“La filtrazione è un semplice, metodo di trattamento delle acque ad alta efficienza energetica, e potrebbe essere un modo efficace per ripulire le fuoriuscite di petrolio, disse Ayse Asatekin. Qui, un'immagine della nuova membrana in fibra che mostra la sua struttura porosa casuale. Credito:Nelaka Govinna
È una frase popolare usata per descrivere le persone, cose, e idee che semplicemente non si mescolano, "come olio e acqua". Tranne che non è del tutto vero. Olio e acqua possono mescolarsi, e può essere molto difficile da separare completamente una volta riuniti. Pensa alle fuoriuscite di petrolio ambientali o al trattamento delle acque reflue, e ti rendi presto conto che separare l'olio indesiderato per riportare l'acqua a uno stato naturale o puro può essere un compito monumentale.
In un documento di ricerca pubblicato il 22 marzo, la Giornata mondiale dell'acqua designata dalle Nazioni Unite, ingegneri e fisici di Tufts descrivono come hanno ideato una membrana a basso costo in grado di filtrare rapidamente l'olio dall'acqua e dalle miscele di olio senza che la membrana si sporchi.
Il progresso nella scienza dei materiali potrebbe essere un punto di svolta nella battaglia contro l'inquinamento. È noto che l'acqua contaminata dal petrolio può avere effetti dannosi a lungo termine sulla fauna selvatica e sull'ambiente. Le attuali strategie per mitigare tale danno includono la combustione dell'olio sul posto o l'utilizzo di dispositivi meccanici, come boom, skimmer, o materiale assorbente, per aiutare a ripulire il disordine. In pratica questi metodi sono costosi e poco efficaci, in particolare per la pulizia di grandi fuoriuscite di petrolio.
"La filtrazione è un semplice, metodo di trattamento delle acque ad alta efficienza energetica, e potrebbe essere un modo efficace per ripulire queste fuoriuscite di petrolio, " disse Ayse Asatekin, un assistente professore presso la Tufts School of Engineering e corrispondente autore dello studio, pubblicato sulla rivista ACS Applied Polymer Materials. "Una membrana di separazione è relativamente poco costosa e riutilizzabile, e la tecnologia di pulizia copre un ingombro ridotto. Attraverso la nostra collaborazione, abbiamo sviluppato un nuovo materiale filtrante in grado di effettuare la separazione e mantenere una portata elevata senza sporcarsi con l'accumulo di olio."
Fortunatamente, la natura fornisce alcuni esempi di materiali che interagiscono in modo molto diverso con l'acqua e l'olio. "Prendi la foglia di loto, Per esempio, " disse Ilin Sadeghi, uno studente laureato in ingegneria nel laboratorio di Asatekin e primo autore dello studio. "La superficie fogliare è idrofoba, il che significa che tiene lontana l'acqua in modo così efficace che la foglia non si bagna mai:l'acqua si limita a perle sulla superficie. Ma è anche molto oleofilo:se mettiamo un liquido organico come l'olio sulla superficie, si diffonde rapidamente attraverso la foglia. Modellando la natura, possiamo progettare la chimica e la morfologia di superficie per creare idrorepellenza, materiali filtranti super-oleofili".
La foglia di loto raggiunge il suo duplice comportamento con una combinazione di una chimica superficiale cerosa e una trama nanostrutturata sulla superficie. La superficie strutturata intrappola l'aria in minuscole tasche, rendendo difficile per l'acqua entrare in contatto con la foglia a causa dell'elevata tensione superficiale dell'acqua, formando goccioline. La creazione di una membrana per il filtraggio dell'olio potrebbe utilizzare una combinazione simile di chimica superficiale e consistenza per separare l'olio dall'acqua.
Le foglie di loto hanno fornito l'ispirazione per il nuovo materiale filtrante:sono idrofobi, tenendo lontana l'acqua in modo che la foglia non si bagni mai, e anche oleofilo, così i liquidi organici come l'olio si diffondono rapidamente attraverso la foglia. Credito:Pixabay
Insieme alla professoressa Peggy Cebe e alla studentessa laureata Nelaka Govinna nel dipartimento di fisica e astronomia di Tufts, il team di ricerca ha creato un materiale che combinava chimica e consistenza idrorepellenti utilizzando una tecnica chiamata elettrofilatura.
Govinna, chi ha fabbricato le membrane di filtrazione, spiega l'elettrofilatura come una tecnica che crea un flusso liquido di polimero caricato elettricamente che emerge da un ago molto stretto. Come scorre dall'ago, il polimero si asciuga come un filo sottile e si deposita in modo casuale sulla superficie del bersaglio, creare un tessuto non tessuto, rete porosa di fibre.
Il polimero che usavano era una catena chimica circondata da atomi di fluoro, che gli conferiscono proprietà idrorepellenti, mentre la trama casuale intrappola l'aria come la foglia di loto per ridurre al minimo la penetrazione dell'acqua. Al contrario, le sostanze oleose e organiche scorrono sul fluoropolimero e attraverso la membrana.
"Abbiamo creato questo materiale per membrane mescolando una comune matrice polimerica utilizzata nei filtri—fluoruro di polivinilidene o PVDF—con un polimero funzionale; lo chiamiamo PFDMA, " ha detto Cebe. "Possiamo cambiare il comportamento della membrana del filtro cambiando il polimero funzionale".
In questo caso, il tipo di polimero funzionale ha fornito alle membrane alcune proprietà ideali:olio e sostanze chimiche organiche scorrono rapidamente attraverso la membrana, fino a diciassette volte più veloce della membrana PVDF senza additivo, mentre l'acqua viene trattenuta.
Le membrane disoleanti in PVDF-PFDMA, che lasciano passare olio e solventi organici, non sporcare come tendono a fare le membrane che assorbono l'acqua, e potrebbe quindi essere applicato a lungo termine, applicazioni su scala industriale. L'utilizzo di polimeri additivi diversi potrebbe ottimizzare le proprietà del filtro per diverse applicazioni, dalla pulizia delle fuoriuscite di petrolio alla purificazione dell'acqua.
