Filtraggio e trattamento dell'acqua, sia per il consumo umano che per pulire le acque reflue industriali e municipali, rappresenta circa il 13% di tutta l'elettricità consumata negli Stati Uniti ogni anno e rilascia circa 290 milioni di tonnellate di CO ₂ nell'atmosfera ogni anno, all'incirca equivalente al peso combinato di ogni essere umano sulla Terra.

Uno dei metodi più comuni per trattare l'acqua è farla passare attraverso una membrana con pori dimensionati per filtrare le particelle più grandi delle molecole d'acqua. Però, queste membrane sono suscettibili di "fouling, " o intasamento proprio per i materiali che sono progettati per filtrare, la necessità di più elettricità per forzare l'acqua attraverso una membrana parzialmente ostruita e la frequente sostituzione della membrana, entrambi i quali aumentano i costi di trattamento dell'acqua.

Una nuova ricerca del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dell'Università di Harvard e dei collaboratori della Northeastern University e dell'Università di Waterloo dimostra che le membrane a controllo di liquido (LGM) di Wyss filtrano le particelle di nanoargilla dall'acqua con un'efficienza due volte maggiore, tempo per fallo quasi tre volte più lungo, e una riduzione della pressione necessaria per la filtrazione su membrane convenzionali, offrendo una soluzione in grado di ridurre i costi e il consumo di elettricità di processi industriali ad alto impatto come la perforazione di petrolio e gas. Lo studio è riportato in Materiali APL .

"Questo è il primo studio a dimostrare che gli LGM possono ottenere una filtrazione prolungata in ambienti simili a quelli che si trovano nell'industria pesante, e fornisce informazioni su come gli LGM resistono a diversi tipi di fouling, che potrebbe portare al loro utilizzo in una varietà di ambienti di trattamento dell'acqua, " ha detto il primo autore Jack Alvarenga, un ricercatore presso il Wyss Institute.

Gli LGM imitano l'uso naturale dei pori pieni di liquido per controllare il movimento dei liquidi, gas e particelle attraverso filtri biologici utilizzando la minor quantità di energia possibile, proprio come le piccole aperture degli stomi nelle foglie delle piante consentono il passaggio dei gas. Ogni LGM è rivestito con un liquido che funge da cancello reversibile, riempiendo e sigillando i suoi pori nello stato "chiuso". Quando si applica pressione alla membrana, il liquido all'interno dei pori viene tirato ai lati, creando aperto, pori rivestiti di liquido che possono essere sintonizzati per consentire il passaggio di liquidi o gas specifici, e resistere alle incrostazioni dovute alla superficie scivolosa dello strato liquido. L'uso di pori rivestiti di fluido consente anche la separazione di un composto bersaglio da una miscela di sostanze diverse, che è comune nella lavorazione dei liquidi industriali.

Il team di ricerca ha deciso di testare i propri LGM su una sospensione di argilla bentonitica in acqua, in quanto tali soluzioni "nanoclay" imitano le acque reflue prodotte dalle attività di perforazione nell'industria petrolifera e del gas. Hanno infuso dischi da 25 mm di una membrana filtrante standard con perfluoropolietere, un tipo di lubrificante liquido utilizzato nell'industria aerospaziale da oltre 30 anni, per convertirli in LGM. Hanno quindi messo le membrane sotto pressione per aspirare l'acqua attraverso i pori ma lasciando dietro di sé le particelle di nanoargilla, e confrontato le prestazioni delle membrane non trattate con quelle degli LGM.

Le membrane non trattate hanno mostrato segni di incrostazione delle nanoargille molto più rapidamente degli LGM, e gli LGM sono stati in grado di filtrare l'acqua tre volte più a lungo delle membrane standard prima di richiedere una procedura di "controlavaggio" per rimuovere le particelle che si erano accumulate sulla membrana. Un controlavaggio meno frequente potrebbe tradursi in una riduzione dell'uso di prodotti chimici per la pulizia e dell'energia necessaria per pompare l'acqua di controlavaggio, e migliorare la velocità di filtrazione nelle impostazioni di trattamento delle acque industriali.

Mentre gli LGM alla fine hanno subito incrostazioni, hanno mostrato una riduzione del 60% della quantità di nanoargilla che si è accumulata all'interno della loro struttura durante la filtrazione, che è noto come "fouling irreversibile" perché non viene rimosso dal controlavaggio. Questo vantaggio conferisce agli LGM una maggiore durata e rende più filtrato recuperabile per usi alternativi. Inoltre, gli LGM hanno richiesto il 16% in meno di pressione per avviare il processo di filtrazione, riflettendo ulteriori risparmi energetici.

"Gli LGM hanno il potenziale per l'uso in settori diversi come la lavorazione di alimenti e bevande, produzione biofarmaceutica, tessili, carta, polpa, chimico, e petrolchimico, e potrebbe offrire miglioramenti nell'uso dell'energia e nell'efficienza in un'ampia gamma di applicazioni industriali, " ha detto l'autore corrispondente Joanna Aizenberg, dottorato di ricerca, che è membro fondatore della facoltà del Wyss Institute e Amy Smith Berylson Professor of Material Sciences presso la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) di Harvard.

I prossimi passi del team per la ricerca includono studi pilota su larga scala con partner del settore, funzionamento a lungo termine degli LGM, e filtrare miscele di sostanze ancora più complesse. Questi studi forniranno informazioni sulla fattibilità commerciale degli LGM per diverse applicazioni, e quanto tempo dureranno in una serie di casi d'uso.

"Il concetto di utilizzare un liquido per aiutare a filtrare altri liquidi, mentre forse non è ovvio per noi, è prevalente in natura. È meraviglioso vedere come sfruttare l'innovazione della natura in questo modo può potenzialmente portare a enormi risparmi energetici, ", ha affermato il direttore fondatore di Wyss, Donald Ingber, M.D., dottorato di ricerca, che è anche Judah Folkman Professor of Vascular Biology presso la Harvard Medical School e il Vascular Biology Program presso il Boston Children's Hospital, nonché Professore di Bioingegneria presso SEAS.