(Phys.org) -- Sebbene gli oceani e i mari contengano circa il 97% dell'acqua terrestre, attualmente solo una frazione del percento dell'approvvigionamento di acqua potabile del mondo proviene da acqua salata desalinizzata. Per aumentare il nostro uso di acqua salata, le tecniche di desalinizzazione devono diventare più efficienti dal punto di vista energetico e meno costose per essere sostenibili. In un nuovo studio, due scienziati dei materiali del MIT hanno dimostrato in simulazioni che il grafene nanoporoso può filtrare il sale dall'acqua a una velocità di 2-3 ordini di grandezza più veloce della migliore tecnologia di desalinizzazione commerciale di oggi, osmosi inversa (RO). I ricercatori prevedono che la superiore permeabilità all'acqua del grafene potrebbe portare a tecniche di desalinizzazione che richiedono meno energia e utilizzano moduli più piccoli rispetto alla tecnologia RO, a un costo che dipenderà dai futuri miglioramenti nei metodi di fabbricazione del grafene.

Gli scienziati, David Cohen-Tanugi e Jeffrey C. Grossman del MIT, hanno pubblicato il loro studio sulla desalinizzazione dell'acqua utilizzando grafene nanoporoso a strato singolo in un recente numero di Nano lettere .

“Questo lavoro mostra che alcuni degli inconvenienti delle attuali tecniche di desalinizzazione potrebbero essere evitati inventando materiali a membrana più efficienti e mirati, ” ha detto Grossman Phys.org . “In particolare, la nanostrutturazione su misura delle membrane potrebbe consentire il flusso effettivo di acqua (con rifiuto completo del sale) tramite l'esclusione delle dimensioni, portando a una permeabilità molto più elevata rispetto all'osmosi inversa.

Questa non è la prima volta che i ricercatori hanno studiato l'uso di materiali nanoporosi per la desalinizzazione. A differenza di RO, che utilizza l'alta pressione per spingere lentamente le molecole d'acqua (ma non gli ioni di sale) attraverso una membrana porosa, i materiali nanoporosi funzionano a pressioni inferiori e forniscono canali ben definiti in grado di filtrare l'acqua salata a una velocità maggiore rispetto alle membrane RO.

Però, questa è la prima volta che gli scienziati hanno esplorato il ruolo potenziale del grafene nanoporoso come filtro per la desalinizzazione dell'acqua. Grafene monostrato, che è spesso solo un atomo di carbonio, è l'ultima sottile membrana, rendendolo vantaggioso per la desalinizzazione dell'acqua poiché il flusso d'acqua attraverso una membrana è inversamente proporzionale allo spessore della membrana.

Utilizzando le classiche simulazioni di dinamica molecolare, Cohen-Tanugi e Grossman hanno esaminato la permeabilità all'acqua del grafene nanoporoso con diversi diametri dei pori (da 1,5 a 62 Å ² ) e chimica dei pori. Come hanno dimostrato precedenti esperimenti, i nanopori possono essere introdotti nel grafene con una varietà di metodi, compresa la perforazione del fascio di ioni di elio e l'attacco chimico. Nelle loro simulazioni, gli scienziati hanno rafforzato i nanopori passivando, o schermatura, ciascun atomo di carbonio sul bordo dei pori con atomi di idrogeno o gruppi ossidrile.

“Poiché quegli atomi di carbonio sul bordo dei pori sarebbero piuttosto reattivi senza passivazione, in un modo o nell'altro in condizioni sperimentali realistiche avranno probabilmente una qualche forma di funzionalizzazione chimica, ” ha detto Grossman. “Questo può essere controllato in una certa misura, quindi abbiamo voluto esplorare i due limiti della chimica del bordo idrofoba rispetto a quella idrofila. Se non avessimo gruppi funzionali (solo carbonio nudo), in breve tempo le molecole d'acqua si dissociavano al bordo dei pori e probabilmente idrogenavano o idrossilavano quei carboni”.

Gli scienziati hanno confrontato le due chimiche, insieme a diverse dimensioni dei pori, di grafene nanoporoso nelle loro simulazioni facendo scorrere acqua salata con una salinità di 72 g/L sulle membrane, che è circa il doppio della salinità dell'acqua di mare media (circa 35 g/L).

Hanno scoperto che, sebbene i nanopori più grandi possano filtrare l'acqua alla massima velocità, grandi nanopori hanno permesso il passaggio di alcuni ioni di sale. Le simulazioni hanno identificato una gamma intermedia di diametri dei nanopori in cui i nanopori erano abbastanza grandi da consentire il passaggio di molecole d'acqua ma abbastanza piccoli da limitare gli ioni di sale.

Le simulazioni hanno anche mostrato che il grafene idrossilato migliora significativamente la permeabilità all'acqua, che gli scienziati attribuiscono alla natura idrofila dei gruppi ossidrilici. Da quando, in contrasto, i pori idrogenati sono idrofobici, le molecole d'acqua possono fluire solo in un numero limitato di configurazioni altamente ordinate. Ma i gruppi idrofili consentono alle molecole d'acqua di avere un numero maggiore di configurazioni di legami idrogeno all'interno dei pori, e questa mancanza di restrizioni aumenta il flusso d'acqua.

Globale, i risultati mostrano che il grafene nanoporoso può teoricamente superare le membrane RO in termini di permeabilità all'acqua, che è espresso in litri di produzione per centimetro quadrato di membrana al giorno e per unità di pressione applicata. Considerando che il RO ad alto flusso ha una permeabilità all'acqua di pochi decimi, le simulazioni hanno mostrato che la permeabilità all'acqua del grafene nanoporoso variava da 39 a 66 per le configurazioni dei pori che mostravano un rigetto completo del sale (23,1 Å ² pori idrogenati e 16,3 Å ² pori idrossilati). Il grafene con i pori idrossilati più grandi ha raggiunto 129, ma ha permesso un certo passaggio di ioni di sale.

Gli scienziati spiegano che ci sono due sfide principali che devono affrontare l'uso del grafene nanoporoso per scopi di desalinizzazione. Uno sta ottenendo una distribuzione della dimensione dei pori stretta, sebbene i rapidi progressi sperimentali nella sintesi di grafene poroso altamente ordinato suggeriscano che ciò potrebbe presto essere fattibile. L'altra sfida è la stabilità meccanica sotto pressione applicata, che potrebbe essere ottenuto utilizzando uno strato di supporto a film sottile come quello utilizzato nei materiali RO.

“Computazionalmente, stiamo esaminando una serie di altri modi potenzialmente nuovi per progettare membrane per la desalinizzazione e la decontaminazione, ” ha detto Grossman. “Sperimentalmente, stiamo attualmente fabbricando membrane nanoporose e speriamo di testare le loro prestazioni di desalinizzazione nei prossimi mesi”.

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