Nueva Membrana de Grafeno Luce Prometedora para la Desalinización | Fluence

Las membranas de grafeno no sólo permiten la filtración de las pequeñas moléculas de sal, sino que también permiten que el tamaño del poro sea ajustable en un nivel atómico.


A nuevo material a base de grafeno con una estructura similar al tamiz puede demostrar ser un material eficiente y rentable para las membranas de desalinización.

Los científicos del Instituto Nacional de Grafeno de la Universidad de Manchester desarrollaron el óxido de grafeno, según la BBC. El material podría ayudar a hacer rentable la desalinización a pequeña escala, lo cual puede ayudar a aquellos que no tienen acceso al agua potable limpia. Se proyecta que la Escasez del agua afectará al 14% de la población del mundo antes de 2025, según las Naciones Unidas.

Desafíos Técnicos

Las membranas de óxido de grafeno son prometedoras para ayudar a procesos tales como la separación del gas y filtración del agua; sin embargo, las membranas basadas en grafeno convencionales son costosas y difíciles de producir. En vez de usar la deposición de vapor químico, un método típico de hacer una membrana de grafeno, el nuevo método utiliza la oxidación simple para hacer el óxido de grafeno. El material se agrega a un sustrato o material poroso para hacer la membrana.

Antes de realizar este trabajo, los equipos en el Instituto Nacional de Grafeno demostraron el potencial de las membranas de óxido de grafeno para filtrar nanopartículas pequeñas, moléculas orgánicas y sales grandes. Pero el material no resultó útil para la filtración de sales comunes, un requisito de la desalinización.

El profesor Rahul Raveendran Nair explicó lo siguiente:

Para hacerlo permeable hay que perforar agujeros pequeños en la membrana. Pero si el tamaño del agujero es más grande que un nanómetro, las sales se escapan a través del agujero. Usted tiene que hacer una membrana con un agujero de tamaño uniforme de menos de un nanómetro para que sea útil para la desalinización. Es un trabajo realmente desafiante.

Uno de los desafíos es que las membranas de óxido de grafeno se agrandan levemente en el agua, dejando a las sales más pequeñas atravesar los poros junto con las moléculas de agua. La adición de las paredes con resina epoxi en cualquier lado de la membrana de óxido de grafeno detuvo la expansión. Esto también le permitió a los investigadores de la Universidad de Manchester  ajustar las características de la membrana de forma más exacta y permitir que menor cantidad de las sales más pequeñas y comunes impregnen la barrera.

Cuando las sales comunes se disuelven en el agua, se forma una cáscara protectora de moléculas de agua alrededor de las moléculas de sal. Las moléculas de agua individuales pueden atravesar fácilmente la barrera, pero el cloruro de sodio no puede debido a la cáscara protectora, que es más grande que la barrera de la membrana. Los investigadores expresaron que esto hace el material ideal para el uso en la desalinización.

El Dr. Nair explicó a la BBC:

Cuando el tamaño capilar es aproximadamente un nanómetro, está muy cerca del tamaño de la molécula de agua, dichas moléculas forman un arreglo interconectado como un tren. […] Eso hace que el movimiento del agua sea más rápido: si usted empuja con más fuerza en un lado, todas las moléculas se mueven en el otro lado debido al vínculo de hidrógeno entre ellos. Sólo se puede obtener esa situación si el tamaño del canal es muy pequeño.

Membranas de Filtración Disponibles por Encargo

El grafeno es un material atractivo debido a sus características incluyendo tamaño, flexibilidad y fuerza. También es mecánica y químicamente estable. El material de dos dimensiones primero fue aislado en el 2004 en la Universidad de Manchester por los profesores Andre Geim y Kostya Novoselov. En el 2010 ganaron el Premio Nobel en Física, entre muchas otros premios, por este trabajo.

Con la característica agregada de la porosidad, el grafeno es más permeable que las membranas de polímero convencionales, que es el motivo por el cual muchos equipos de investigación continúan investigando nuevas aplicaciones para él en el tratamiento de efluentes y desalinización.

El proceso se podía utilizar para producir membranas de filtración diseñadas a medida. Jijo Abraham, uno de los autores del libro, declaró lo siguiente:

Las membranas desarrolladas no sólo son útiles para la desalinización, sino que la posibilidad de ajustar la escala atómica del tamaño del poro también abre una nueva oportunidad para fabricar membranas a demanda con una filtración disponible capaz de filtrar los iones según su tamaño.

El nuevo material es más dimensionable y asequible. Los investigadores confían que el nuevo método permitirá eventualmente la construcción de sistemas de membranas de óxido de grafeno en pequeña escala, que puede ser utilizado en áreas donde las instalaciones de desalinización grandes y convencionales no pueden construirse en forma económica. También esperan que el material pueda ser producido en masa.

Hay Que Seguir Trabajando

Ram Devanathan, un investigador en el Departamento de Energía del Laboratorio Nacional Pacific Northwest de Estados Unidos, expresó en una revisión adjunta del trabajo que hay que seguir trabajando para producir las membranas de óxido de grafeno rentables en escalas industriales y para demostrar su durabilidad luego de la exposición continua al agua de mar, así como su impenetrabilidad a la suciedad, que generalmente hace que los tratamientos de agua basados en membrana sean costosos.

Los pasos siguientes incluyen la evaluación del material contra el funcionamiento de las membranas de desalinización de tecnología avanzada que están disponibles comercialmente.

Los resultados completos — “Tamiz ajustable de iones con membranas de óxido de grafeno” — fueron publicados en Nature Nanotechnology.