Los investigadores utilizan nanoestructuras a base de flúor para filtrar con éxito la sal del agua

Los investigadores utilizan nanoestructuras a base de flúor para filtrar con éxito la sal del agua


12 de mayo de 2022

(Noticias de Nanowerk) La escasez de agua es un problema creciente en todo el mundo. La desalinización del agua de mar es un método consolidado para la obtención de agua potable, pero está asociado a enormes costes energéticos. Los investigadores utilizan nanoestructuras a base de flúor por primera vez para filtrar con éxito la sal del agua (Ciencia«Permeación de agua ultrarrápida a través de nanocanales con una superficie interna densa que contiene flúor»).

En comparación con los métodos de desalinización actuales, estos nanocanales que contienen flúor funcionan más rápido, requieren menos presión y energía, y son un filtro más efectivo. Nanotubos que contienen flúor Nanotubos que contienen flúor. Reducir los costos de energía y, por lo tanto, los costos financieros y simplificar la desalinización del agua podría ayudar a las comunidades de todo el mundo con un acceso deficiente al agua potable. (© 2022 Itoh et al.)

Si alguna vez ha cocinado con una sartén antiadherente recubierta de teflón, probablemente haya visto con qué facilidad se deslizan los ingredientes húmedos. Esto sucede porque el componente clave del teflón es el flúor, un elemento liviano que es inherentemente repelente al agua o 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. La inspiró a estudiar cómo los tubos o canales de flúor podrían funcionar a un nivel completamente diferente, el nanonivel.

«Teníamos curiosidad por ver qué tan efectivo podría ser un nanocanal que contiene flúor para filtrar selectivamente diferentes compuestos, especialmente agua y sal. Y después de ejecutar algunas simulaciones informáticas complejas, decidimos que valía la pena el tiempo y el esfuerzo para crear un patrón de trabajo”, dijo Itoh. “Actualmente, existen dos formas principales de desalinizar el agua: térmicamente, mediante el calor que evapora el agua de mar para que se condense como agua pura, o por ósmosis inversa, donde la presión fuerza el agua a través de una membrana que bloquea la sal. Ambos métodos requieren alta energía, pero nuestras pruebas indican que los nanocanales que contienen flúor son de baja energía y también tienen otras ventajas”.

El equipo fabricó 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 varios patrones de prueba con nanoanillos de entre 1 y 2 nanómetros. A modo de comparación: un cabello humano tiene casi 100.000 nanómetros de ancho.

Para probar la efectividad de sus membranas, Itoh y el equipo midieron la presencia de iones de cloro, uno de los principales componentes de la sal, el otro sodio, en 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, e incluso los canales más grandes 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 fue el proceso. Nuestra muestra funcionó miles de veces más rápido que los dispositivos industriales típicos y unas 2400 veces más rápido que los dispositivos experimentales de desalinización basados ​​en nanotubos de carbono”.

Debido a que 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 los llamados grupos de agua, esencialmente grupos de moléculas de agua débilmente unidos, lo que les permite pasar 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 operar y también son muy fáciles de usar, entonces, ¿cuál es el problema?

“Actualmente, la forma en que sintetizamos nuestros materiales es en sí misma relativamente intensiva en energía; Sin embargo, esperamos poder mejorar esto en próximas investigaciones. Y dada la longevidad de las membranas y su bajo costo de propiedad, el costo total de energía será mucho más bajo que los métodos actuales”, dijo Itoh. “Otros pasos que queremos tomar son, por supuesto, escalar. Nuestras muestras de prueba eran nanocanales individuales, pero con la ayuda de otros especialistas esperamos hacer una membrana de aproximadamente 1 metro de diámetro en unos pocos años. Paralelamente a estas preocupaciones de fabricación, también estamos investigando si se podrían usar membranas similares para reducir el dióxido de carbono u otros productos de desecho indeseables liberados por la industria”.



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