Una membrana di desalinizzazione funge da filtro per l'acqua salata:spingere l'acqua attraverso la membrana, ottenere acqua pulita adatta all'agricoltura, produzione di energia e anche bere. Il processo sembra abbastanza semplice, ma contiene complessità complesse che hanno sconcertato gli scienziati per decenni, fino ad ora.

Ricercatori della Penn State, L'Università del Texas ad Austin, Università statale dell'Iowa, Dow Chemical Company e DuPont Water Solutions hanno pubblicato una scoperta chiave per capire come le membrane effettivamente filtrano i minerali dall'acqua, online oggi (31 dicembre) in Scienza . L'articolo sarà presente sulla copertina dell'edizione cartacea, in uscita domani (1 gennaio).

"Nonostante il loro uso da molti anni, ci sono molte cose che non sappiamo su come funzionano le membrane di filtrazione dell'acqua, "ha detto Enrique Gomez, professore di ingegneria chimica e scienza e ingegneria dei materiali alla Penn State, che ha condotto la ricerca. "Abbiamo scoperto che il modo in cui si controlla la distribuzione della densità della membrana stessa su scala nanometrica è davvero importante per le prestazioni di produzione dell'acqua".

Co-diretto da Manish Kumar, professore associato presso il Dipartimento di Scienze Civili, Ingegneria architettonica e ambientale presso UT Austin, il team ha utilizzato la microscopia elettronica multimodale, che combina l'imaging dettagliato su scala atomica con tecniche che rivelano la composizione chimica, per determinare che le membrane di desalinizzazione sono incoerenti in densità e massa. I ricercatori hanno mappato le variazioni di densità nel film polimerico in tre dimensioni con una risoluzione spaziale di circa un nanometro, ovvero meno della metà del diametro di un filamento di DNA. Secondo Gomez, questo progresso tecnologico è stato fondamentale per comprendere il ruolo della densità nelle membrane.

"Puoi vedere come alcuni posti sono più o meno densi in un filtro da caffè solo dal tuo occhio, " Gomez ha detto. "Nelle membrane di filtrazione, sembra uniforme, ma non è su scala nanometrica, e il modo in cui controlli la distribuzione di massa è davvero importante per le prestazioni di filtrazione dell'acqua."

Questa è stata una sorpresa, Gomez e Kumar hanno detto, come si pensava in precedenza che più spessa è la membrana, la minore produzione di acqua. Filmtec, ora parte di DuPont Water Solutions, che realizza numerosi prodotti di desalinizzazione, ha collaborato con i ricercatori e ha finanziato il progetto perché i loro scienziati interni hanno scoperto che le membrane più spesse si stavano effettivamente dimostrando più permeabili.

I ricercatori hanno scoperto che lo spessore non conta tanto quanto evitare regioni su nanoscala altamente dense, o "zone morte". In un senso, una densità più consistente in tutta la membrana è più importante dello spessore per massimizzare la produzione di acqua, secondo Gomez.

Questa comprensione potrebbe aumentare l'efficienza della membrana dal 30% al 40%, secondo i ricercatori, risultando in più acqua filtrata con meno energia, un potenziale aggiornamento per risparmiare sui costi degli attuali processi di desalinizzazione.

"Le membrane ad osmosi inversa sono così ampiamente utilizzate per la pulizia dell'acqua, ma ci sono ancora molte cose che non sappiamo su di loro, " Kumar ha detto. "Non potremmo davvero dire come l'acqua si muove attraverso di loro, quindi tutti i miglioramenti negli ultimi 40 anni sono stati essenzialmente fatti al buio".

Le membrane ad osmosi inversa funzionano applicando pressione su un lato. I minerali restano lì, mentre l'acqua passa. Sebbene più efficienti dei processi di desalinizzazione senza membrana, questo richiede ancora un'immensa quantità di energia, i ricercatori hanno detto, ma migliorare l'efficienza delle membrane potrebbe ridurre tale onere.

"La gestione dell'acqua dolce sta diventando una sfida cruciale in tutto il mondo, " Gomez ha detto. "Carenza, siccità, con l'aumento dei modelli meteorologici severi, si prevede che questo problema diventerà ancora più significativo. È di fondamentale importanza avere a disposizione acqua pulita, soprattutto nelle aree a bassa risorsa."

Il team continua a studiare la struttura delle membrane, così come le reazioni chimiche coinvolte nel processo di desalinizzazione. Stanno anche esaminando come sviluppare le migliori membrane per materiali specifici, come membrane sostenibili ma resistenti che possono prevenire la formazione di crescita batterica.

"Stiamo continuando a spingere le nostre tecniche con materiali più performanti con l'obiettivo di chiarire i fattori cruciali di una filtrazione efficiente, " ha detto Gomez.