Expertos mejoran el rendimiento de la desalinización de agua mediante membranas

Un estudio realizado en la Universidad Politécnica de Turín (Italia), en estrecha colaboración con el Instituto de Tecnología de Massachusetts, en Estados Unidos, y publicado por la revista ‘Nature Communications’, muestra una forma innovadora de mejorar el rendimiento de desalinización por membranas. En el futuro, membranas para ósmosis inversa fabricadas con estos nuevos criterios podrían desalinizar el agua de mar con costes mucho menores.

Desalinizar el agua de mar a menor coste es el objetivo del trabajo realizad por un equipo de ingenieros del Departamento de Energía de la Universidad Politécnica de Turín, en Torino, Italia, en colaboración con el Instituto de Tecnología de Massachusetts-MIT (Cambridge, Estados Unidos) y la Universidad de Minnesota, en Minneapolis, Estados Unidos.

El agua de mar puede ser desalinizada y hacerse potable por medio de una membrana, es decir, un tapiz capaz de separar las moléculas de agua de iones de sal disueltos. La energía requerida en este proceso de separación puede proporcioanrrse mediante fuentes de calor, campos electromagnéticos o presión hidráulica.

En concreto, la investigación presentada por las instituciones italianas y estadounidenses se ha centrado en el proceso de desalinización por ósmosis inversa, que se centra en la capacidad de algunos materiales porosos –bajo presiones mayores que la osmótica– a impregnarse sólo de moléculas de agua, mientras rechaza los iones de sal.

Este proceso puede describirse como una serie de vehículos haciendo cola ante las cabinas de peaje para entrar en la carretera. “Supongamos que las motocicletas son moléculas de agua mientras que los coches son iones disueltos de sal y que ambos están pacientemente en la cola del peaje”, ponen como ejemplos investigadores.

“Ahora, imaginemos que la apertura de la caseta de peaje es sólo de un metro de ancho: las motocicletas podrían superar fácilmente la barrera y así entrar en la carretera, mientras que los coches se ven obligados a cambiar de rumbo. De manera similar, las membranas de ósmosis inversa permiten llevar moléculas de agua, mientras que que bloquean las sales disueltas. Por lo tanto, las eficientes membranas se caracterizan por el transporte de grandes tasas de agua con una entrada fija de energía y una superficie efectiva, es decir, de alta permeabilidad”, añade.

DESTAPAN LOS MECANISMOS QUE REGULAN EL TRANSPORTE DE AGUA

Los investigadores de la Universidad Politécnica de Turín, el MIT y la Universidad de Minnesota han dado un paso más al comprender los mecanismos que regulan el transporte de agua desde uno de los lados (agua salada) al otro (agua dulce) de la membrana. De hecho, el laboratorio de investigación en el MIT ha medido experimentalmente el coeficiente de difusión del agua permeada, es decir, la movilidad de las moléculas de agua al cruzar la membrana.

Estas membranas están hechas de zeolita, que es un material caracterizado por una densa (y ordenada) red de poros con diámetro subnanométricos (menos de una mil millonésima de metro). Sin embargo, el coeficiente de difusión experimental del agua parece ser casi un millón de veces menor que el esperado por simulaciones y análisis teóricos, según lo medido por los investigadores de la Universidad Politécnica de Turín. Un rompecabezas que requiso más de dos años de actividades entre Torino y Boston, gracias al programa de investigación en colaboración MITOR, financiado por Compagnia di San Paolo.

Los investigadores explican que el transporte de agua a través de la membrana se rige por una serie de dos fenómenos: en primer lugar, las moléculas de agua tienen que encontrar un poro abierto (resistencia de la superficie de transporte); a continuación, pueden entrar y difundirse dentro de la membrana (resistencia volumétrica de transporte) y pasar finalmente al otro lado de la membrana.

“Volviendo al símil anterior, añadir más carriles a la carretera puede ser una estrategia insuficiente para acelerar el viaje de los motociclistas a través de la carretera. De hecho, también hay que contar con un número suficiente de peajes abiertos disponibles con el fin de evitar los atascos de tráfico en la entrada (y salida) de la carretera”, dicen los investigadores.

Los científicos han demostrado, por lo tanto, que la diferencia en el orden de magnitud entre los valores teóricos y experimentales de permeabilidad de la membrana se debe a la resistencia al transporte de agua mostrada por la superficie de las membranas. Esta resistencia se deriva de las técnicas actuales de fabricación de membranas de zeolita, que provocan el cierre de más de 99,9% de las bocas de los poros disponibles.

En otras palabras, las moléculas de agua pueden penetrar a través de una fracción mínima (uno por mil) de las aberturas de los poros de la superficie: esto genera un efecto de cuello de botella, ralentizando el transporte total de agua a través de la membrana y, por lo tanto, reduciendo drásticamente la permeabilidad de la membrana.

Después de más de dos años de permanencia en simulaciones por ordenador y experimentos, Matteo Fasano, Alessio Bevilacqua, Eliodoro Chiavazzo, Pietro Asinari, del Laboratorio de Modelado a Multi-Escala del Departamento de Energía en el Politécnico de Torino; Thomas Humplik y Evelyn Wang, del Laboratorio de Investigación de dispositivos del MIT, y Michael Tsapatsis, del Grupo Tsapatsis de Investigación de la Universidad de Minnesota, han dado a conocer este mecanismo y propuesto un modelo físico exacto del proceso general de la penetración de agua.

Estos resultados indican claramente que se pueden fabricar membranas de desalinización de próxima generación con mejoras en su funcionamento mediante técnicas de fabricación que permiten reducir las resistencias de superficie para el transporte, es decir, abrir una fracción más grande de poros superficiales.

Los investigadores estiman que las membranas fabricadas siguiendo estos criterios tienen el potencial de lograr una permeabilidad diez veces mayor que las actuales, lo que reduce los costos de funcionamiento en los procesos de desalinización.

Esta nueva información también abre un nuevo camino en otras aplicaciones en las que se utilizan materiales nanoporosos: desde tecnologías para la energía sostenible (por ejemplo, el almacenamiento térmico) a la eliminación de contaminantes de agua (por ejemplo, tamices moleculares), hasta para la nanomedicina (por ejemplo, la administración de fármacos).

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