Recientemente, investigadores chinos y estadounidenses han logrado importantes avances en la dirección de investigación del tratamiento de agua con membranas de ósmosis inversa. Han desarrollado un nuevo material de membrana, el material de membrana de poliéster (DHMBA), que tiene amplias perspectivas de aplicación en la desalinización de agua de mar, la purificación de aguas residuales municipales y otros campos.
Este logro fue publicado recientemente en Science. Fue realizado en forma conjunta por el profesor Zhang Xuan de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Nanjing, el equipo de Huo Mingxin y Wang Xianze de la Facultad de Medio Ambiente de la Universidad Normal del Noreste, y el profesor Menachem Elimelech (Universidad de Yale), académico de la Academia Estadounidense de Ingeniería.
La membrana de poliéster desafía a la membrana de poliamida
Como la única tecnología que puede lograr el incremento de los recursos de agua dulce desde la fuente abierta, la desalinización de agua de mar es la primera opción para resolver el problema de escasez mundial de agua y una parte importante de la reformulación del plan de "seguridad hídrica" de mi país.
En la actualidad, el principal tipo de membrana de desalinización de agua de mar comercial es la película de poliamida compuesta (TFC-PA), entre las cuales los productos de DuPont, Hydraulic Energy, Toray y otras empresas de los Estados Unidos ocupan la gran mayoría de la cuota de mercado mundial.
Las membranas de ósmosis inversa compuestas de película delgada han sido la tecnología de referencia para la desalinización y la purificación del agua durante casi medio siglo. Las membranas de ósmosis inversa compuestas de película delgada de poliamida (TFC-RO) se han convertido en la tecnología preferida para la desalinización y la reutilización de aguas residuales debido a su excelente eficiencia de separación.
Estas membranas se preparan mediante polimerización interfacial, lo que da como resultado una superficie rugosa que es susceptible a la adsorción de contaminantes. Aunque los oxidantes pueden reducir la bioincrustación, las membranas de poliamida se dañan fácilmente en presencia de cloro.
Por lo tanto, el tratamiento de aguas industriales requiere costosos pasos de pretratamiento, como la coagulación, la adición de agentes antiincrustantes, la desinfección y la decloración para proteger las membranas. Aunque recientemente han surgido membranas resistentes a las incrustaciones y al cloro, su rendimiento de desalinización es inferior al de las membranas de poliamida.
Un caso especial es una capa selectiva de poliéster formada sobre un sustrato de PES, que muestra buena resistencia al cloro y capacidad de desalinización, pero es susceptible a la hidrólisis por encima de un pH de 8.0 El desarrollo de membranas resistentes que puedan evitar el pretratamiento reducirá significativamente los costos de desalinización y los impactos ambientales.
Para resolver estos problemas, el equipo de investigación del profesor Zhang Xuan en la NUST comenzó en 2014 a diseñar innovaciones materiales en el campo de las membranas de ósmosis inversa y llevó a cabo una gran cantidad de investigaciones básicas aplicadas. También se centraron en el sistema de material de membrana de separación de poliéster y continuaron realizando creación estructural e innovación tecnológica.
Por último, los investigadores diseñaron una membrana de ósmosis inversa compuesta de película de poliéster (DHMBA) con una fuerte permeabilidad al agua, alta resistencia al cloruro de sodio y al boro, y resistencia total al cloro. En comparación con las membranas de poliamida, la superficie de la membrana ultra suave y de baja energía también puede prevenir la formación de incrustaciones y la acumulación de minerales.
Estas membranas proporcionan una manera de reducir en gran medida los pasos de pretratamiento de la desalinización de agua de mar al optimizar aún más la selectividad agua-sal, lo que plantea un desafío cada vez mayor para las membranas de poliamida.
Además, la membrana de ósmosis inversa de poliéster DHMBA sigue el proceso de producción de las membranas comerciales existentes, lo que mejora la viabilidad de la producción a gran escala, lo que supone un hito en el desarrollo de la industria de la ósmosis inversa.
