Com a escassez de água um desafio crítico em todo o mundo, cientistas e engenheiros estão buscando novas maneiras de coletar água purificada de fontes não convencionais, como água do mar ou mesmo águas residuais.

Um desses pesquisadores é Tiezheng Tong, professor adjunto do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, cujo laboratório está estudando uma tecnologia emergente chamada destilação por membrana.

A destilação da membrana envolve um fino, membrana repelente de água que explora as diferenças de pressão de vapor entre o líquido impuro mais quente, chamado de "água de alimentação, "e água purificada mais fria, chamado de "permeado". Durante o processo, o vapor de água atravessa a membrana e é separado da água salgada ou suja de alimentação. De acordo com Tong, a destilação por membrana funciona melhor do que outras tecnologias, como osmose reversa, que não pode tratar água extremamente salgada, como salmouras de dessalinização ou água produzida de fraturamento hidráulico.

Embora seja uma promessa, a destilação por membrana não funciona perfeitamente. Um dos principais desafios é projetar membranas para purificar a água com eficiência, garantindo contaminação zero da água limpa.

Tong e o cientista de materiais Arun Kota, do Departamento de Engenharia Mecânica, uniram forças para chegar à ciência fundamental por trás do projeto dessa membrana perfeita. Em novos experimentos, eles descrevem em Nature Communications , os pesquisadores da CSU oferecem novas informações sobre por que certos designs de membrana usados ​​na destilação de membrana funcionam melhor do que outros.

"O conhecimento fundamental de nosso artigo melhora a compreensão mecanicista sobre o transporte de vapor de água em substratos microporosos e tem o potencial de orientar o projeto futuro de membranas usadas na destilação por membrana, "Tong disse.

Na destilação por membrana, a água de alimentação é aquecida, separando os componentes puros e impuros por diferenças na volatilidade. A membrana microporosa é um componente chave para a configuração porque permite a passagem do vapor de água, mas não todo o líquido impuro. Tipicamente, a membrana é feita de um "hidrofóbico, "ou repelente de água, material para permitir que apenas o vapor de água passe, mas manter uma barreira para a água de alimentação.

Contudo, essas membranas hidrofóbicas podem falhar, porque a água de alimentação, como a água produzida com óleo de xisto, pode ter baixa tensão superficial. Esta baixa tensão superficial permite que a água de alimentação vaze através dos poros da membrana, contaminando a água pura do outro lado - um fenômeno chamado de umedecimento da membrana.

Pesquisas anteriores revelaram que o uso de membranas "onifóbicas" - membranas que repelem todos os líquidos, incluindo água e líquidos de baixa tensão superficial - mantenha a separação vapor / água intacta. Mas, membranas omnifóbicas normalmente diminuem a taxa e a quantidade de vapor de água que passa através da membrana, reduzindo drasticamente a eficiência de todo o processo.

Os pesquisadores da CSU decidiram descobrir por que existe essa troca entre membranas hidrofóbicas e omnifóbicas. Por meio de experimentos sistemáticos no laboratório liderados pelos pesquisadores de pós-doutorado Wei Wang no laboratório de Kota, e o estudante de graduação de Tong, Xuewei Du, eles descobriram que as membranas hidrofóbicas convencionais criam uma área de interface líquido-vapor maior. Isso aumenta a quantidade de evaporação ocorrendo. Com as membranas omnifóbicas, eles viram uma interface líquido-vapor muito menor. Isso explica a diferença entre o desempenho das membranas.

As membranas onifóbicas utilizadas nos experimentos foram feitas sem deposição de partículas extras. Assim, os pesquisadores foram capazes de determinar que suas observações não eram o resultado de mudanças estruturais nas membranas.

Embora eles não tenham oferecido uma solução para a compensação, seus insights revelam o principal desafio em tornar a destilação por membrana uma tecnologia de sucesso. "Se você entender o problema completamente, então há espaço para resolvê-lo, "Kota disse." Nós identificamos o mecanismo; agora temos que resolver o problema de troca. "

Por exemplo, Membranas inteligentes com onifobicidade excepcional e simultaneamente grande área interfacial líquido-vapor podem tornar a destilação por membrana um processo robusto e econômico para purificação de água. Mais pesquisas colaborativas foram iniciadas pela equipe para projetar tais membranas inteligentes, com o objetivo de aumentar a eficiência da destilação por membrana.

Tong acrescentou que a pesquisa aconteceu na interface de duas disciplinas:ciência de superfície e tecnologia de membrana.

"Arun e eu utilizamos nossa experiência complementar para conduzir sistematicamente este trabalho, " Tong said. "It is an example of good interdisciplinary collaboration across campus."