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Desalinizzazione resa più semplice
Ottenere l'accesso all'acqua potabile è una sfida quotidiana per più di un miliardo di persone nel mondo. La desalinizzazione può aiutare ad alleviare queste popolazioni in condizioni di stress idrico filtrando il sale dall'abbondante acqua di mare, e ci sono più di 7.000 impianti di desalinizzazione in tutto il mondo, 250 che operano solo negli Stati Uniti. Tuttavia, le membrane che queste piante utilizzano per filtrare il sale tendono a rompersi se esposte a un ingrediente essenziale nel processo: il cloro.
Razionalizzazione della desalinizzazione: Il ricercatore Ho Bum Park contiene due campioni della membrana di desalinizzazione tollerante al cloro. Quello di sinistra ha uno spessore di un decimo di micrometro ed è costituito da un supporto poroso con un sottile rivestimento di membrana. La membrana blu ha uno spessore di circa 50 micrometri.
Ora i ricercatori dell'Università del Texas ad Austin (UT Austin) e del Virginia Polytechnic Institute hanno progettato una membrana tollerante al cloro che filtra il sale proprio come molte membrane commerciali. I ricercatori affermano che una tale membrana eliminerebbe i passaggi costosi nel processo di desalinizzazione e alla fine sarebbe utilizzata per filtrare il sale dall'acqua di mare. I risultati del loro studio appaiono nell'ultimo numero della rivista chimica applicata .
La maggior parte degli impianti di desalinizzazione oggi utilizza membrane in poliammide per separare efficacemente il sale dall'acqua di mare. Poiché l'acqua di mare ospita una varietà di organismi che possono formare uno spesso film sulle membrane e intasare il filtro, le piante usano il cloro per disinfettare l'acqua in entrata prima che venga inviata attraverso le membrane. Il problema è che queste membrane si degradano dopo l'esposizione continua al cloro. Quindi l'industria della desalinizzazione ha aggiunto un altro passaggio, la declorazione rapida dell'acqua dopo che è stata trattata con il cloro e prima che sia passata attraverso la membrana. Una volta desalinizzata l'acqua, si aggiunge nuovamente il cloro, prima che l'acqua entri nella rete di potabilizzazione.
Benny Freeman , un professore di ingegneria chimica all'UT Austin, afferma che una membrana tollerante al cloro può aiutare a semplificare significativamente il processo di desalinizzazione. Freeman e James McGrath , un professore di chimica al Virginia Polytechnic Institute, ha progettato una membrana filtrante per l'acqua che resiste a ripetute esposizioni di cloro.
La nuova membrana è realizzata in polisulfone, un termoplastico contenente zolfo altamente resistente al cloro. Precedenti ricercatori hanno tentato di progettare membrane resistenti al cloro utilizzando il polisulfone, ma sono stati ostacolati perché il materiale è estremamente idrofobo e non lascia passare facilmente l'acqua. Gli scienziati hanno cercato di alterare chimicamente la composizione del polimero aggiungendo composti idrofili o che attirano l'acqua. Tuttavia, il tempismo è tutto e Freeman afferma che quando i ricercatori aggiungono tali composti dopo aver sintetizzato il polimero, alla fine, si rompe la spina dorsale della catena polimerica... al punto da non essere utile.
Invece, Freeman e McGrath hanno aggiunto due gruppi idrofili di acido solfonico durante il processo di polimerizzazione e hanno scoperto che erano in grado di sintetizzare un polimero durevole e riproducibile. Hanno quindi eseguito una serie di esperimenti per valutare la capacità del materiale di tollerare il cloro e filtrare il sale, rispetto alle membrane commerciali.
Innanzitutto, il team ha eseguito test di permeabilità al sale, misurando la quantità di sale che passa attraverso una membrana in un determinato periodo di tempo. Meno sale si trova nell'acqua filtrata, meglio è. Freeman e McGrath hanno scoperto che la nuova membrana si è comportata altrettanto bene di molte membrane commerciali nel filtrare l'acqua con un contenuto di sale da basso a medio. Per i campioni più salati paragonabili all'acqua di mare, la membrana del team era leggermente meno permeabile.
Disponiamo di materiali che oggi sono competitivi con la nanofiltrazione esistente e alcune delle membrane per l'acqua salmastra, afferma Freeman. Ora stiamo spingendo la chimica per approfondire l'area dell'acqua di mare, che è un mercato significativo a cui vorremmo accedere.
I ricercatori hanno anche testato la sensibilità al cloro del polimero. Hanno scoperto che, dopo l'esposizione a soluzioni concentrate di cloro per più di 35 ore, la nuova membrana ha subito pochi cambiamenti nella composizione, rispetto alle membrane commerciali in poliammide, che sono state consumate dal cloro.
Attualmente, Freeman e i suoi colleghi stanno ulteriormente manipolando la composizione del polimero per cercare di mettere a punto varie proprietà, nella speranza di progettare una membrana più selettiva e resistente al cloro. Sono inoltre in trattative con un produttore leader di membrane di desalinizzazione, con l'obiettivo di portare la nuova membrana sul mercato.
Queste membrane possono rappresentare un percorso ragionevole per la commercializzazione, afferma Freeman. Se avremo successo, avremo la possibilità di realizzare sostanzialmente queste membrane con le stesse apparecchiature che le persone usano oggi.
Eric Hoek , un assistente professore di ingegneria civile e ambientale presso l'Università della California, Los Angeles, lavora alla progettazione di nuove membrane di desalinizzazione presso il California Nanosistemi Institute. Dice che la membrana tollerante al cloro sviluppata dal team di Freeman potrebbe essere un'alternativa promettente alle odierne controparti industriali.
Questo lavoro è tra le ricerche più innovative e interessanti sui materiali a membrana negli ultimi dieci anni, afferma Hoek. Anche se la tolleranza al cloro mostrata da queste membrane è impressionante, le prestazioni di separazione di base non sono ancora quelle necessarie affinché questi materiali vengano propagandati come sostituti immediati della tecnologia commerciale delle membrane per acqua di mare.