Filtrar y tratar el agua, tanto para consumo humano como para limpiar aguas residuales industriales y municipales, representa aproximadamente el 13% de toda la electricidad consumida en los Estados Unidos cada año y libera alrededor de 290 millones de toneladas métricas de CO 2 a la atmósfera anualmente, aproximadamente equivalente al peso combinado de cada ser humano en la Tierra.
Uno de los métodos más comunes para procesar el agua es pasarla a través de una membrana con poros que están dimensionados para filtrar partículas que son más grandes que las moléculas de agua. Sin embargo, estas membranas son susceptibles de "ensuciarse" u obstruirse por los mismos materiales.están diseñados para filtrarse, lo que requiere más electricidad para forzar el agua a través de una membrana parcialmente obstruida y el reemplazo frecuente de la membrana, lo que aumenta los costos de tratamiento del agua.
Una nueva investigación del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de la Universidad de Harvard y colaboradores de la Universidad Northeastern y la Universidad de Waterloo demuestran que las membranas de compuerta líquida LGM de Wyss filtran las partículas de nanoarcilla del agua con una eficiencia doble, casi tres veces mayor.mayor tiempo de falta y una reducción en la presión requerida para la filtración sobre membranas convencionales, ofreciendo una solución que podría reducir el costo y el consumo de electricidad de los procesos industriales de alto impacto, como la perforación de petróleo y gas. Materiales APL .
"Este es el primer estudio que demuestra que los LGM pueden lograr una filtración sostenida en entornos similares a los que se encuentran en la industria pesada, y proporciona información sobre cómo los LGM resisten diferentes tipos de incrustaciones, lo que podría conducir a su uso en una variedad de aguaajustes de procesamiento ", dijo el primer autor Jack Alvarenga, científico investigador del Instituto Wyss.
Los LGM imitan el uso natural de los poros llenos de líquido para controlar el movimiento de líquidos, gases y partículas a través de filtros biológicos utilizando la menor cantidad de energía posible, al igual que las pequeñas aberturas de estomas en las hojas de las plantas permiten que los gases pasen.está cubierto con un líquido que actúa como una compuerta reversible, llenando y sellando sus poros en el estado "cerrado". Cuando se aplica presión a la membrana, el líquido dentro de los poros se tira hacia los lados, creando poros abiertos, forrados de líquidoque puede ajustarse para permitir el paso de líquidos o gases específicos, y resistir el ensuciamiento debido a la superficie resbaladiza de la capa líquida. El uso de poros revestidos de fluido también permite la separación de un compuesto objetivo de una mezcla de diferentes sustancias, lo cual es comúnen procesamiento industrial de líquidos.
El equipo de investigación decidió probar sus LGM en una suspensión de arcilla de bentonita en agua, ya que las soluciones de "nanoarcilla" imitan las aguas residuales producidas por las actividades de perforación en la industria del petróleo y el gas. Infundieron discos de 25 mm de una membrana de filtro estándarcon perfluoropoliéter, un tipo de lubricante líquido que se ha utilizado en la industria aeroespacial durante más de 30 años, para convertirlos en LGM. Luego colocaron las membranas bajo presión para extraer agua a través de los poros pero dejar atrás las partículas de nanoarcilla, y compararon elrendimiento de membranas no tratadas para LGM.
Las membranas no tratadas mostraron signos de ensuciamiento de nanoarcilla mucho más rápido que las LGM, y las LGM pudieron filtrar el agua tres veces más que las membranas estándar antes de requerir un procedimiento de "lavado a contracorriente" para eliminar las partículas que se habían acumulado en la membrana. Menosel lavado a contracorriente frecuente podría traducirse en una reducción en el uso de productos químicos de limpieza y la energía requerida para bombear agua de lavado a contracorriente, y mejorar la tasa de filtración en entornos de tratamiento de agua industrial.
Si bien los LGM experimentaron eventualmente incrustaciones, mostraron una reducción del 60% en la cantidad de nanoarcilla que se acumuló dentro de su estructura durante la filtración, lo que se conoce como "incrustación irreversible" porque no se elimina mediante retrolavado. Esta ventaja le da a los LGM unvida útil más larga y hace que el filtrado sea recuperable para usos alternativos. Además, los LGM requirieron un 16% menos de presión para iniciar el proceso de filtración, lo que refleja un mayor ahorro de energía.
"Los LGM tienen el potencial para su uso en industrias tan diversas como el procesamiento de alimentos y bebidas, fabricación biofarmacéutica, textiles, papel, pulpa, productos químicos y petroquímicos, y podrían ofrecer mejoras en el uso y la eficiencia energética en una amplia gama de aplicaciones industriales,"dijo la autora correspondiente, Joanna Aizenberg, Ph.D., quien es miembro fundador de la Facultad del Instituto Wyss y profesora Amy Smith Berylson de Ciencias de Materiales en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard SEAS.
Los próximos pasos del equipo para la investigación incluyen estudios piloto a gran escala con socios de la industria, operación a largo plazo de los LGM y filtrado de mezclas de sustancias aún más complejas. Estos estudios proporcionarán información sobre la viabilidad comercial de los LGM para diferentes aplicacionesy cuánto durarían en varios casos de uso.
"El concepto de usar un líquido para ayudar a filtrar otros líquidos, aunque quizás no sea obvio para nosotros, es frecuente en la naturaleza. Es maravilloso ver cómo aprovechar la innovación de la naturaleza de esta manera puede conducir a un enorme ahorro de energía", dijo Wyss FoundingDirector Donald Ingber, MD, Ph.D., quien también es profesor de Biología Vascular de Judah Folkman en la Facultad de Medicina de Harvard y del Programa de Biología Vascular en el Hospital de Niños de Boston, así como Profesor de Bioingeniería en SEAS.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en Harvard . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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