Con l'intensificarsi della siccità in California, lo stato ha accelerato la costruzione di impianti di desalinizzazione. Tuttavia, a causa degli elevati costi di costruzione e di esercizio, così come le preoccupazioni ambientali, non è probabile che l'acqua di mare bonificata rappresenti più di una piccola frazione delle riserve di acqua pulita dell'America per un po' di tempo a venire. A parte altri costi, l'immensa quantità di energia necessaria per produrre acqua pulita dall'acqua di mare continua a rendere la desalinizzazione una soluzione di nicchia nella maggior parte del mondo.

Quando Jeffrey Grossman, un professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali (DMSE) del MIT, ha iniziato a valutare se nuovi materiali potessero ridurre il costo della desalinizzazione, fu sorpreso di scoprire quanto poco denaro per la ricerca e lo sviluppo fosse stato applicato al problema.

"Un miliardo di persone nel mondo non ha accesso regolare all'acqua pulita, e si prevede che raddoppierà nei prossimi 25 anni, " dice Grossman. "L'acqua desalinizzata costa da cinque a dieci volte di più dell'acqua comunale normale, eppure non stiamo investendo abbastanza denaro nella ricerca. Se non abbiamo energia pulita siamo in guai seri, ma se non abbiamo acqua moriamo."

Al Gruppo Grossman, che esplora lo sviluppo di nuovi materiali per affrontare i problemi di energia pulita e acqua, una possibile soluzione potrebbe essere a portata di mano. Il laboratorio di Grossman ha dimostrato ottimi risultati dimostrando che i nuovi filtri realizzati con il grafene potrebbero migliorare notevolmente l'efficienza energetica degli impianti di desalinizzazione, riducendo potenzialmente anche altri costi.

Grafene, che risulta dal taglio di uno strato di grafite dello spessore di un atomo, sta emergendo sempre più come una sorta di materiale meraviglioso. Il Gruppo Grossman, Per esempio, sta anche valutando l'utilizzo come alternativa più economica al silicio per la produzione di celle solari.

"Non è mai stato un momento più emozionante per essere uno scienziato dei materiali, " dice Grossman. "Quando guardi alla tecnologia pulita o alla filtrazione dell'acqua, scopri che il collo di bottiglia della conversione dell'energia deriva dal materiale. Ora possiamo progettare materiali praticamente fino alla scala dell'atomo in quasi tutti i modi che vogliamo, confezionare materiali in modi che prima erano impossibili. Sta emergendo una convergenza in cui stiamo affrontando problemi enormemente urgenti che possono essere risolti solo sviluppando nuovi materiali".

Filtri al grafene:fino al 50% di energia in meno

Primo isolato nel 2003, il grafene ha diverse caratteristiche elettriche, ottico, e proprietà meccaniche rispetto alla grafite. "È più forte dell'acciaio, e ha proprietà di setacciatura uniche, " dice Grossman. A solo un atomo di spessore, c'è molta meno perdita di attrito quando si spinge l'acqua di mare attraverso un filtro in grafene perforato rispetto ai filtri in plastica poliammidica che sono stati utilizzati negli ultimi 50 anni, lui dice.

"Abbiamo dimostrato che i filtri perforati in grafene sono in grado di gestire le pressioni dell'acqua degli impianti di desalinizzazione, offrendo al contempo una permeabilità centinaia di volte migliore, " spiega Grossman. "Il processo di pompaggio dell'acqua di mare attraverso i filtri rappresenta circa la metà dei costi operativi di un impianto di desalinizzazione. Con grafene, potremmo utilizzare fino al 50 per cento in meno di energia."

Un altro vantaggio è che i filtri in grafene non si sporcano con la bio-crescita quasi alla velocità che si verifica con i filtri in poliammide. Gli impianti di desalinizzazione spesso funzionano con efficienza ridotta a causa della necessità di pulire frequentemente i filtri. Inoltre, il cloro utilizzato per pulire i filtri riduce l'integrità strutturale della poliammide, che richiedono frequenti sostituzioni. A confronto, il grafene è resistente agli effetti dannosi del cloro.

Secondo Grossman, potresti facilmente sostituire i filtri in poliammide con filtri in grafene negli impianti esistenti. Come i filtri in poliammide, i filtri in grafene possono essere montati su robusti supporti in polisulfone, che hanno fori più grandi che setacciano le particelle.

Ancora, rimangono sfide significative nel ridurre i costi. Il Gruppo Grossman ha compiuto buoni progressi nella creazione di volumi elevati di grafene a un costo ragionevolmente basso. Una sfida più seria, però, sta perforando in modo conveniente fori uniformi nel grafene in modo altamente scalabile.

"Una pianta tipica ha decine di migliaia di membrane, configurati in tubi lunghi due metri, ognuno dei quali dispone di 40 mq di membrana attiva arrotolata, " dice Grossman. "Dobbiamo eguagliare quel volume allo stesso costo, o è un non-starter."