¿Cuáles son las propiedades mejoradas del nuevo material de membrana?
1. Rendimiento de la desalinización
Los investigadores caracterizaron la membrana DHMBA preparada y confirmaron que su superficie estaba libre de defectos y tenía una densidad de reticulación de más del 92%, lo que indica la formación de una estructura de poliéster estable.
Las observaciones mediante microscopía electrónica de barrido y microscopía de fuerza atómica mostraron que la superficie de la membrana era lisa y menos rugosa que las membranas de poliamida tradicionales.
La sonda atómica y otras técnicas confirmaron además la uniformidad y el espesor adecuado de la membrana. En comparación con las membranas comerciales del mercado, la membrana DHMBA tuvo un mejor rendimiento en la desalinización, especialmente en términos de rechazo de sal y flujo de agua.
Además, tuvo un mejor desempeño que las tecnologías actuales en la eliminación de boro, demostrando la capacidad de mantener altas tasas de eliminación en diferentes condiciones, lo que puede estar relacionado con sus características químicas y de carga únicas.
2. Estabilidad del cloro en la membrana
Los investigadores también probaron la estabilidad del cloro de las membranas DHMBA y SW30. En consonancia con estudios anteriores, el rendimiento de las membranas basadas en poliamida de SW30 se deterioró rápidamente cuando se expusieron al cloro activo en todas las condiciones de pH, especialmente en condiciones ácidas debido a la corrosión directa de las especies de HOCl.
Por el contrario, la membrana DHMBA mostró excelentes propiedades antioxidantes porque los sustituyentes en posiciones específicas de su estructura impidieron reacciones de cloración directa.
Especialmente en condiciones ácidas de pH 0, la membrana DHMBA mantuvo un rendimiento de desalinización estable, y los cálculos DFT y los resultados XPS respaldaron esta conclusión, indicando su resistencia a las reacciones de sustitución aromática.
En condiciones de pH neutro, la membrana DHMBA puede mantener la estabilidad en pruebas de hasta 2000 horas, y puede soportar concentraciones extremadamente altas de exposición a cloro libre incluso a valores de pH tan altos como 9,0, demostrando su excelente resistencia a los álcalis.
3. Membrana antiincrustante
Los investigadores compararon la capacidad de las membranas de poliéster y las membranas SW30 para tratar contaminantes inorgánicos (minerales) y orgánicos.
Cuando se probó con soluciones de yeso modelo y agua de mar simulada, el flujo de agua de la membrana SW30 a base de poliamida disminuyó rápidamente, mientras que el rendimiento de la membrana de poliéster se mantuvo básicamente sin cambios durante 24 horas de funcionamiento.
Mediante observación mediante microscopía electrónica de barrido, se puede observar que la superficie de la membrana DHMBA permanece casi en su estado inicial después de la prueba de desalinización de agua de mar, mientras que se forman cristales o agregados en la superficie de la membrana SW30.
De manera similar, al tratar salmueras que contenían contaminantes orgánicos simulados, como alginato de sodio y ácido húmico, la membrana DHMBA mostró una reducción mínima en el flujo de agua en comparación con la membrana SW30. Las imágenes de FE-SEM revelaron una menor acumulación de suciedad en la superficie de la membrana DHMBA en comparación con la torta de filtración densa y espesa formada en la superficie de la membrana SW30.
Estas capacidades antiincrustantes y antiadherentes de la membrana DHMBA pueden atribuirse a sus propiedades de superficie ultra suave, de baja energía y baja carga.
En pruebas de agua de mar real y condiciones regulares de tratamiento con cloro, la membrana DHMBA mostró una excelente estabilidad, con solo una reducción del 2% en el flujo de agua después de 15 días, lo que destaca su potencial para aplicaciones en el mundo real.