrana eliminaría pasos costosos en el proceso de desalinización y eventualmente se usaría para filtrar la sal del agua de mar. Los resultados de su estudio aparecen en el número más reciente de la revista. quimica APLICADA .
En la actualidad, la mayoría de las plantas desaladoras utilizan membranas de poliamida para separar eficazmente la sal del agua de mar. Dado que el agua de mar alberga una variedad de organismos que pueden formar una película gruesa sobre las membranas y obstruir el filtro, las plantas usan cloro para desinfectar el agua entrante antes de que se envíe a través de las membranas. El problema es que estas membranas se degradan después de una exposición continua al cloro. Entonces, la industria de la desalinización agregó otro paso, declorando rápidamente el agua después de haber sido tratada con cloro y antes de que pase a través de la membrana. Una vez desalada el agua, se vuelve a agregar cloro, antes de que el agua ingrese al suministro de agua potable.
Benny Freeman , profesor de ingeniería química en UT Austin, dice que una membrana tolerante al cloro puede ayudar a agilizar significativamente el proceso de desalinización. Freeman y James McGrath , profesor de química en el Instituto Politécnico de Virginia, diseñó una membrana de filtrado de agua que resiste exposiciones repetidas al cloro.
La nueva membrana está hecha de polisulfona, un termoplástico que contiene azufre y es altamente resistente al cloro. Investigadores anteriores han intentado diseñar membranas tolerantes al cloro utilizando polisulfona, pero se han visto obstaculizados porque el material es extremadamente hidrófobo y no deja pasar el agua fácilmente. Los científicos han intentado alterar químicamente la composición del polímero agregando compuestos hidrófilos o que atraen el agua. Sin embargo, el tiempo lo es todo, y Freeman dice que cuando los investigadores agregan tales compuestos después de sintetizar el polímero, eventualmente se rompe la columna vertebral de la cadena del polímero ... hasta el punto en que no es útil.
En cambio, Freeman y McGrath agregaron dos grupos de ácido sulfónico cargados hidrófilos durante el proceso de polimerización y descubrieron que podían sintetizar un polímero duradero y reproducible. Luego realizaron una variedad de experimentos para medir la capacidad del material para tolerar el cloro y filtrar la sal, en comparación con las membranas comerciales.
Primero, el equipo llevó a cabo pruebas de permeabilidad a la sal, midiendo la cantidad de sal que atraviesa una membrana en un período de tiempo determinado. Cuanto menos sal haya en el agua filtrada, mejor. Freeman y McGrath descubrieron que la nueva membrana funcionaba tan bien como muchas membranas comerciales en la filtración de agua con un contenido de sal bajo a medio. Para muestras más saladas comparables al agua de mar, la membrana del equipo era un poco menos permeable.
Tenemos materiales que son competitivos hoy en día con la nanofiltración existente y algunas de las membranas de agua salobre, dice Freeman. Ahora estamos impulsando la química para adentrarnos más en el área del agua de mar, que es un mercado importante al que nos gustaría acceder.
Los investigadores también probaron la sensibilidad al cloro del polímero. Descubrieron que, después de la exposición a soluciones concentradas de cloro durante más de 35 horas, la nueva membrana sufría pocos cambios en su composición, en comparación con las membranas comerciales de poliamida, que eran devoradas por el cloro.
Actualmente, Freeman y sus colegas están manipulando aún más la composición del polímero para tratar de ajustar varias propiedades, con la esperanza de diseñar una membrana más selectiva y resistente al cloro. También están en conversaciones con un fabricante líder de membranas desaladoras, con el objetivo de llevar la nueva membrana al mercado.
Estas membranas pueden representar una ruta razonable para la comercialización, dice Freeman. Si tenemos éxito, tendremos la posibilidad de fabricar básicamente estas membranas en el mismo equipo que la gente usa hoy en día.
Eric Hoek , profesor asistente de ingeniería civil y ambiental en la Universidad de California en Los Ángeles, trabaja en la ingeniería de nuevas membranas de desalinización en el Instituto de Nanosistemas de California. Él dice que la membrana tolerante al cloro desarrollada por el equipo de Freeman puede ser una alternativa prometedora a las contrapartes industriales de hoy.
Este trabajo se encuentra entre las investigaciones más innovadoras e interesantes sobre materiales de membrana en la última década, dice Hoek. Si bien la tolerancia al cloro exhibida por estas membranas es impresionante, el rendimiento de separación básico aún no está donde debe estar para que estos materiales se promocionen como reemplazos inmediatos de la tecnología comercial de membranas de agua de mar.