"Más de 2.200 millones de personas, o uno de cada tres seres humanos, carecen de agua potable. Con el rápido crecimiento de la población mundial y las actividades económicas en medio del cambio climático, muchos países necesitarán soluciones urgentes. Desalar el agua de mar es una idea tentadora.
Para ello, se han desarrollado durante unos cincuenta años membranas de filtrado que permiten el paso de las moléculas de agua pero que detienen los iones que forman la sal. Pero su desempeño hasta ahora solo ha dado como resultado soluciones energéticas muy costosas, que a su vez contribuyen al cambio climático.
La membrana híbrida que hemos desarrollado podría cambiar las reglas del juego (1). Combinación de una matriz de poliamida, ya utilizada por los fabricantes de desalinizadores, y canales de agua artificiales, desala tres veces más agua y consume un 12% menos de energía por cada metro cúbico de agua tratada que los métodos actuales (2).
Actualmente se desalan alrededor de 100 millones de metros cúbicos de agua por día en todo el mundo. Se utilizan varias tecnologías avanzadas. Se basan principalmente en un proceso inspirado en la naturaleza: la ósmosis. Esto corresponde, por ejemplo, al paso espontáneo del agua por los poros de una membrana que separa dos soluciones de diferente concentración de sal: el agua pasa de la menos concentrada a la más concentrada, que diluye esta última y acaba por reducir la diferencia. en concentración entre las dos soluciones.
Pero para desalar el agua de mar, por el contrario, es necesario "empujar" el agua en la dirección opuesta a este movimiento espontáneo, para obtener concentraciones de sal muy diferentes a cada lado de la membrana, o incluso una concentración nula o casi nula en un lado. Esto requiere aplicar alta presión al agua. Hablamos de ósmosis inversa bajo presión.
Aún más imitación de la naturaleza La síntesis de tales membranas, llamadas biomiméticas porque reproducen procesos biológicos, se beneficia del progreso constante de la química. Ha pasado más de medio siglo desde la concepción de la primera membrana utilizada para la desalación por ósmosis inversa.
Producida como una fina capa de poliamida, tiene una permeabilidad al agua que varía de 1 a 1,5 litros por metro cúbico por hora por bar y una tasa de rechazo de sal del 99%. Más recientemente, la fabricación de membranas hechas de películas delgadas de poliamida que incluyen nanopartículas ha mejorado la permeabilidad con, sin embargo, una menor tasa de rechazo de sal.
Otras membranas, desarrolladas en la década de 2010, se han centrado en una imitación aún más profunda de la naturaleza. Incorporan proteínas, "acuaporinas", formando canales permeables al agua y rechazando iones. El descubrimiento de estas acuaporinas, que realizan esta tarea dentro de la membrana de las células biológicas, ganó el Premio Nobel de Química para el biólogo estadounidense Peter Agre en 2003.
Gracias a ellas, la permeabilidad de las membranas ha mejorado en aproximadamente un 30%, pero con selectividad iónica reducida (la tasa de rechazo de sal es sólo del 97%). Sobre todo, las aplicaciones a gran escala de membranas de poliamida acuaporina híbridas todavía adolecen de muchos inconvenientes: alto coste de producción de acuaporinas por biosíntesis, baja estabilidad, limitaciones de fabricación, inestabilidad a altas presiones, etc.
Para mejorar las membranas para la desalación, las acuaporinas se pueden reemplazar por canales sintéticos: canales de agua artificiales. Por ejemplo, hemos trabajado en canales que se insertan en una doble capa de moléculas lipídicas (sustancias grasas), similar a la membrana de nuestras células biológicas.
Y descubrimos que para pasar por estos canales, las moléculas de agua se alinean en una sola fila y se orientan de una manera específica. Esta disposición genera una mayor movilidad de moléculas en estos canales, favoreciendo así el transporte de materia, con un aporte energético externo reducido.
Metros cuadrados de membranas Estos canales de agua artificiales rápidamente representaron una alternativa prometedora. Para fabricar membranas que lo contienen a escala de metros, las combinamos con la probada poliamida de los primeros tiempos. Lo hemos logrado mejorando el proceso de polimerización química convencional. Y obtuvimos una estructura híbrida en forma de “superesponja”.
Este trabajo fue objeto de una solicitud de patente en 2019 y estas membranas híbridas están en desarrollo con varios socios industriales. Su comportamiento en permeabilidad (3 litros por metro cúbico por hora por bar) y rechazo de sal (superior al 99,5%) permiten reducir en un 12% la factura energética por tres veces más agua producida que con los métodos actuales cuyos rendimientos se han estancado desde hace cincuenta años.
Por tanto, suponen un cambio de escala, a la vez que ofrecen una mejora en la estabilidad a largo plazo de estos materiales y una reducción de las dimensiones de las desaladoras. También se podría considerar el uso de estas membranas para la producción de una forma más sencilla de agua ultrapura necesaria para la fabricación de vacunas o componentes de microelectrónica, evitando al mismo tiempo el uso de costosos métodos de intercambio iónico muy sensibles a la dureza del agua en algunas partes de el mundo.
Comprender el flujo selectivo de agua en los canales artificiales es un área que une la investigación básica con las aplicaciones industriales. Sorprendentemente, los canales de agua artificiales a nanoescala (¡un nanómetro vale una millonésima de milímetro, o 10-9 metros!) Permiten fabricar metros cuadrados de membranas para producir millones de metros cúbicos de agua desalinizada por día ... Ésta es la belleza de la química que tiene el poder de construir sus objetos a diferentes escalas y para aplicaciones tan diversas."
(Mihail Barboiu, directeur de recherche au CNRS et membre de l’Institut européen des membranes de Montpellier, Liberation, 02/04/21)
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