Qinyi Fu, Francisco J. Medellin-Rodriguez, Nisha Verma, e Benjamin Ocko (da sinistra a destra) si preparano a montare i campioni di membrana che imitano le membrane utilizzate nell'osmosi inversa per le misurazioni nella linea di luce Complex Materials Scattering (CMS) presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). Credito:Brookhaven National Laboratory
Per la prima volta, un team di ricercatori della Stony Brook University e del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha rivelato la struttura molecolare delle membrane utilizzate nell'osmosi inversa. La ricerca è riportata in un articolo pubblicato di recente in Lettere macro ACS , una rivista dell'American Chemical Society (ACS).
L'osmosi inversa è il metodo principale per convertire l'acqua salmastra o di mare in acqua potabile o potabile, e si usa per farne circa 25, 000 milioni di galloni di acqua dolce al giorno a livello globale secondo l'International Water Association.
"La maggior parte dell'acqua della terra si trova negli oceani e solo il tre percento è acqua dolce, quindi la depurazione dell'acqua è uno strumento essenziale per soddisfare la crescente domanda di acqua potabile, " ha detto lo scienziato senior del Brookhaven Lab Benjamin Ocko. "L'osmosi inversa non è una nuova tecnologia; però, la struttura molecolare di molti dei sottilissimi film polimerici che fungono da strato barriera nelle membrane ad osmosi inversa, nonostante la sua importanza, non era noto in precedenza".
Il sottile strato barriera polimerico utilizzato nella membrana ad osmosi inversa è semipermeabile. Piccole molecole come l'acqua possono attraversare da un lato all'altro della membrana, ma altre molecole, come ioni sodio idrato o cloruro, non può attraversare lo strato barriera. Questa caratteristica è ciò che permette a queste membrane di filtrare il sale dalla salina per rendere l'acqua potabile. Durante un processo commerciale di osmosi inversa, l'acqua salata viene pressurizzata per forzare l'acqua dolce attraverso la membrana.
Poiché l'acqua di mare deve essere spinta attraverso la membrana, il consumo energetico degli impianti ad osmosi inversa è elevato. Per fare 100 galloni di acqua dolce con osmosi inversa, il costo energetico è di circa un kilowattora, l'equivalente di far funzionare una lampadina da 100 watt per 10 ore.
"Anche piccoli miglioramenti nelle prestazioni delle membrane di filtrazione porterebbero a enormi risparmi energetici e sui costi a livello globale, " disse Benjamin S. Hsiao, illustre professore alla Stony Brook University. "Perciò, stiamo guardando le membrane a livello molecolare. Vogliamo capire in che modo la struttura molecolare contribuisce a membrane altamente efficienti e utilizzare questa conoscenza per progettare membrane migliorate".
Lo schizzo mostra come i raggi X colpiscono la membrana con una leggera angolazione e si disperdono sulla superficie. Vengono quindi catturati da un rilevatore che registra il cosiddetto modello di diffusione dei raggi X, specifico della struttura molecolare della membrana. Il pannello in alto a sinistra mostra due diverse strutture molecolari, che sono anche chiamati motivi di impacchettamento molecolare. I risultati delle misurazioni suggeriscono che il motivo perpendicolare (in basso a destra) potrebbe essere correlato a proprietà di filtrazione superiori. Credito:Brookhaven National Laboratory
Per queste misurazioni, il team ha realizzato un film polimerico sottile ben definito all'interfaccia olio/acqua utilizzando un metodo chiamato polimerizzazione interfacciale, che è simile al processo industriale. Come una resina epossidica bicomponente, uno dei componenti molecolari viene aggiunto all'acqua e l'altro all'olio. All'interfaccia, dove l'acqua e l'olio si toccano, come l'interfaccia tra olio e aceto nel condimento per insalata, i due componenti molecolari reagiscono tra loro e creano il film polimerico molto sottile.
"Il film sottile risultante è solo un millesimo dello spessore di un capello umano. È anche strutturalmente simile al sottile strato barriera delle membrane commerciali ad osmosi inversa, ma è molto più fluido, " disse Francisco Medellin-Rodriguez, professore all'Università Autonoma San Luis Potosi in Messico. "Per studiare questi film sottili, abbiamo bisogno di raggi X ultraluminosi, oltre a strumenti analitici e di simulazione avanzati."
Utilizzando i raggi X ultraluminosi della National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), un DOE Office of Science User Facility a Brookhaven, i ricercatori stanno iniziando a svelare la relazione tra la struttura molecolare delle membrane e la loro efficacia.
Secondo Qinyi Fu, uno studente laureato alla Stony Brook University e autore principale dello studio, "Per risolvere la struttura molecolare delle membrane, il team ha studiato i modelli di diffusione dei raggi X utilizzando una tecnica chiamata diffusione di raggi X grandangolare a incidenza radente presso le linee di luce CMS (Complex Materials Scattering) e SMI (Soft Matter Interfaces) di NSLS-II".
In questa tecnica, i raggi X colpiscono la membrana con una leggera angolazione e si disperdono sulla superficie. Vengono quindi catturati da un rilevatore che registra il cosiddetto modello di diffusione dei raggi X, specifico della struttura molecolare della membrana.
"Nel modello di dispersione, siamo in grado di identificare i motivi di impacchettamento molecolare:come le molecole vicine nel polimero sono disposte l'una rispetto all'altra. Uno è il motivo parallelo e il secondo è il motivo perpendicolare, "disse Ocko. "Mentre entrambi i motivi di imballaggio sono presenti, il motivo di impaccamento perpendicolare è meglio correlato con proprietà di filtrazione ottimali."
Illustre professore Benjamin S. Hsiao nel suo laboratorio alla Stony Brook University. Credito immagine:Stony Brook University. Credito:Brookhaven National Laboratory
Hsiao ha aggiunto, "I nostri risultati mostrano anche che la struttura molecolare è orientata preferenzialmente rispetto alla superficie della membrana. Questo è piuttosto intrigante e può essere correlato a come sono orientati i percorsi dell'acqua nella membrana".
Più recentemente, il team ha iniziato a studiare le membrane ad osmosi inversa prodotte per i sistemi commerciali di purificazione dell'acqua. Le sostanze chimiche utilizzate per preparare queste membrane sono le stesse utilizzate per realizzare i film di membrana alle interfacce olio/acqua.
"I processi commerciali sono protetti da segreti commerciali aziendali e non si conoscono le precise condizioni di fabbricazione, "Ocko ha detto. "Nonostante questo, i nostri risultati mostrano che le membrane commerciali mostrano proprietà strutturali simili a quelle delle membrane modello preparate nel nostro laboratorio all'interfaccia olio/acqua, compresi i motivi paralleli e perpendicolari e l'orientamento molecolare preferenziale."
Studiando molti materiali a membrana e confrontando le loro proprietà strutturali determinate dai raggi X con le loro caratteristiche di filtrazione, gli scienziati si aspettano di sviluppare una relazione struttura-funzione dettagliata.
"Speriamo che questo aiuti lo sviluppo di membrane più efficienti dal punto di vista energetico per le future generazioni di sistemi di filtrazione dell'acqua, " disse Hsiao.
