Olio e acqua sono notoriamente riluttanti a mescolarsi completamente insieme. Ma separandoli completamente, per esempio, quando si pulisce una fuoriuscita di petrolio o si purifica l'acqua contaminata attraverso il fracking, è un processo diabolicamente duro e inefficiente che si basa spesso su membrane che tendono a intasarsi, o "fouled".

Una nuova tecnica di imaging sviluppata al MIT potrebbe fornire uno strumento per sviluppare materiali di membrana migliori in grado di resistere o prevenire le incrostazioni. Il nuovo lavoro è descritto sulla rivista Materiali applicati e interfacce , in un articolo degli studenti laureati del MIT Yi-Min Lin e Chen Song e del professore di ingegneria chimica Gregory Rutledge.

La pulizia delle acque reflue oleose è necessaria in molti settori, compresa la raffinazione del petrolio, trasformazione dei prodotti alimentari, e finiture metalliche, e i rifiuti non trattati possono essere dannosi per gli ecosistemi acquatici. I metodi per rimuovere i contaminanti oleosi variano, a seconda delle quantità relative di olio e acqua e delle dimensioni delle gocce d'olio. Quando l'olio è emulsionato, il metodo di pulizia più efficiente è l'uso di membrane che filtrano le minuscole goccioline di olio, ma queste membrane vengono rapidamente contaminate dalle goccioline e richiedono una pulizia che richiede tempo.

Ma il processo di fouling è molto difficile da osservare, rendendo difficile valutare i vantaggi relativi di diversi materiali e architetture per le membrane stesse. La nuova tecnica sviluppata dal team del MIT potrebbe rendere tali valutazioni molto più facili da eseguire, dicono i ricercatori.

Queste membrane di filtrazione "tendono ad essere molto difficili da guardare all'interno, " dice Rutledge. "C'è un grande sforzo per sviluppare nuovi tipi di membrane, ma quando vengono messi in servizio, vuoi vedere come interagiscono con l'acqua contaminata, e non si prestano a un facile esame. Di solito sono progettati per imballare nella maggior parte possibile dell'area della membrana, ed essere in grado di guardarsi dentro è molto difficile."

La soluzione che hanno sviluppato utilizza la microscopia a scansione laser confocale, una tecnica in cui due laser vengono scansionati attraverso il materiale, e nel punto in cui le due travi si incrociano, un materiale contrassegnato con un colorante fluorescente si illuminerà. Nel loro approccio, il team ha introdotto due coloranti fluorescenti, uno per marcare il materiale oleoso nel fluido, l'altro per marcare le fibre nella membrana di filtrazione. La tecnica consente di scansionare il materiale non solo attraverso l'area della membrana, ma anche nella profondità della materia, strato per strato, per costruire un'immagine 3D completa del modo in cui le goccioline di olio sono disperse nella membrana, che in questo caso è composto da una schiera di fibre microscopiche.

Il metodo di base è stato utilizzato nella ricerca biologica, osservare cellule e proteine ​​all'interno di un campione, Rutledge spiega, ma non è stato applicato molto allo studio dei materiali delle membrane, e mai con sia l'olio che le fibre etichettate. In questo caso, i ricercatori stanno osservando goccioline che variano in dimensioni da circa 10 a 20 micron (milionesimi di metro), fino a poche centinaia di nanometri (miliardesimi di metro).

Fino ad ora, lui dice, "i metodi per l'imaging degli spazi dei pori nelle membrane erano piuttosto rozzi". Per la maggior parte, le caratteristiche dei pori sono state dedotte misurando le portate e le variazioni di pressione attraverso il materiale, non fornendo informazioni dirette su come il materiale oleoso si accumula effettivamente nei pori. Con il nuovo processo, lui dice, "ora puoi effettivamente misurare la geometria, e costruire un modello tridimensionale e caratterizzare il materiale in alcuni dettagli. Quindi la novità ora è che possiamo davvero vedere come avviene la separazione in queste membrane".

Facendo così, e testando gli effetti utilizzando diversi materiali e diverse disposizioni delle fibre, "questo dovrebbe darci una migliore comprensione di cosa sia veramente il fouling, "Dice Rutledge.

Il team ha già dimostrato che l'interazione tra l'olio e la membrana può essere molto diversa a seconda del materiale utilizzato. In alcuni casi l'olio forma minuscole goccioline che gradualmente si uniscono per formare gocce più grandi, mentre in altri casi l'olio si stende in uno strato lungo le fibre, un processo chiamato bagnatura. "La speranza è che con una migliore comprensione del meccanismo del fouling, le persone saranno in grado di dedicare più tempo alle tecniche che hanno maggiori probabilità di successo" nel limitare quel fallo, dice Rutledge.

Il nuovo metodo di osservazione ha chiare applicazioni per gli ingegneri che cercano di progettare sistemi di filtrazione migliori, lui dice, ma può anche essere utilizzato per la ricerca sulla scienza di base di come interagiscono i fluidi misti. "Ora possiamo iniziare a pensare a qualche scienza fondamentale sull'interazione tra flussi liquidi a due fasi e mezzi porosi, " dice. "Ora, è possibile sviluppare alcuni modelli dettagliati" del processo.

E le informazioni dettagliate su come si comportano diverse strutture o sostanze chimiche potrebbero rendere più semplice la progettazione di tipi specifici di membrane per diverse applicazioni, a seconda dei tipi di contaminanti da rimuovere, le dimensioni tipiche delle goccioline in questi contaminanti, e così via. "Nella progettazione delle membrane, non è una taglia unica, " dice. "Potenzialmente si possono avere diversi tipi di membrane per diversi effluenti".

Il metodo potrebbe essere utilizzato anche per osservare la separazione di diversi tipi di miscele, come particelle solide in un liquido, o una situazione inversa in cui l'olio è dominante e la membrana viene utilizzata per filtrare le gocce d'acqua, come in un sistema di filtraggio del carburante, dice Rutledge.

"Quando ho letto a fondo il suo articolo, Sono rimasto impressionato dal modo in cui Greg utilizza l'imaging 3D per comprendere il complesso processo di incrostazione nelle membrane utilizzate per le emulsioni olio-acqua, " dice William J. Koros, la Roberto C. Goizueta Chair for Excellence in Chemical Engineering e GRA Eminent Scholar in Membranes presso il Georgia Institute of Technology, che non è stato coinvolto in questa ricerca.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.