Ridurre i costi energetici e quindi finanziari, oltre a migliorare la semplicità della desalinizzazione dell'acqua, potrebbe aiutare le comunità di tutto il mondo con scarso accesso all'acqua potabile sicura. Credito:© 2022 Itoh et al.
La scarsità d'acqua è un problema crescente in tutto il mondo. La desalinizzazione dell'acqua di mare è un metodo consolidato per produrre acqua potabile, ma comporta enormi costi energetici. Per la prima volta, i ricercatori utilizzano nanostrutture a base di fluoro per filtrare con successo il sale dall'acqua. Rispetto agli attuali metodi di desalinizzazione, questi nanocanali fluorati funzionano più velocemente, richiedono meno pressione e meno energia e sono un filtro più efficace.
Se hai mai cucinato con una padella antiaderente rivestita di teflon, probabilmente hai visto il modo in cui gli ingredienti bagnati scivolano facilmente intorno ad essa. Ciò accade perché il componente chiave del teflon è il fluoro, un elemento leggero che è naturalmente idrorepellente o idrofobo. Il teflon può essere utilizzato anche per rivestire tubi per migliorare il flusso dell'acqua. Tale comportamento ha attirato l'attenzione del Professore Associato Yoshimitsu Itoh del Dipartimento di Chimica e Biotecnologie dell'Università di Tokyo e del suo team. Li ha ispirati a esplorare come i tubi oi canali realizzati con il fluoro potrebbero funzionare su una scala molto diversa, la nanoscala.
"Eravamo curiosi di vedere quanto potesse essere efficace un nanocanale fluoro nel filtrare selettivamente diversi composti, in particolare acqua e sale. E, dopo aver eseguito alcune complesse simulazioni al computer, abbiamo deciso che valeva la pena dedicare tempo e sforzi per creare un campione funzionante, " disse Itoh. "Ci sono due modi principali per dissalare l'acqua attualmente:termicamente, utilizzando il calore per far evaporare l'acqua di mare in modo che si condensi come acqua pura, o mediante osmosi inversa, che utilizza la pressione per forzare l'acqua attraverso una membrana che blocca il sale. Entrambi i metodi richiedono molta energia , ma i nostri test suggeriscono che i nanocanali fluorati richiedono poca energia e hanno anche altri vantaggi."
Il team ha creato membrane di filtrazione di prova sintetizzando chimicamente anelli di fluoro nanoscopici, che sono stati impilati e incorporati in uno strato lipidico altrimenti impermeabile, simile alle molecole organiche che compongono le pareti cellulari. Hanno creato diversi campioni di prova con nanoanelli compresi tra circa 1 e 2 nanometri. Per riferimento, un capello umano è largo quasi 100.000 nanometri. Per testare l'efficacia delle loro membrane, Itoh e il team hanno misurato la presenza di ioni cloro, uno dei componenti principali del sale, l'altro è il sodio, su entrambi i lati della membrana di prova.
"È stato molto emozionante vedere i risultati in prima persona. Il più piccolo dei nostri canali di prova ha respinto perfettamente le molecole di sale in entrata, e anche i canali più grandi erano ancora un miglioramento rispetto ad altre tecniche di desalinizzazione e persino ai filtri a nanotubi di carbonio all'avanguardia", ha affermato Itoh. "La vera sorpresa per me è stata la velocità con cui si è verificato il processo. Il nostro campione ha funzionato diverse migliaia di volte più velocemente dei tipici dispositivi industriali e circa 2.400 volte più velocemente dei dispositivi sperimentali di desalinizzazione basati su nanotubi di carbonio."
Poiché il fluoro è elettricamente negativo, respinge gli ioni negativi come il cloro che si trova nel sale. Ma un ulteriore vantaggio di questa negatività è che scompone anche quelli che sono noti come ammassi d'acqua, essenzialmente gruppi di molecole d'acqua legati in modo lasco, in modo che passino attraverso i canali più velocemente. Le membrane di desalinizzazione dell'acqua a base di fluoro del team sono più efficaci, più veloci, richiedono meno energia per funzionare e sono realizzate anche per essere molto semplici da usare, quindi qual è il problema?
"Attualmente, il modo in cui sintetizziamo i nostri materiali è di per sé relativamente ad alta intensità energetica; tuttavia, questo è qualcosa che speriamo di migliorare nelle prossime ricerche. E, data la longevità delle membrane e i loro bassi costi operativi, i costi energetici complessivi saranno essere molto inferiore rispetto ai metodi attuali", ha affermato Itoh. "Ovviamente, altri passi che desideriamo intraprendere sono l'aumento di queste dimensioni. I nostri campioni di prova erano singoli nanocanali, ma con l'aiuto di altri specialisti speriamo di creare una membrana di circa 1 metro di diametro in diversi anni. Parallelamente a queste preoccupazioni di produzione, stiamo anche valutando se membrane simili potrebbero essere utilizzate per ridurre l'anidride carbonica o altri prodotti di scarto indesiderati rilasciati dall'industria."
I risultati sono pubblicati in Scienza . + Esplora ulteriormente
