Membranas de ósmosis inversa con espesor ajustable

En la actualidad, más de 300 millones de personas en todo el mundo dependen del agua desalada para satisfacer una parte o la totalidad de sus necesidades diarias. Esa demanda sólo crecerá con el aumento de la población y la mejora de los niveles de vida en todo el mundo.

Sin embargo, el acceso a los océanos para obtener agua potable requiere tecnologías de desalinización complicadas y costosas. La tecnología más comúnmente utilizada para la desalinización es la ósmosis inversa (OI), un proceso en el que el agua de mar es forzada a través de una membrana capaz de eliminar sales y otros contaminantes de pequeñas moléculas. Mientras que el uso de osmosis inversa continúa aumentando en todo el mundo, muchos de sus inconvenientes, entre los que se incluyen el alto consumo de energía y la propensión de las membranas a ensuciarse, siguen afectando a la industria.

En el número actual de Science, los investigadores de la Universidad de Connecticut ofrecen un nuevo enfoque para la producción de membranas que nos hace repensar cómo diseñar y utilizar las membranas de ósmosis inversa para la desalinización.

Utilizando un enfoque de fabricación aditiva que emplea electrospray, los científicos de UConn fueron capaces de crear membranas de poliamida ultra finas y ultra lisas que son menos propensas a las incrustaciones y pueden requerir menos energía para mover el agua a través de ellas.

“Las membranas actuales para la ósmosis inversa no se fabrican de una manera que permita controlar sus propiedades”, dice Jeffrey McCutcheon, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular y autor correspondiente del artículo. “Nuestro enfoque utiliza una técnica ‘aditiva’ que permite controlar las propiedades fundamentales de la membrana, como el espesor y la rugosidad, lo que actualmente es imposible con métodos convencionales”.

Los enfoques convencionales para hacer membranas de osmosis inversa no han cambiado en casi 40 años. El enfoque tradicional para hacer estas membranas se conoce como polimerización interfacial. Este método se basa en una reacción auto-terminada entre una amina de fase acuosa y un monómero de cloruro ácido de fase orgánica. Las películas de poliamida resultantes, extremadamente finas, altamente selectivas y permeables al agua, se convirtieron en la membrana estándar de oro para la osmosis inversa. Sin embargo, a medida que el campo ha avanzado, la necesidad de controlar mejor esta reacción para permitir que las membranas de diferentes espesores y rugosidades optimicen el flujo de agua y reduzcan el ensuciamiento se ha vuelto más apremiante.

El método de UConn proporciona un nivel superior de control sobre el espesor y la rugosidad de la membrana de poliamida. Las membranas de poliamida típicas tienen un espesor entre 100 y 200 nanómetros (nm) que no se puede controlar. El método de electrospray de UConn permite la creación controlada de membranas tan finas como 15 nm y la capacidad de controlar el espesor de la membrana en incrementos de 4 nm, un nivel de especificidad nunca antes visto en esta área. Asimismo, las membranas típicas de osmosis inversa tienen una rugosidad de más de 80 nm. Los investigadores de la UConn fueron capaces de crear membranas con una rugosidad tan baja como 2 nm. A pesar de estas propiedades únicas, la membrana continuó mostrando un alto rechazo a la sal y era robusta cuando operaba bajo presiones típicas de osmosis inversa.

“Nuestro enfoque de impresión para fabricar membranas de poliamida tiene el beneficio adicional de ser escalable”, dice McCutcheon. “Al igual que el electrospinning ha visto mejoras dramáticas en el proceso rollo a rollo, el electrospraying puede ser escalado con relativa facilidad.”

Los autores del estudio también concluyen que este tipo de fabricación podría ahorrar en el consumo de productos químicos, ya que los baños químicos tradicionales no son necesarios como parte del proceso de fabricación de membranas.

“En el laboratorio, utilizamos un 95% menos de volumen de productos químicos haciendo membranas mediante impresión en comparación con la polimerización interfacial convencional”, dice McCutcheon, Profesor Al Geib de Investigación y Educación en Ingeniería Ambiental de la Escuela de Ingeniería UConn. “Estos beneficios se magnificarán en la fabricación de membranas a gran escala y harán que el proceso sea más “verde” de lo que ha sido en los últimos 40 años”.

Este nuevo e innovador enfoque no se limita a la desalinización y podría conducir a mejores membranas para otros procesos de separación.

“Este método no se limita a la fabricación de membranas para osmosis inversa”, dice McCutcheon, quien además de sus funciones académicas también es director ejecutivo del Fraunhofer USA Center for Energy Innovation de UConn, que se centra en el desarrollo de nuevas tecnologías de membranas aplicadas. “De hecho, esperamos que este método permita considerar nuevos materiales para una infinidad de procesos de separación por membranas, tal vez en procedimientos en los que esos materiales no se utilizaban o no se podían utilizar antes”.

Traducido desde: ScienceDaily