Lo schema di processo delle membrane nanowood per la distillazione a membrana (MD). (A) Schema di MD utilizzando la membrana di legno. (B) Fotografia digitale del nanowood e delle corrispondenti proprietà benefiche per le applicazioni MD. (C) Schema dell'acqua (vapore) e del trasferimento di calore nella membrana di legno durante MD. Credito fotografico:T. Li, Università del Maryland. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw3203
Durante la desalinizzazione dell'acqua, la distillazione a membrana (MD) è messa in discussione dall'inefficienza della separazione termica dell'acqua dai soluti disciolti, a causa della sua dipendenza dalla porosità della membrana e dalla conduttività termica. Ad esempio, le membrane derivate dal petrolio esistenti hanno dovuto affrontare importanti ostacoli allo sviluppo. In un nuovo rapporto ora su Progressi scientifici , Dianxun Hou e colleghi dei dipartimenti interdisciplinari di civile, ambientale, Ingegneria Architettonica, scienza dei materiali e ingegneria meccanica negli Stati Uniti, La Norvegia e la Cina hanno fabbricato per la prima volta una robusta membrana MD direttamente da materiale in legno sostenibile.
Hanno utilizzato una membrana di nanolegno idrofobo con elevata porosità e struttura gerarchica dei pori con un'ampia distribuzione delle dimensioni dei pori di nanofibrille di cellulosa cristallina, vasi xilematici e lumina per facilitare il trasporto del vapore acqueo. La conduttività termica era estremamente bassa nella direzione trasversale del costrutto per ridurre la perdita di calore conduttivo, sebbene l'elevata conduttività termica lungo la fibra consentisse un'efficiente dissipazione termica lungo la direzione assiale. La membrana ha dimostrato un'eccellente permeabilità al vapore intrinseca ed efficienza termica. Le proprietà combinate di efficienza termica, flusso d'acqua, la scalabilità e la sostenibilità hanno reso il nanowood altamente desiderabile per le applicazioni MD (distillazione a membrana).
La scarsità d'acqua è una sfida globale e il rapporto delle Nazioni Unite (ONU) che attualmente quasi la metà della popolazione mondiale vive in regioni potenzialmente carenti d'acqua per almeno 1 mese all'anno. Il problema è aggravato dal cambiamento climatico e dalla rapida urbanizzazione, evidenziato da lunghi periodi di siccità e frequenti incendi nello Stato della California negli Stati Uniti. La desalinizzazione può aiutare ad alleviare lo stress idrico estraendo acqua dolce da una serie di fonti saline o contaminate, compresa l'acqua di mare, acque sotterranee salmastre o acque reflue. Gli scienziati hanno potenziato la desalinizzazione utilizzando la nanotecnologia e la produzione avanzata.
Caratterizzazione strutturale della membrana nanowood. (A) Foto della membrana nanowood idrofoba. (B) Foto che mostra l'idrofobicità dopo il trattamento con silano. (C) Angolo di contatto con l'acqua della membrana nanowood. (D) Immagini SEM della superficie del nanowood che mostrano una trama allineata, vasi xilematici, e lumina (canali). (E) Immagini SEM che mostrano mesopori [sezione trasversale (G) e fosse (H)] che crescono sulle pareti dei vasi xilematici e del lumina. (F) Immagini SEM che mostrano pori microdimensionati tra le fibre di cellulosa. (I) PSD del legno naturale idrofobo e delle membrane nanowood. Credito fotografico:D. Hou, Università del Colorado. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw3203.
Le tecniche di desalinizzazione dell'acqua esistenti, come l'osmosi inversa, sono tuttavia ad alta intensità energetica e al loro limite di efficienza energetica (~50 percento). I ricercatori sono quindi desiderosi di utilizzare fonti di energia rinnovabili ea basso costo come strategia alternativa conveniente per mitigare le sfide nello stoccaggio dell'energia. La distillazione a membrana (MD) è una soluzione emergente, processo di separazione termicamente guidato in base alla temperatura e alla pressione di vapore utilizzando l'energia solare, termiche o altre fonti rinnovabili. Nel suo meccanismo d'azione, l'acqua evapora sul lato di alimentazione calda delle celle MD per diffondersi attraverso una membrana idrofoba porosa per condensare sul lato del permeato freddo.
