Meno dell'1% dell'acqua della Terra è potabile. La rimozione di sale e altri minerali dalla nostra più grande fonte d'acqua disponibile, l'acqua di mare, può aiutare a soddisfare una crescente popolazione globale assetata di acqua dolce da bere, agricoltura, trasporto, il riscaldamento, raffreddamento e industria. Ma la desalinizzazione è un processo ad alta intensità energetica, che riguarda coloro che vogliono ampliarne l'applicazione.

Ora, un team di sperimentatori guidati dall'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha dimostrato una tecnologia di desalinizzazione ad alta efficienza energetica che utilizza una membrana porosa fatta di grafene sottile:un favo di carbonio spesso un atomo. I risultati sono pubblicati nel numero anticipato online del 23 marzo di Nanotecnologia della natura .

"Il nostro lavoro è una prova di principio che dimostra come è possibile desalinizzare l'acqua salata utilizzando sistemi indipendenti, grafene poroso, ", ha affermato Shannon Mark Mahurin della divisione di scienze chimiche dell'ORNL, che ha co-diretto lo studio con Ivan Vlassiouk nella divisione di scienze dell'energia e dei trasporti dell'ORNL.

"È un enorme progresso, "disse Vlassiouk, sottolineando che una grande quantità di acqua viaggia attraverso la membrana porosa di grafene. "Il flusso attraverso le attuali membrane di grafene era almeno un ordine di grandezza superiore a quello attraverso le membrane polimeriche ad osmosi inversa all'avanguardia".

I metodi attuali per purificare l'acqua includono la distillazione e l'osmosi inversa. Distillazione, o riscaldare una miscela per estrarre componenti volatili che si condensano, richiede una notevole quantità di energia. Osmosi inversa, un processo più efficiente dal punto di vista energetico che richiede comunque una discreta quantità di energia, è la base della tecnologia ORNL.

Creare pori nel grafene è fondamentale. Senza questi buchi, l'acqua non può viaggiare da un lato all'altro della membrana. Le molecole d'acqua sono semplicemente troppo grandi per passare attraverso le maglie sottili del grafene. Ma fai dei buchi nella rete della misura giusta, e le molecole d'acqua possono penetrare. ioni di sale, in contrasto, sono più grandi delle molecole d'acqua e non possono attraversare la membrana. La membrana porosa permette l'osmosi, oppure passaggio di un fluido attraverso una membrana semipermeabile in una soluzione in cui il solvente è più concentrato. "Se hai acqua salata da un lato di una membrana porosa e acqua dolce dall'altro, una pressione osmotica tende a riportare l'acqua verso il lato salato. Ma se lo superi, e tu lo inverti, e spingi l'acqua dal lato dell'acqua salata al lato dell'acqua dolce:questo è il processo di osmosi inversa, "Mahurin ha spiegato.

Oggi i filtri ad osmosi inversa sono tipicamente polimeri. Un filtro è sottile e risiede su un supporto. Ci vuole una pressione significativa per spingere l'acqua dal lato dell'acqua salata al lato dell'acqua dolce. "Se puoi rendere la membrana più porosa e più sottile, è possibile aumentare il flusso attraverso la membrana e ridurre i requisiti di pressione, entro i limiti, " Ha detto Mahurin. "Tutto ciò serve a ridurre la quantità di energia necessaria per guidare il processo".

Il grafene in soccorso Il grafene è spesso solo un atomo, ma flessibile e forte. Le sue stabilità meccaniche e chimiche lo rendono promettente nelle membrane per le separazioni. Una membrana porosa in grafene potrebbe essere più permeabile di una membrana polimerica, così l'acqua separata passerebbe più velocemente attraverso la membrana nelle stesse condizioni, ragionavano gli scienziati. "Se possiamo usare questo singolo strato di grafene, potremmo quindi aumentare il flusso e ridurre l'area della membrana per realizzare lo stesso processo di purificazione, " disse Mahurin.

Per fare il grafene per la membrana, i ricercatori hanno fatto fluire il metano attraverso un forno tubolare a 1, 000 gradi C su una lamina di rame che ha catalizzato la sua decomposizione in carbonio e idrogeno. Il vapore chimico ha depositato atomi di carbonio che si sono autoassemblati in esagoni adiacenti per formare un foglio dello spessore di un atomo.

I ricercatori hanno trasferito la membrana di grafene su un supporto di nitruro di silicio con un foro di dimensioni micrometriche. Quindi il team ha esposto il grafene a un plasma di ossigeno che ha espulso gli atomi di carbonio dal reticolo di filo di pollo su scala nanometrica del grafene per creare pori. Più a lungo la membrana di grafene è stata esposta al plasma, più grandi sono i pori che si sono formati, e il più fatto.

La membrana preparata separava due soluzioni acquose:acqua salata da un lato, fresco dall'altro. Il chip di nitruro di silicio teneva in posizione la membrana di grafene mentre l'acqua scorreva attraverso di essa da una camera all'altra. La membrana permetteva un rapido trasporto dell'acqua attraverso la membrana e respingeva quasi il 100% degli ioni di sale, per esempio., atomi di sodio con carica positiva e atomi di cloruro con carica negativa.

Per determinare la migliore dimensione dei pori per la desalinizzazione, i ricercatori si sono affidati al Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), un DOE Office of Science User Facility presso ORNL. Là, imaging al microscopio elettronico a trasmissione di scansione (STEM) corretto per l'aberrazione, guidato da Raymond Unocic, consentito per l'imaging a risoluzione atomica del grafene, che gli scienziati hanno usato per correlare la porosità della membrana di grafene con le proprietà di trasporto. Hanno determinato che la dimensione ottimale dei pori per una desalinizzazione efficace era da 0,5 a 1 nanometri, disse Mahurin.

Hanno anche scoperto che la densità ottimale dei pori per la desalinizzazione era di un poro ogni 100 nanometri quadrati. "Più pori ottieni, meglio è, fino a un certo punto fino a quando non inizi a degradare qualsiasi stabilità meccanica, " disse Mahurin.

Vlassiouk ha affermato che realizzare le membrane porose in grafene utilizzate nell'esperimento è fattibile su scala industriale, e possono essere esplorati altri metodi di produzione dei pori. "Sono stati provati vari approcci, compresa l'irradiazione con elettroni e ioni, ma nessuno di loro ha funzionato. Finora, l'approccio al plasma di ossigeno ha funzionato al meglio, ", ha aggiunto. Si preoccupa di più dei gremlin che affliggono le odierne membrane ad osmosi inversa, escrescenze sulle superfici delle membrane che le ostruiscono (chiamate "biofouling") e garantiscono la stabilità meccanica di una membrana sotto pressione.