La seguridad del agua es uno de los grandes retos de la sociedad actual, y por ello es necesario desarrollar tecnologías de potabilización del agua eficientes y que ahorren energía.
La nanofiltración (NF) es una nueva tecnología de membrana impulsada por presión que elimina iones multivalentes y materia orgánica molecular pequeña con bajo consumo de energía y se usa ampliamente en la producción de agua potable, agua municipal y tratamiento de aguas residuales industriales.
Las membranas de nanofiltración de poliamida han sido el producto líder en el mercado desde finales de los años 1970. Su estructura compuesta de película delgada consta de un soporte poroso y una capa de poliamida bidimensional (2D), que tiene una excelente selectividad de permeación. Sin embargo, a pesar de ciertos avances logrados mediante mejoras en el diseño de monómeros, nanocompuestos y procesos de fabricación, la permeabilidad al agua de las membranas de poliamida sigue siendo relativamente baja, lo que limita sus aplicaciones industriales más amplias.
En los últimos años, nuevos diseños como las estructuras de Turing a nanoescala y las superficies arrugadas han ampliado el área de filtración, pero son esencialmente la evolución de las membranas 2D. En el futuro, es necesario desarrollar nuevas estructuras disruptivas para mejorar aún más el rendimiento de la separación, al tiempo que se comprende en profundidad la relación entre el procesamiento y la estructura para proporcionar soluciones innovadoras en el campo de la purificación del agua.
Aquí, Wu Chunrui, investigador de la Universidad Politécnica de Tianjin, informó sobre la preparación de una membrana de poliamida de dimensiones mixtas de gran área mediante el autoensamblaje rápido de dos moléculas pequeñas en la interfaz aceite-agua a temperatura ambiente.
La membrana tiene una estructura jerárquica única que consta de nanotubos unidimensionales que crecen en la superficie de una nanomembrana bidimensional. Esta estructura innovadora aumenta significativamente el área efectiva de transporte de agua por unidad de área proyectada, lo que hace que el rendimiento de separación de agua y sal de la membrana sea muy superior al de los materiales de membrana más avanzados disponibles actualmente.
A través de experimentos de control combinados con simulaciones de dinámica molecular, los autores encontraron que las dos moléculas de monómero se organizaron espontáneamente en una red de nanoporos bidimensional al comienzo de la reacción, y el crecimiento ascendente de los nanotubos fue impulsado por la acción capilar dentro de los nanoporos.
Figura: Diagrama esquemático de una membrana de poliamida de dimensiones mixtas con estructura NoN, comparada lado a lado con una membrana de poliamida bidimensional plana
Este estudio proporciona información valiosa sobre cómo las interacciones físicas y químicas interfaciales autoensamblan moléculas en nanoestructuras jerárquicas complejas a gran escala en condiciones ambientales y abre nuevos caminos para el desarrollo de membranas escalables de purificación de agua de dimensiones mixtas. Los resultados relacionados se publicaron en Nature Water con el título Autoorganización interfacial de membranas de poliamida de dimensiones mixtas de gran área para nanofiltración acuosa rápida, con Si-Hua Liu como primer autor.
Resumen: En este documento, empleamos con éxito un enfoque de policondensación interfacial para lograr la fabricación a gran escala de membranas de poliamida de dimensiones mixtas en un solo paso. La arquitectura única de NoN allana el camino para membranas NF energéticamente eficientes que exhiben una permeabilidad al agua y una selectividad agua-sal superiores. Este proceso de fabricación se puede ampliar fácilmente utilizando un recubrimiento rollo a rollo y tiene aplicaciones prácticas prometedoras en la producción de agua potable, así como en el tratamiento de aguas residuales municipales e industriales. Los conocimientos teóricos adquiridos a partir de este trabajo revelan la complejidad de la policondensación interfacial, especialmente en la explotación de la interacción entre las interacciones físicas y químicas interfaciales. Los autores creen que estos hallazgos sirven de inspiración para el desarrollo de tecnologías avanzadas de nanofabricación para la seguridad del agua.