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Jan 25, 2024

Nuevo dispositivo purifica agua salada 1000 veces más rápido que los equipos industriales estándar

Por Universidad de Tokio 10 de junio de 2022 Un nuevo estudio, publicado en Science el mayo

Por Universidad de Tokio 10 de junio de 2022

Un nuevo estudio, publicado en Science el 12 de mayo de 2022, encontró un nuevo método para purificar el agua que es 2400 veces más rápido que incluso los dispositivos experimentales de desalinización basados ​​en nanotubos de carbono.

La escasez de agua es un problema creciente en todo el mundo. Solo en África, se estima que alrededor de 230 millones de personas enfrentarán escasez de agua para 2025, y hasta 460 millones vivirán en regiones con escasez de agua.

El agua cubre el 70% de la Tierra, por lo que es fácil suponer que siempre será abundante. Sin embargo, el agua dulce es muy escasa. Una tecnología diseñada para ayudar a producir más agua dulce son las plantas de desalinización. La desalinización del agua es el proceso de eliminar la sal del agua de mar para producir agua dulce que puede procesarse más y usarse de manera segura. Una planta desalinizadora convierte aproximadamente la mitad del agua que recibe en agua potable.

Aunque la desalinización de agua de mar es una forma bien establecida de producir agua potable, conlleva un alto costo de energía. Los investigadores han filtrado con éxito la sal del agua por primera vez utilizando nanoestructuras a base de flúor. Estos nanocanales fluorados son más efectivos que las tecnologías de desalinización convencionales porque funcionan más rápido, usan menos presión, son un filtro más efectivo y usan menos energía.

You’ve probably seen how effortlessly wet ingredients slide across a nonstick Teflon-coated frying pan if you’ve ever used one. Fluorine, a lightweight ingredient that is inherently water-repellent, or hydrophobic, is a crucial component of Teflon. Teflon can also be used to enhance the flow of water by lining pipes with it. Associate Professor Yoshimitsu Itoh of the University of Tokyo's Department of Chemistry and Biotechnology, as well as his colleagues, were intrigued by this behavior. Thus, they were inspired to investigate how fluorine pipelines or channels may work on a different scale, the nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">nanoescala

Reducir la energía y, por lo tanto, el costo financiero, así como mejorar la simplicidad de la desalinización del agua, podría ayudar a las comunidades de todo el mundo con acceso deficiente al agua potable. Crédito: 2022 Itoh et al.

"Teníamos curiosidad por ver cuán efectivo podría ser un nanocanal fluorado para filtrar selectivamente diferentes compuestos, en particular, agua y sal. Y, después de ejecutar algunas simulaciones informáticas complejas, decidimos que valía la pena el tiempo y el esfuerzo para crear una muestra de trabajo, - dijo Ito. "Actualmente, hay dos formas principales de desalinizar el agua: térmicamente, usando calor para evaporar el agua de mar para que se condense como agua pura, o por ósmosis inversa, que usa presión para forzar el agua a través de una membrana que bloquea la sal. Ambos métodos requieren mucha energía. , pero nuestras pruebas sugieren que los nanocanales fluorados requieren poca energía y también tienen otros beneficios".

Los investigadores desarrollaron membranas de filtración de prueba mediante la fabricación química de anillos de flúor nanoscópicos que se apilaron e implantaron en una capa lipídica impenetrable, similar a las moléculas orgánicas que se encuentran en las paredes celulares. Desarrollaron múltiples muestras de prueba con nanoanillos que varían en tamaño de 1 a 2 nanómetros. Un cabello humano tiene casi 100.000 nanómetros de ancho para comparar. Itoh y sus colegas evaluaron la presencia de iones de cloro, uno de los principales componentes de la sal (el otro es el sodio), a ambos lados de la membrana de prueba para determinar la eficacia de sus membranas.

"Fue muy emocionante ver los resultados de primera mano. El más pequeño de nuestros canales de prueba rechazó perfectamente las moléculas de sal entrantes, y los canales más grandes también 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 ocurrió el proceso. Nuestra muestra funcionó varios miles de veces más rápido que los dispositivos industriales típicos y alrededor de 2400 veces más rápido que los dispositivos experimentales de desalinización basados ​​en nanotubos de carbono".

Como 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 lo que se conoce como grupos de agua, esencialmente grupos de moléculas de agua débilmente unidos, para que pasen 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 funcionar y también están hechas para ser muy fáciles de usar, entonces, ¿cuál es el problema?

"Actualmente, la forma en que sintetizamos nuestros materiales es relativamente intensiva en energía; sin embargo, esto es algo que esperamos mejorar en próximas investigaciones. Y, dada la longevidad de las membranas y sus bajos costos operativos, los costos generales de energía mucho más bajo que con los métodos actuales", dijo Itoh. "Otros pasos que deseamos tomar son, por supuesto, ampliar esto. Nuestras muestras de prueba eran nanocanales individuales, pero con la ayuda de otros especialistas, esperamos crear una membrana de alrededor de 1 metro de ancho en varios años. Paralelamente a estas preocupaciones de fabricación, también estamos explorando si se podrían usar membranas similares para reducir el dióxido de carbono u otros productos de desecho indeseables liberados por la industria".

Referencia: "Permeación de agua ultrarrápida a través de nanocanales con una superficie interior densamente fluorada" por Yoshimitsu Itoh, Shuo Chen, Ryota Hirahara, Takeshi Konda, Tsubasa Aoki, Takumi Ueda, Ichio Shimada, James J. Cannon, Cheng Shao, Junichiro Shiomi, Kazuhito V Tabata, Hiroyuki Noji, Kohei Sato y Takuzo Aida, 12 de mayo de 2022, Science.DOI: 10.1126/science.abd0966