Tecnología de membrana revolucionaria mejora purificación de aguas residuales y eficiencia energética

• Un nuevo tipo de membrana requiere mucha menos presión que las membranas estándar para filtrar partículas suspendidas del agua.
• Dura 3 veces más y ahorra el doble de energía que las membranas trans-membrana convencionales.

Las técnicas de purificación de agua disminuyen la concentración de cierta materia como bacterias, hongos, virus, algas, parásitos y partículas suspendidas. Hay varios procesos físicos, biológicos y químicos, y en las últimas dos décadas hemos usado radiación electromagnética como luz UV para purificar agua.

El proceso de filtración y tratamiento de agua —para consumo y aplicaciones químicas e industriales— representa casi el 13 % del consumo total de electricidad en Estados Unidos, lo que libera 290 millones de toneladas métricas de dióxido de carbono a la atmósfera anualmente. Para poner esto en contexto, equivale al peso combinado de todos los humanos en el mundo.

Para purificar agua,通常 se hace pasar a través de una membrana con poros diminutos. El tamaño de estos poros es lo suficientemente pequeño para filtrar impurezas o partículas más grandes que las moléculas de agua. Como estas membranas tienden a «desgastarse» por obstrucción, requieren voltajes más altos para empujar las moléculas de agua, y a menudo las membranas obstruidas deben reemplazarse, aumentando el coste del tratamiento de agua.

Ahora, investigadores de la Universidad de Harvard han desarrollado un nuevo tipo de membrana que requiere mucha menos presión que las tradicionales para filtrar partículas suspendidas del agua. La llaman membranas con compuerta líquida (LGMs). Es dos veces más eficiente (en términos de consumo energético) y dura tres veces más que las membranas existentes.

Las LGMs pueden usarse en una amplia gama de entornos de procesamiento de agua, reduciendo el consumo de electricidad y el coste de grandes procesos industriales, incluyendo perforación de gas y petróleo.

¿Cómo funciona?

Cada membrana con compuerta líquida está recubierta con un líquido especial que llena y sella los poros en una fase «cerrada», sirviendo como compuerta reversible. Cuando aplica presión (para filtrar agua), el líquido dentro de los poros de la membrana es arrastrado hacia los extremos, formando poros abiertos, que pueden configurarse para dejar pasar ciertos gases o líquidos.

Referencia: AIP | doi:10.1063/1.5047480 | Universidad de Harvard

Esto previene el «desgaste» de las membranas debido a la superficie resbaladiza del líquido. Y como las LGMs son capaces de separar sustancias objetivo de diferentes mezclas líquidas, podrían usarse en procesamiento industrial de líquidos.

Presión transmembrana (TMP) para membrana estándar y con compuerta | Cortesía de los investigadores

Para crear una LGM, los investigadores infundieron pequeños discos (25 milímetros) de una membrana de filtro convencional con un lubricante líquido especial, perfluoropolietér, que se ha usado en la industria aérea por más de 3 décadas.

Pruebas y aplicaciones

Los investigadores mezclaron arcilla bentonita en agua y la pasaron por los poros de las LGMs aplicando presión adecuada. Luego compararon los resultados con membranas convencionales.

Las membranas con compuerta líquida mostraron signos de desgaste mucho más tarde que las convencionales: filtraron agua eficazmente 3 veces más que las membranas sin tratar antes de necesitar un proceso para eliminar manualmente sustancias acumuladas en la membrana. Además, tuvieron un 60 % menos de nanoarcilla acumulada en su membrana durante la filtración.

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Para iniciar la filtración, las LGMs requieren un 16 % menos de presión, ahorrando más energía. Esto podría impulsar la tasa de filtración de mecanismos de tratamiento de agua usados en varias industrias, incluyendo textiles, petroquímica, fabricación biofarmacéutica y procesamiento de alimentos y bebidas.