Durante la MD, il trasporto di vapore acqueo può portare al trasferimento di calore convettivo per ridurre il gradiente e abbassare la forza motrice per il trasferimento di massa attraverso la membrana. Gli scienziati prevedono che una membrana MD ideale combini una grande dimensione dei pori, bassa tortuosità dei pori, bassa conducibilità termica, elevata porosità, spessore ottimale, buona resistenza meccanica, economicità e basso impatto ambientale. Però, le membrane MD esistenti realizzate con polimeri sintetici non soddisfano gli standard ottimali a causa di diverse carenze.
Nel presente lavoro, perciò, Ho et al. ha sviluppato la prima robusta membrana MD direttamente da legno sostenibile come soluzione naturale per la purificazione dell'acqua. Il materiale nanocellulosico abbondante in terra viene generalmente utilizzato in prodotti con un impatto ambientale o sanitario minimo per costruire impalcature, biocarburanti o filtri per l'acqua. Gli scienziati dei materiali hanno sviluppato l'attuale versione di nanowood rimuovendo direttamente lignina ed emicellulosa con trattamento chimico e liofilizzazione per preservare la nanostruttura anisotropica e l'allineamento gerarchico delle fibre di legno.
Caratterizzazione della conducibilità termica delle membrane in legno. (A) Foto della membrana nanowood idrofoba. (B) Foto della membrana di legno naturale idrofoba. (C) Rappresentazione schematica della misurazione della fonte di calore a contatto. Termografi IR di (D) le membrane in legno. (E) Conducibilità termica misurata delle membrane in legno da 40° a 60°C. (F) Confronto della conducibilità termica dei legni a 60°C prima e dopo il trattamento idrofobico ai silani. Le barre di errore rappresentano le SD basate su tre esperimenti indipendenti. Credito fotografico:D. Hou, Università del Colorado. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aaw3203
Gli scienziati hanno preparato il legno in un materiale sfuso anisotropo e termoisolante con elevata porosità, bassa conducibilità termica e buona resistenza meccanica come substrato ideale per la nuova membrana MD. Il team di ricerca ha utilizzato legno nanostrutturato di tiglio americano naturale seguito da un rivestimento in silano per formare una membrana superficiale idrofoba con elevata porosità e bassa conduttività termica. Hanno quindi confrontato le membrane di legno idrofobe con le membrane commerciali relative alla struttura e alle prestazioni durante la purificazione dell'acqua.
Le nuove membrane hanno presentato una struttura porosa unica con vasi xilematici formati naturalmente e lumi paralleli alla superficie della membrana rispetto alle membrane commerciali sintetiche con pori verticali. Il team di ricerca ha osservato direttamente l'allineamento naturale delle nanofibrille di cellulosa utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM). Hanno notato la struttura risultante con nanofibrille cristalline allineate tenute insieme da legami idrogeno intermolecolari e forze di van de Waal. Rimuovendo i componenti misti di lignina ed emicellulosa, gli scienziati hanno contribuito a circa il 70 percento di perdita di massa ea una migliore porosità della membrana idrofoba di nanolegno. Ho et al. utilizzato i pori situati tra le nanofibrille o sulle pareti del canale per il trasporto del vapore acqueo.
A causa della grande porosità del materiale ingegnerizzato, la conduttività termica teorica della membrana nanowood idrofoba è diminuita da 0,210 a 0,04 W m −1 K −1 a 25°C, per contribuire alla riduzione della perdita di calore conduttivo, mentre aumenta il trasferimento di calore convettivo. Gli scienziati hanno trattato il legno con fluoroalchilsilano (FAS) per indurre idrofobicità, che hanno verificato utilizzando misurazioni dell'angolo di contatto con l'acqua per ottenere angoli di contatto maggiori di 140 gradi. I valori erano superiori a quelli osservati con membrane commerciali come il politetrafluoroetilene (PTFE) e il fluoruro di polivinilidene (PVDF). La morfologia e la struttura dei pori sono rimaste intatte prima e dopo il trattamento superficiale. Gli scienziati hanno confrontato le membrane di legno idrofobe con membrane commerciali relative alle strutture delle membrane, inclusa la dimensione dei pori (PSD), conducibilità termica e prestazioni.
