Figura 1:immagini SEM e diagramma che mostrano la formazione dello strato di silice ultrasottile sulla membrana porosa. Credito:Università di Kobe
I ricercatori guidati dal professor Matsuyama Hideto e dal professor Yoshioka Tomohisa presso il Centro di ricerca per la tecnologia delle membrane e dei film dell'Università di Kobe sono riusciti a sviluppare una membrana ultrasottile con un trattamento superficiale in silice resistente alle incrostazioni per la separazione ad alte prestazioni dell'olio dall'acqua. Per di più, questa membrana si è dimostrata versatile; era in grado di separare l'acqua da un'ampia varietà di diverse sostanze oleose. I risultati sono stati pubblicati online nel Journal of Materials Chemistry A il 3 ottobre 2019.
Lo sviluppo della tecnologia per separare il petrolio dall'acqua è fondamentale per affrontare le fuoriuscite di petrolio e l'inquinamento idrico generato da varie industrie. Entro il 2025, si prevede che i due terzi della popolazione mondiale non avranno accesso sufficiente all'acqua pulita. Perciò, le tecnologie per filtrare le emulsioni oleose e quindi aumentare la quantità di acqua pulita disponibile sono fondamentali.
Rispetto ai metodi di purificazione tradizionali, compresa la centrifugazione e la coagulazione chimica, la separazione a membrana è stata proposta come un metodo a basso costo, alternativa a basso consumo energetico. Sebbene questa tecnologia sia stata molto sviluppata, la maggior parte delle membrane soffre di problemi di incrostazione per cui le goccioline di olio vengono assorbite in modo irreversibile sulla superficie. Questo porta al blocco dei pori della membrana, riducendone di conseguenza la durata e l'efficienza.
Un metodo per mitigare i problemi di incrostazione consiste nell'aggiungere trattamenti superficiali alla membrana. Però, molti esperimenti con questo metodo hanno riscontrato problemi come cambiamenti nella struttura superficiale originale e il deterioramento dello strato superficiale trattato da acido forte, soluzioni alcaline e saline. Questi problemi limitano le applicazioni pratiche di tali membrane nelle condizioni difficili durante il trattamento delle acque reflue.
Figura 2:Varie emulsioni oleose prima (a sinistra) e dopo (a destra) la permeazione della membrana. Credito:Università di Kobe
In questo studio, i ricercatori sono riusciti a sviluppare una membrana costituita da un supporto poroso di polichetone (PK) con uno strato di silice spesso 10 nanometri applicato sulla superficie superiore (Figura 1). Questo strato di silice è stato formato sulle fibrille PK utilizzando l'attrazione elettrostatica:la silice caricata negativamente è stata attratta dalla PK caricata positivamente.
La membrana PK ha un'elevata permeabilità all'acqua grazie ai suoi pori dilatati e all'elevata porosità. Il processo di silicizzazione, l'aggiunta di silice sulle fibrille PK, fornisce un forte rivestimento oleorepellente per proteggere la membrana modificata in superficie dai problemi di incrostazione.
Un altro vantaggio di questa membrana è che non richiede una grande applicazione di pressione per ottenere un'elevata penetrazione dell'acqua. La membrana ha mostrato la permeazione dell'acqua per gravità, anche quando è stato utilizzato un livello dell'acqua fino a 10 cm (con una pressione di circa 0,01 atm). Inoltre, la membrana sviluppata è stata in grado di respingere il 99,9% delle goccioline di olio, comprese quelle con una dimensione di 10 nanometri. Utilizzando questa membrana con un'area di 1 m 2 , 6000 litri di acque reflue possono essere trattati in un'ora con una pressione applicata di 1 atm. È stato anche dimostrato che è efficace nel separare l'acqua da diverse emulsioni oleose (Figura 2).
Come accennato, la silificazione ha fornito un forte rivestimento oleorepellente. Attraverso gli esperimenti effettuati sulla membrana per testarne la durabilità contro le incrostazioni, si è scoperto che l'olio non veniva adsorbito sulla superficie e che le gocce d'olio potevano essere facilmente rimosse (Figura 3). Questa membrana ha mostrato una grande tolleranza contro una varietà di acidi, alcalino, solventi e soluzioni saline.
Figura 3:Test di adesione dinamica superficiale e autopulizia della membrana preparata. Credito:Università di Kobe
La membrana ultrasottile sviluppata da questo gruppo di ricerca ha dimostrato un'efficace separazione dell'acqua dalle emulsioni oleose, oltre alla resistenza antivegetativa. La tecnologia per separare le emulsioni è indispensabile nella lotta contro l'inquinamento idrico e la carenza di acqua pulita. Si spera che questo sviluppo possa essere utilizzato nel trattamento delle acque reflue industriali.
