Un sottile rivestimento di nitruro di boro esagonale nanomateriale 2-D è l'ingrediente chiave di una tecnologia conveniente sviluppata dagli ingegneri della Rice University per la desalinizzazione della salamoia industriale.

Più di 1,8 miliardi di persone vivono in paesi in cui l'acqua dolce è scarsa. In molte regioni aride, l'acqua di mare o le acque sotterranee salate sono abbondanti ma costose da desalinizzare. Inoltre, molte industrie pagano elevati costi di smaltimento per acque reflue con elevate concentrazioni di sale che non possono essere trattate con le tecnologie convenzionali. Osmosi inversa, la tecnologia di desalinizzazione più comune, richiede una pressione sempre maggiore all'aumentare del contenuto salino dell'acqua e non può essere utilizzata per trattare acque estremamente salate, o ipersalina.

Acqua ipersalina, che può contenere 10 volte più sale dell'acqua di mare, è una sfida sempre più importante per molti settori. Alcuni pozzi di petrolio e gas lo producono in grandi volumi, Per esempio, ed è un sottoprodotto di molte tecnologie di desalinizzazione che producono sia acqua dolce che salamoia concentrata. Anche aumentare la consapevolezza dell'acqua in tutti i settori è un fattore trainante, disse Qilin Li di Rice, co-autore corrispondente di uno studio sulla tecnologia di desalinizzazione di Rice pubblicato su Nanotecnologia della natura .

"Non è solo l'industria petrolifera, " disse Li, co-direttore del Centro di trattamento delle acque abilitato alle nanotecnologie a base di riso (NEWT). "Processi industriali, generalmente, produrre acque reflue salate perché la tendenza è quella di riutilizzare l'acqua. Molte industrie stanno cercando di avere sistemi idrici "a circuito chiuso". Ogni volta che recuperi acqua dolce, il sale in esso diventa più concentrato. Alla fine le acque reflue diventano ipersaline e devi desalinizzare o pagare per smaltirle".

La tecnologia convenzionale per desalinizzare l'acqua ipersalina ha costi di capitale elevati e richiede un'infrastruttura estesa. TRITONE, un Centro di ricerca ingegneristica (ERC) della National Science Foundation (NSF) con sede presso la Brown School of Engineering di Rice, sta utilizzando gli ultimi progressi della nanotecnologia e della scienza dei materiali per creare soluzioni decentralizzate, tecnologie adatte allo scopo per trattare l'acqua potabile e le acque reflue industriali in modo più efficiente.

Una delle tecnologie di NEWT è un sistema di desalinizzazione off-grid che utilizza l'energia solare e un processo chiamato distillazione a membrana. Quando la salamoia viene fatta scorrere attraverso un lato di una membrana porosa, viene riscaldato sulla superficie della membrana da un rivestimento fototermico che assorbe la luce solare e genera calore. Quando l'acqua dolce fredda scorre attraverso l'altro lato della membrana, la differenza di temperatura crea un gradiente di pressione che spinge il vapore acqueo attraverso la membrana dal lato caldo a quello freddo, lasciando dietro di sé sali e altri contaminanti non volatili.

Una grande differenza di temperatura su ciascun lato della membrana è la chiave per l'efficienza di desalinizzazione della membrana. Nella versione a energia solare della tecnologia di NEWT, le nanoparticelle attivate dalla luce attaccate alla membrana catturano tutta l'energia necessaria dal sole, con conseguente elevata efficienza energetica. Li sta lavorando con un partner industriale NEWT per sviluppare una versione della tecnologia che può essere utilizzata per scopi umanitari. Ma l'energia solare non concentrata da sola non è sufficiente per la desalinizzazione ad alta velocità della salamoia ipersalina, lei disse.

"L'intensità energetica è limitata con l'energia solare ambientale, " disse Li, professore di ingegneria civile e ambientale. "L'energia assorbita è solo un kilowatt per metro quadrato, e il tasso di produzione dell'acqua è lento per i sistemi su larga scala".

L'aggiunta di calore alla superficie della membrana può produrre miglioramenti esponenziali nel volume di acqua dolce che ogni metro quadrato di membrana può produrre ogni minuto, una misura nota come flusso. Ma l'acqua salata è altamente corrosiva, e diventa più corrosivo quando riscaldato. Gli elementi riscaldanti metallici tradizionali si distruggono rapidamente, e molte alternative non metalliche se la cavano poco meglio o hanno una conduttività insufficiente.

"Stavamo davvero cercando un materiale che fosse altamente conduttivo elettricamente e che supportasse anche una grande densità di corrente senza essere corroso in quest'acqua altamente salata, " disse Li.

La soluzione è arrivata dai coautori dello studio Jun Lou e Pulickel Ajayan del Dipartimento di Scienza dei materiali e Nanoingegneria (MSNE) della Rice. Lou, I ricercatori post-dottorato di Ajayan e NEWT e gli autori co-leader dello studio Kuichang Zuo e Weipeng Wang, e il coautore dello studio e studente laureato Shuai Jia ha sviluppato un processo per rivestire una sottile rete di acciaio inossidabile con un film sottile di nitruro di boro esagonale (hBN).

La combinazione di resistenza chimica e conduttività termica del nitruro di boro ha reso la sua forma ceramica una risorsa preziosa nelle apparecchiature ad alta temperatura, ma hBN, la forma 2-D spessa come un atomo del materiale, è tipicamente coltivato su superfici piane.

"Questa è la prima volta che questo bellissimo rivestimento in hBN viene coltivato su un terreno irregolare, superficie porosa, " Li ha detto. "È una sfida, perché ovunque tu abbia un difetto nel rivestimento in hBN, inizierai ad avere corrosione."

Jia e Wang hanno utilizzato una tecnica di deposizione chimica da vapore modificata (CVD) per far crescere dozzine di strati di hBN su una superficie non trattata, rete in acciaio inossidabile disponibile in commercio. La tecnica ha esteso la precedente ricerca di Rice alla crescita di materiali 2-D su superfici curve, che è stato sostenuto dal Centro per i rivestimenti multifunzionali atomicamente sottili, o ATOMICO. Anche il Centro ATOMIC è ospitato da Rice e supportato dal Programma di ricerca cooperativa Industria/Università della NSF.

I ricercatori hanno dimostrato che il rivestimento in rete metallica, che era spesso solo un decimilionesimo di metro, era sufficiente per racchiudere i fili intrecciati e proteggerli dalle forze corrosive dell'acqua ipersalina. L'elemento riscaldante in rete metallica rivestita è stato attaccato a una membrana di fluoruro di polivinilidene disponibile in commercio che è stata arrotolata in un modulo avvolto a spirale, una forma salvaspazio utilizzata in molti filtri commerciali.

Nei test, i ricercatori hanno alimentato l'elemento riscaldante con una tensione a una frequenza domestica di 50 hertz e densità di potenza fino a 50 kilowatt per metro quadrato. Alla massima potenza, il sistema ha prodotto un flusso di oltre 42 chilogrammi di acqua per metro quadrato di membrana all'ora, più di 10 volte maggiore rispetto alle tecnologie di distillazione a membrana solare ambientale, con un'efficienza energetica molto più elevata rispetto alle tecnologie di distillazione a membrana esistenti.

Li ha affermato che il team è alla ricerca di un partner industriale per ampliare il processo di rivestimento CVD e produrre un prototipo più grande per test sul campo su piccola scala.

"Siamo pronti a perseguire alcune applicazioni commerciali, " Ha detto. "Il passaggio dal processo su scala di laboratorio a un grande foglio CVD 2-D richiederà un supporto esterno".