Gli scienziati della CSU rivelano informazioni chiave sulla tecnologia di purificazione dell'acqua

Di Anne Manning

A sinistra rappresenta una membrana onnifobica e a destra rappresenta una membrana idrofobica convenzionale con maggiori aree interfacciali acqua-aria (linee verdi). Credito: laboratorio Kota

Considerato che la scarsità d’acqua rappresenta una sfida critica in tutto il mondo, scienziati e ingegneri stanno cercando nuovi modi per raccogliere acqua purificata da fonti non convenzionali, come l’acqua di mare o anche le acque reflue.

Uno di questi ricercatori è Tiezheng Tong, assistente professore presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, il cui laboratorio sta studiando una tecnologia emergente chiamata distillazione a membrana.

La distillazione a membrana prevede una sottile membrana idrorepellente che sfrutta le differenze di pressione del vapore tra il liquido impuro più caldo, chiamato "acqua di alimentazione", e l'acqua purificata più fredda, chiamata "permeato". Durante il processo, il vapore acqueo passa attraverso la membrana e viene separato dall'acqua di alimentazione salata o sporca. Secondo Tong, la distillazione a membrana funziona meglio di altre tecnologie come l’osmosi inversa, che non può trattare acqua estremamente salata come le salamoie di desalinizzazione o l’acqua prodotta dalla fratturazione idraulica.

Sebbene sia promettente, la distillazione su membrana non funziona perfettamente. Una sfida fondamentale è progettare membrane per purificare l’acqua in modo efficiente garantendo al tempo stesso una contaminazione zero dell’acqua pulita.

Tong e lo scienziato dei materiali Arun Kota del Dipartimento di Ingegneria Meccanica hanno unito le forze per arrivare alla scienza fondamentale dietro la progettazione di quella membrana perfetta. Nei nuovi esperimenti descritti su Nature Communications, gli ingegneri della CSU offrono nuove informazioni sul motivo per cui alcuni modelli di membrana utilizzati nella distillazione a membrana funzionano meglio di altri.

"La conoscenza fondamentale del nostro articolo migliora la comprensione meccanicistica del trasporto del vapore acqueo all'interno di substrati microporosi e ha il potenziale per guidare la progettazione futura delle membrane utilizzate nella distillazione a membrana", ha affermato Tong.

Nella distillazione a membrana, l'acqua di alimentazione viene riscaldata, separando i componenti puri e impuri in base alle differenze di volatilità. La membrana microporosa è un componente chiave della configurazione perché consente il passaggio del vapore acqueo, ma non dell'intero liquido impuro. Tipicamente, la membrana è costituita da un materiale "idrofobico" o idrorepellente per consentire il passaggio solo del vapore acqueo ma mantenere una barriera per l'acqua di alimentazione.

Tuttavia, queste membrane idrofobiche possono cedere, perché l’acqua di alimentazione, come l’acqua prodotta dall’olio di scisto, può avere una bassa tensione superficiale. Questa bassa tensione superficiale consente all'acqua di alimentazione di fuoriuscire attraverso i pori della membrana, contaminando l'acqua pura dall'altro lato: un fenomeno chiamato bagnatura della membrana.

Precedenti ricerche avevano rivelato che l’utilizzo di membrane “onnifobiche” – membrane che respingono tutti i liquidi, compresi acqua e liquidi a bassa tensione superficiale – mantengono intatta la separazione vapore/acqua. Ma le membrane omnifobiche tipicamente rallentano la velocità e la quantità di vapore acqueo che passa attraverso la membrana, riducendo drasticamente l’efficienza dell’intero processo.

I ricercatori della CSU hanno deciso di scoprire perché esiste questo compromesso tra membrane idrofobiche e onnifobiche. Attraverso esperimenti sistematici in laboratorio condotti dai ricercatori post-dottorato Wei Wang nel laboratorio di Kota e dallo studente laureato di Tong, Xuewei Du, hanno scoperto che le membrane idrofobiche convenzionali creano un'area interfacciale liquido-vapore più ampia. Ciò aumenta la quantità di evaporazione che avviene. Con le membrane onnifobiche, hanno visto un’interfaccia liquido-vapore molto più piccola. Questo spiega la differenza tra le prestazioni delle membrane.

Le membrane onnifobiche utilizzate negli esperimenti sono state realizzate senza depositare particelle extra. Pertanto i ricercatori sono stati in grado di determinare che le loro osservazioni non erano il risultato di cambiamenti strutturali delle membrane.

Vista in sezione trasversale di una membrana idrofobica convenzionale utilizzata nella distillazione a membrana. Il blu rappresenta l'acqua. Credito: laboratori Tong e Kota

Sebbene non abbiano offerto una soluzione al compromesso, le loro intuizioni rivelano la sfida principale nel rendere la distillazione a membrana una tecnologia di successo. "Se si comprende a fondo il problema, allora c'è spazio per risolverlo", ha detto Kota. "Abbiamo identificato il meccanismo; ora dobbiamo risolvere il problema del compromesso."