Fare grafene a buon mercato

Il modo tradizionale di produrre il grafene, dal suo primo isolamento nel 2003, intendiamoci, è staccarlo con l'adesivo. "Prendi letteralmente un pezzo di scotch alla grafite e lo sbucci, " spiega Grossman. "Se continui a farlo, alla fine ti ritroverai con un singolo strato. Il problema è che ci vorrebbe un'eternità per staccare abbastanza grafene per un impianto di desalinizzazione".

Un altro approccio è quello di "far crescere" il grafene applicando gas super-caldi alla lamina di rame. "La coltivazione del grafene fornisce la migliore qualità, ecco perché l'industria dei semiconduttori è interessata a questo, " dice Grossman. Il processo, però, è molto costoso e dispendioso in termini energetici.

Anziché, il Gruppo Grossman utilizza un approccio chimico molto più conveniente, che produce una qualità sufficiente per creare membrane di desalinizzazione. "Fortunatamente, la nostra applicazione non richiede la migliore qualità, " dice Grossman. "Con la tecnica chimica, mettiamo la grafite in una soluzione, e applica la chimica a bassa temperatura per rompere l'intero pezzo di grafite in fogli. Possiamo ottenere molto grafene in modo molto economico e rapido".

Creare pori che bloccano il sale ma lasciano passare le molecole d'acqua è una sfida più impegnativa. La ragione per cui la desalinizzazione è possibile in primo luogo è che quando diffusa in acqua, gli ioni di sale si legano alle molecole d'acqua, creando così un'entità più grande. Ma la differenza di dimensioni rispetto a una molecola d'acqua libera è ancora frustrantemente piccola.

"La sfida è trovare il punto debole di circa 0,8 nanometri, " dice Grossman. "Se i tuoi pori sono a 1,5 nm, quindi passeranno sia l'acqua che il sale. Se sono mezzo nanometro, poi non passa niente".

Un foro di 0,8 nm è "più piccolo di quanto siamo mai stati in grado di fare in modo controllabile con qualsiasi altro materiale, "Dice Grossman. "E dobbiamo farlo su un'area molto ampia in modo molto coerente ed economico".

Il Gruppo Grossman sta perseguendo tre tecniche per realizzare membrane nanoporose in grafene, che utilizzano energia chimica e termica piuttosto che processi meccanici. "Se hai provato a usare la litografia, ci vorrebbero anni, " dice Grossman. "Il nostro primo approccio consiste nel fare i fori troppo grandi, e poi riempirli con cura. Un altro cerca di farli esattamente della giusta dimensione, e il terzo prevede di iniziare con un materiale senza buchi e poi di strapparlo accuratamente."

La tecnica chimica per produrre il grafene produce effettivamente ossido di grafene, che è considerato indesiderabile per i semiconduttori, ma va bene per i filtri. Di conseguenza, i ricercatori sono stati in grado di evitare il difficile passaggio di rimuovere l'ossigeno dall'ossido di grafene. Infatti, trovarono un modo per usare l'ossigeno a loro vantaggio.

"Controllando il modo in cui l'ossigeno è legato al foglio di grafene, possiamo usare l'energia chimica e termica per praticare i fori con l'aiuto dell'ossigeno, " dice Grossman.

Primo obiettivo:acqua salmastra

Mentre il Gruppo Grossman continua a lavorare sulla sfida della produzione e della perforazione di fogli di grafene, Grossman sta cercando di sfruttare altri vantaggi dei filtri al grafene per aiutare a portare la tecnologia sul mercato.

Sebbene il grafene dovrebbe migliorare l'efficienza con l'acqua di mare e anche quella più salata, acqua più sporca utilizzata nella fratturazione idraulica, probabilmente debutterà in piante che puliscono l'acqua salmastra, come si trova negli estuari. "Si scopre che una maggiore permeabilità anche di un fattore due o tre farebbe una differenza maggiore con l'acqua salmastra che con l'acqua di mare, " dice Grossman. "Si riduce il consumo di energia in entrambi i casi, ma ancor di più per l'acqua salmastra."

I filtri al grafene potrebbero anche consentire la costruzione di piccoli, piante più economiche. "Con il grafene hai più scelte su come far funzionare l'impianto, " dice Grossman. "Potresti applicare le stesse pressioni ma far uscire più acqua, oppure potresti farlo funzionare a pressioni più basse e ottenere la stessa quantità di acqua, ma a un costo energetico inferiore."

Grossman osserva che possono essere necessari anni o addirittura decenni per posizionare e consentire un impianto in aree costiere densamente popolate. "Un grande sforzo va nel modo in cui costruirai l'impianto e dove troverai abbastanza terra, " Dice Grossman. "Avere la possibilità di costruire un impianto più piccolo sarebbe un grande vantaggio".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.