Con la scarsità d'acqua una sfida critica in tutto il mondo, scienziati e ingegneri stanno cercando nuovi modi per raccogliere acqua purificata da fonti non convenzionali, come l'acqua di mare o addirittura le acque reflue.

Uno di questi ricercatori è Tiezheng Tong, professore a contratto presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, il cui laboratorio sta studiando una tecnologia emergente chiamata distillazione a membrana.

La distillazione a membrana comporta un sottile, membrana idrorepellente che sfrutta le differenze di pressione di vapore tra liquido impuro più caldo, chiamato "acqua di alimentazione, " e acqua purificata più fredda, chiamato "permeato". Durante il processo, il vapore acqueo passa attraverso la membrana e viene separato dall'acqua di alimentazione salata o sporca. Secondo Tong, la distillazione a membrana funziona meglio di altre tecnologie come l'osmosi inversa, che non possono trattare acque estremamente salate come le salamoie di dissalazione o acqua prodotta dalla fratturazione idraulica.

Mentre mantiene la promessa, la distillazione a membrana non funziona perfettamente. Una sfida chiave è la progettazione di membrane per purificare l'acqua in modo efficiente, garantendo al contempo l'assenza di contaminazione dell'acqua pulita.

Tong e lo scienziato dei materiali Arun Kota del Dipartimento di Ingegneria Meccanica hanno unito le forze per ottenere la scienza fondamentale alla base della progettazione di quella membrana perfetta. In nuovi esperimenti descrivono in Comunicazioni sulla natura , i ricercatori della CSU offrono nuove informazioni sul motivo per cui alcuni modelli di membrane utilizzati nella distillazione a membrana funzionano meglio di altri.

"La conoscenza fondamentale del nostro articolo migliora la comprensione meccanicistica sul trasporto del vapore acqueo all'interno di substrati microporosi e ha il potenziale per guidare la futura progettazione delle membrane utilizzate nella distillazione a membrana, " Ha detto Tong.

Nella distillazione a membrana, l'acqua di alimentazione è riscaldata, separando i componenti puri e impuri per differenze di volatilità. La membrana microporosa è un componente chiave della configurazione perché consente il passaggio del vapore acqueo, ma non l'intero liquido impuro. Tipicamente, la membrana è costituita da un "idrofobo, "o idrorepellente, materiale in modo da lasciar passare solo il vapore acqueo ma mantenere una barriera per l'acqua di alimentazione.

Però, queste membrane idrofobiche possono fallire, perché l'acqua di alimentazione, come l'acqua prodotta dall'olio di scisto, può avere una bassa tensione superficiale. Questa bassa tensione superficiale consente all'acqua di alimentazione di fuoriuscire attraverso i pori della membrana, contaminando l'acqua pura dall'altra parte, un fenomeno chiamato bagnatura della membrana.

Ricerche precedenti avevano svelato che l'uso di membrane "onnifobe", membrane che respingono tutti i liquidi, compresi acqua e liquidi a bassa tensione superficiale, mantenere intatta la separazione vapore/acqua. Ma, le membrane omnifobiche in genere rallentano la velocità e la quantità di vapore acqueo che passa attraverso la membrana, riducendo drasticamente l'efficienza dell'intero processo.

I ricercatori della CSU hanno cercato di scoprire perché esiste questo compromesso tra membrane idrofobe e membrane onnifobe. Attraverso esperimenti sistematici in laboratorio guidati dai ricercatori post-dottorato Wei Wang nel laboratorio di Kota, e lo studente laureato di Tong Xuewei Du, hanno scoperto che le membrane idrofobiche convenzionali creano un'area interfacciale liquido-vapore più ampia. Ciò aumenta la quantità di evaporazione in atto. Con le membrane onnifobe, hanno visto un'interfaccia liquido-vapore molto più piccola. Questo spiega la differenza tra le prestazioni delle membrane.

Le membrane onnifobe utilizzate negli esperimenti sono state realizzate senza depositare particelle extra. Così i ricercatori sono stati in grado di determinare che le loro osservazioni non erano il risultato di cambiamenti strutturali delle membrane.

Sebbene non offrissero una soluzione al compromesso, le loro intuizioni rivelano la sfida fondamentale per rendere la distillazione a membrana una tecnologia di successo. "Se comprendi a fondo il problema, allora c'è spazio per risolverlo, " ha detto Kota. "Abbiamo identificato il meccanismo; ora dobbiamo risolvere il problema del compromesso".

Per esempio, le membrane intelligenti con un'eccezionale onnifobicità e contemporaneamente un'ampia area interfacciale liquido-vapore possono rendere la distillazione a membrana un processo robusto ed economico per la purificazione dell'acqua. Il team ha avviato una ricerca più collaborativa per progettare tali membrane intelligenti, con l'obiettivo di aumentare l'efficienza della distillazione a membrana.

Tong ha aggiunto che la ricerca è avvenuta all'interfaccia di due discipline:scienza delle superfici e tecnologia delle membrane.

"Arun e io abbiamo utilizzato la nostra esperienza complementare per condurre sistematicamente questo lavoro, " Tong said. "It is an example of good interdisciplinary collaboration across campus."