Prestazioni MD del legno e delle membrane commerciali. (A) Flusso d'acqua e (B) conducibilità termiche sperimentali per le membrane di legno idrofobe con temperatura di alimentazione variabile in continuo tra 40° e 60°C e temperatura del distillato di 20°C. (C) Permeabilità intrinseca delle membrane. (D) Efficienza termica rispetto al flusso d'acqua delle membrane in legno e delle membrane commerciali. Le barre di errore rappresentano le SD basate su tre esperimenti indipendenti. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aaw3203.
Per dimostrare le capacità di isolamento termico per la membrana nanowood idrofoba fabbricata, i ricercatori hanno testato il campione sotto una fonte di calore conduttivo e hanno stimolato la distillazione a membrana a contatto diretto (DCMD). Durante gli esperimenti hanno applicato cinque diverse temperature e le hanno misurate utilizzando una telecamera a infrarossi (IR). Nei risultati, la nanomembrana idrofoba ha mostrato una bassa conduttività termica e proprietà anisotrope quando le temperature sono aumentate da 40 0 DO—60 0 C. Secondo i risultati, la rimozione della lignina e dell'emicellulosa mischiate durante la preparazione del nanolegno ha contribuito a cambiamenti significativi nella conduttività termica del legno.
Ho et al. quindi testato la desalinizzazione termicamente efficiente della membrana nanowood osservando il flusso di acqua (vapore) attraverso le membrane. A causa della maggiore porosità e dimensione dei pori, la membrana nanowood idrofoba ha dimostrato un flusso d'acqua più elevato con una resistenza al trasferimento del vapore sostanzialmente ridotta. Hanno confrontato le prestazioni di nanowood MD con MD commerciali e hanno proposto l'uso di membrane di legno più sottili per fabbricare un flusso migliore in studi futuri. Le membrane idrofobe hanno mostrato una buona efficienza termica (71 ± 2% a 60°C) per rappresentare i valori più alti raggiunti finora in MD. In totale, i risultati hanno suggerito la maggiore dimensione dei pori e la maggiore PSD (dimensione dei pori) della membrana nanowood per compensare gli svantaggi della minore porosità.
La membrana in nanolegno idrofobo di nuova concezione ha mostrato proprietà superiori e potenziale MD per la desalinizzazione dell'acqua. La membrana ha mostrato un buon afflusso d'acqua (trasporto del vapore acqueo) e un'eccellente efficienza termica grazie all'elevata permeabilità intrinseca e alla conduttività termica super bassa (0,040 W m −1 K −1 ) per promuovere il trasferimento di calore convettivo e conduttivo. In questo modo, Dianxun Hou e colleghi hanno fabbricato una membrana in nanolegno utilizzando un approccio top-down con semplici trattamenti chimici. Il nuovo sviluppato, la membrana scalabile nanowood è una membrana termicamente efficiente con un grande potenziale per utilizzare il calore di bassa qualità proveniente da diverse fonti durante la distillazione a membrana (MD) per la desalinizzazione dell'acqua.
Gli scienziati possono migliorare la dimensione e lo spessore dei pori selezionando altre specie di legno per il processo in futuro. Propongono anche l'uso dell'elettrofilatura per ingegnerizzare le fibre di nanocellulosa. A causa della natura idrofila dei materiali in nanocellulosa, Ho et al. mirano a migliorare ulteriormente l'efficienza del trattamento idrofobico per la durata della membrana in condizioni chimiche e ad alta temperatura. Il team di ricerca intende ottimizzare ulteriormente i metodi di fabbricazione per progettare materiali a membrana più sottili e più grandi per future applicazioni nella desalinizzazione dell'acqua
Schematico, immagini, e interfaccia di controllo dell'apparato per la distillazione a membrana a contatto diretto (DCMD). (A) Schemi dell'apparato per la distillazione a membrana a contatto diretto (DCMD). Immagini visive di (B) reattore DCMD e (C) sistema di controllo LabVIEW
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