Artículo publicado por David L. Chandler el 2 de julio de 2012 en MIT News Office

Láminas de grafeno con poros controlados con gran precisión tienen el potencial de purificar el agua de manera más eficiente que los métodos actuales.

La disponibilidad de agua potable es cada vez más escasa en muchas partes del mundo, un problema que se espera que aumente conforme aumente la población. Una fuente prometedora de agua potable es el virtualmente ilimitado suministro de agua de mar del mundo, pero hasta el momento las tecnologías de desalinización son demasiado caras para un uso masivo.

Ahora, investigadores del MIT han logrado un nuevo enfoque usando un tipo distinto de material de filtrado: láminas de grafeno, una forma de carbono de un átomo de grosor que dicen que puede ser más eficiente y posiblemente mucho más barato que los sistemas de desalinización actuales.

“No hay mucha gente trabajando en desalinización desde el punto de vista de los materiales”, dice Jeffrey Grossman, Profesor Asociado Carl Richard Soderberg de Ingeniería de Energía en el Departamento de Ciencias de los Materiales e Ingeniería del MIT, autor sénior del artículo que describe el nuevo proceso en la revista Nano Letters.

Desalinización mediante grafeno © by Kanijoman

Grossman y el estudiante graduado David Cohen-Tanugi, autor principal del artículo, se propusieron “controlar las propiedades del material hasta el nivel atómico”, produciendo una lámina de grafeno perforada con agujeros de tamaño preciso. También añadieron otros elementos al material provocando que los bordes de estas minúsculas aperturas interactuasen químicamente con las moléculas de agua — repeliéndolas o atrayéndolas.

“Quedamos muy gratamente sorprendidos” por lo bien que funcionaba el grafeno en comparación con los sistemas actuales en las simulaciones por ordenador”, dice Grossman.

Un método común de desalinización, conocido como ósmosis inversa, usa membranas para filtrar la sal del agua. Pero estos sistemas requieren de presiones extremadamente altas – y por tanto del uso de energía – para obligar al agua a pasar a través de las gruesas membranas, que son unas mil veces más gruesas que el grafeno. El nuevo sistema de grafeno funciona a una presión mucho menor, y por tanto podría purificar el agua a un coste mucho más bajo, dicen los investigadores.

Aunque la ósmosis inversa se ha usado desde hace décadas, “los mecanismos fundamentales de separación de la sal del agua aún no se comprenden del todo, son muy complejos”, apunta Cohen-Tanugi, añadiendo que es muy difícil realizar experimentos en la escala de moléculas individuales e iones. Pero los nuevos sistemas basados en el grafeno, dice, funcionan “cientos de veces más rápido que las técnicas actuales, con la misma presión” – o, alternativamente, el sistema puede funcionar a una tasa similar, pero con una presión menor.

La clave del nuevo proceso es el preciso control del tamaño de los agujeros en la lámina de grafeno. “Hay un punto dulce, pero es muy pequeño”, dice Grossman — entre los poros demasiado grandes por donde puede pasar la sal y los demasiado pequeños donde quedarían bloqueadas las moléculas de agua. El tamaño ideal es de aproximadamente un nanómetro, o una milmillonésima de metro, dice. Si los agujeros fuesen un poco menores – 0,7 nanómetros — el agua dejaría de fluir.

Otros grupos de investigación han estado trabajando en la creación de poros en el grafeno, dice Cohen-Tanugi, pero a tamaños muy distintos y para otros propósitos diferentes — por ejemplo, hacer unos agujeros mucho mayores para filtrar grandes moléculas como ADN, o para separar distintos tipos de gases. Los métodos usados para estos procesos no eran lo bastante precisos para crear los minúsculos agujeros necesarios para la desalinización, dice, pero técnicas más avanzadas — como el bombardeo con iones de helio para crear agujeros precisos en el grafeno, el grabado químico y los sistemas de auto-ensamblaje – podrían ser adecuadas.

Por ahora, Grossman y Cohen-Tanugi han estado realizando simulaciones por ordenador del proceso para determinar sus características óptimas. “Empezaremos a trabajar con prototipos este verano”, dice Grossman.

Dado que el grafeno es tema de investigación en aplicaciones muy distintas, ha habido una gran cantidad de trabajo sobre cómo encontrar formas de fabricarlo más barato en grandes cantidades. Y en el caso de la desalinización, dado que el grafeno es un material tan fuerte — kilo por kilo, es el material más fuerte conocido — las membranas deberían ser más perdurables que las usadas actualmente en la ósmosis inversa, dice Grossman.

Además, el material necesario para la desalinización no tiene que ser tan puro como en el caso de los usos electrónicos u ópticos, matiza: “No importa si tiene algunos defectos, siempre que no abran grietas”, de forma que la sal pase a través del mismo.

Joshua Schrier, profesor asistente de química en Haverford College, dice: “Las simulaciones previas habían estudiado el flujo del agua a través de agujeros muy pequeños en el grafeno, y el diseño de poros que permiten selectivamente el paso de iones, pero – a pesar de la relevancia social e ingenieril de la desalinización – nadie había pensado examinar la intersección de estos dos campos”. El trabajo del equipo del MIT podría abrir un enfoque completamente nuevo a la desalinización, comenta.

Schrier añade: “Fabricar las estructuras tan precisas de los poros que hemos encontrado en este artículo será difícil de hacer a gran escala con los métodos actuales”. Sin embargo, dice, “las predicciones son tan apasionantes que deberían motivar a los ingenieros químicos a realizar análisis económicos más detallados de… la desalinización del agua con este tipo de materiales”.

El trabajo estuvo patrocinado por la Iniciativa de Energía del MITy la Beca John S. Hennessy, y usó los recursos computacionales del Centro Nacional de Computación Científica para Investigación en Energía (NERSC).

Autor: David L. Chandler
Fecha Original: 2 de julio de 2012
Enlace Original