Científicos logran desalinizar agua usando madera

Científicos logran desalinizar agua usando madera

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Científicos en EE.UU. han creado una efectiva membrana de celulosa que puede purificar agua salada por destilación.

Un mayor desarrollo de la tecnología, la optimización de los tamaños de poro y el grosor de la membrana mejorarán los dispositivos para la destilación de agua. El estudio fue publicado en Science Advances.

El cambio climático y las altas tasas de urbanización están haciendo que el aproximadamente la mitad de la población mundial viva en regiones con escasez de agua dulce durante al menos un mes al año. La desalinización de agua de mar, el agua salobre o de algunas aguas residuales podría resolver parcialmente este problema.

Uno de los métodos modernos de purificación de agua es la destilación por membrana: la separación se produce debido a la diferencia de temperatura y presión de vapor. El agua se evapora en el lado caliente de la celda, y el vapor pasa a través de la membrana hidrofóbica y se condensa en el lado frío de la celda.

Como generalmente la temperatura de la solución inicial no es superior a 80° C, y el condensado no es inferior a 20°, dicho dispositivo no requiere una gran cantidad de energía para funcionar.

El movimiento del vapor de caliente a frío se realiza por convección. Pero dicho sistema tiene un inconveniente obvio: al pasar a través de la membrana, el vapor transfiere parcialmente el calor al material y suaviza la diferencia de temperatura, lo que afecta negativamente la eficiencia térmica, un parámetro importante de la destilación de la membrana (definido como el flujo de convección a través de la membrana dividido por el flujo de calor total).

Por lo tanto, es importante que la membrana tenga baja conductividad térmica. Una membrana ideal también debe ser duradera, barata, ecológica, lo suficientemente delgada y tener poros grandes.

Una membrana de madera 

En 2016, los científicos introdujeron una membrana de aerogel de nanocelulosa con una porosidad de más del 98% y una baja conductividad térmica, menos de tres centésimas de vatios por metro por kelvin. El artículo confirmó la posibilidad de crear membranas de destilación a partir de materiales naturales, sin embargo, son principalmente poliméricos.

En un nuevo trabajo, Dianxun Hou y sus colegas de la Universidad de Colorado en Boulder crearon una membrana de madera hidrófoba duradera para la destilación, probaron sus propiedades físicas y las compararon con análogos sintéticos disponibles comercialmente. Al igual que en la producción de papel, se eliminaron de la madera, la lignina y la hemicelulosa que le dan rigidez. 

Sin embargo, para mantener la integridad de las fibras y la microestructura natural de la celulosa, los autores del trabajo expusieron las placas a una solución de álcali y sulfito de sodio sin moler.

Luego, el material se blanqueó con peróxido de hidrógeno y se secó suavemente mediante liofilización, congelando la mezcla y sublimando el disolvente. Para evitar que el vapor de agua pase a través de la membrana, los químicos modificaron la superficie de la membrana con grupos hidrofóbicos fluorocarbonados.

Representación esquemática de la membrana y los procesos que ocurren en ella durante la destilación de la membrana. 
Dianxun Hou et al. / Science Advances, 2019

Los nuevos materiales de madera tenían una alta permeabilidad interna (aproximadamente 1,5 kilogramos por segundo por metro por Kelvin a Pascal), lo que garantizaba una buena convección y una baja conductividad térmica de cuatro centésimas de vatio por metro por Kelvin, lo que evitaba la pérdida del gradiente de temperatura.

La porosidad de las placas obtenidas fue de aproximadamente el 90%, mientras que para los análogos modernos disponibles comercialmente, este valor no supera el 85%, y los tamaños de poro de la nueva membrana alcanzaron las tres décimas de micrómetro.

El estudio del ángulo de humectación mostró que es menos probable que la nueva membrana forme enlaces intermoleculares con el agua que los análogos de polímeros. La eficiencia de transferencia de calor también fue muy alta: a una temperatura de calentamiento de 60° C, su valor resultó ser superior al 70%, una de las membranas más altas.

Además, según los autores, la estructura anisotrópica (dirigida a lo largo del plano de la membrana) permitió que el calor se propagara por toda la membrana, manteniendo el gradiente de temperatura y acelerando el flujo, pero esta suposición requiere más investigación.

Otro método de destilación es la evaporación del agua a través de la energía solar. Hace aproximadamente un año, un grupo de científicos estadounidenses introdujo un hidrogel poroso que puede absorber la mayor parte de la luz solar y evaporar el agua, obteniendo así hasta 3.2 kilogramos de vapor de un metro cuadrado de superficie por hora