p Durante a dessalinização da água, a destilação por membrana (MD) é desafiada pela ineficiência da separação térmica da água dos solutos dissolvidos, devido à sua dependência da porosidade da membrana e condutividade térmica. Por exemplo, as membranas derivadas de petróleo existentes enfrentaram grandes barreiras de desenvolvimento. Em um novo relatório agora em Avanços da Ciência , Dianxun Hou e colegas do departamento civil interdisciplinar, de Meio Ambiente, Engenharia Arquitetônica, ciência de materiais e engenharia mecânica nos EUA, A Noruega e a China fabricaram uma membrana MD robusta diretamente de material de madeira sustentável pela primeira vez. p Eles usaram uma membrana de nanofibrila hidrofóbica com alta porosidade e estrutura de poros hierárquica com uma ampla distribuição de tamanho de poro de nanofibrilas de celulose cristalina, vasos de xilema e lumina para facilitar o transporte do vapor de água. A condutividade térmica era extremamente baixa na direção transversal do construto para reduzir a perda de calor condutiva, embora a alta condutividade térmica ao longo da fibra tenha permitido uma dissipação térmica eficiente ao longo da direção axial. A membrana demonstrou excelente permeabilidade intrínseca ao vapor e eficiência térmica. As propriedades combinadas de eficiência térmica, fluxo de água, a escalabilidade e a sustentabilidade tornaram a nano-madeira altamente desejável para aplicações de MD (destilação por membrana).

p A escassez de água é um desafio global e as Nações Unidas (ONU) relatam que atualmente quase metade da população global vive em regiões com escassez de água por pelo menos 1 mês por ano. O problema é agravado pelas mudanças climáticas e rápida urbanização, evidenciado com extensos períodos de seca e incêndios florestais frequentes no estado da Califórnia nos EUA. A dessalinização pode ajudar a aliviar o estresse hídrico extraindo água doce de uma variedade de fontes salinas ou contaminadas, incluindo água do mar, água subterrânea salobra ou águas residuais. Os cientistas impulsionaram a dessalinização usando nanotecnologia e manufatura avançada.

p As técnicas de dessalinização de água existentes, como osmose reversa, consomem muita energia e estão no limite de eficiência energética (~ 50%). Os pesquisadores, portanto, estão ansiosos para usar fontes de energia renováveis ​​e de baixo custo como uma estratégia alternativa de baixo custo para mitigar os desafios no armazenamento de energia. A destilação por membrana (MD) é um emergente, processo de separação termicamente conduzido com base na temperatura e pressão de vapor usando energia solar, térmicas ou outras fontes renováveis. Em seu mecanismo de ação, a água evapora no lado de alimentação quente das células MD para se difundir através de uma membrana hidrofóbica porosa para condensar no lado do permeado frio.

p Durante MD, o transporte de vapor d'água pode levar à transferência de calor por convecção para reduzir o gradiente e diminuir a força motriz para a transferência de massa através da membrana. Os cientistas imaginam que uma membrana MD ideal combinará um tamanho de poro grande, tortuosidade de poros baixos, baixa condutividade térmica, alta porosidade, espessura ideal, boa resistência mecânica, relação custo-benefício e baixo impacto ambiental. Contudo, as membranas MD existentes feitas de polímeros sintéticos não atendem aos padrões ideais devido a várias deficiências.

p No presente trabalho, Portanto, Hou et al. desenvolveu a primeira membrana MD robusta diretamente de madeira sustentável como uma solução baseada na natureza para purificação de água. O material de nanocelulose abundante em terra é geralmente usado em produtos com impactos ambientais ou de saúde mínimos para construir andaimes, biocombustíveis ou filtros de água. Os cientistas de materiais desenvolveram a versão atual do nanowood removendo diretamente a lignina e a hemicelulose com tratamento químico e liofilização para preservar a nanoestrutura anisotrópica e o alinhamento hierárquico das fibras de madeira.

p Os cientistas prepararam a madeira em um material anisotrópico e termicamente isolante com alta porosidade, baixa condutividade térmica e boa resistência mecânica como substrato ideal para a nova membrana MD. A equipe de pesquisa usou madeira nanoestruturada de basswood americano natural seguida por revestimento de silano para formar uma membrana de superfície hidrofóbica com alta porosidade e baixa condutividade térmica. Eles então compararam as membranas de madeira hidrofóbicas com as membranas comerciais em relação à estrutura e ao desempenho durante a purificação da água.

p As novas membranas apresentam uma estrutura de poros única com vasos de xilema formados naturalmente e lumina em paralelo à superfície da membrana, em comparação com as membranas comerciais sintéticas com poros verticais. A equipe de pesquisa observou diretamente o alinhamento natural das nanofibrilas de celulose usando microscopia eletrônica de varredura (MEV). Eles observaram a estrutura resultante com nanofibrilas cristalinas alinhadas mantidas juntas com ligações de hidrogênio intermoleculares e forças de van de Waal. Ao remover os componentes misturados de lignina e hemicelulose, os cientistas contribuíram para a perda de massa de aproximadamente 70 por cento e melhorou a porosidade da membrana de nanowood hidrofóbica. Hou et al. usou os poros localizados entre as nanofibrilas ou nas paredes do canal para transporte de vapor de água.

p Devido à grande porosidade do material de engenharia, a condutividade térmica teórica da membrana hidrofóbica nanowood diminuiu de 0,210 para 0,04 W m ^-1 K ^-1 a 25 ° C, para contribuir para a redução da perda de calor condutiva, enquanto aumenta a transferência de calor por convecção. Os cientistas trataram a madeira com fluoroalquilsilano (FAS) para induzir a hidrofobia, que eles verificaram usando medições de ângulo de contato de água para obter ângulos de contato maiores que 140 graus. Os valores foram superiores aos observados com membranas comerciais como politetrafluoroetileno (PTFE) e fluoreto de polivinilideno (PVDF). A morfologia e a estrutura dos poros permaneceram intactas antes e após o tratamento da superfície. Os cientistas compararam as membranas hidrofóbicas de madeira com membranas comerciais em relação às estruturas de membrana, incluindo dimensão do tamanho dos poros (PSD), condutividade térmica e desempenho.

p Para demonstrar as capacidades de isolamento térmico para a membrana hidrofóbica de nanofibras fabricada, os pesquisadores testaram a amostra sob uma fonte de calor condutiva e estimularam a destilação por membrana de contato direto (DCMD). Durante os experimentos, eles aplicaram cinco temperaturas diferentes e as mediram usando uma câmera infravermelha (IR). Nos resultados, a nanomembrana hidrofóbica mostrou baixa condutividade térmica e propriedade anisotrópica quando as temperaturas escalaram de 40 ⁰ C — 60 ⁰ C. De acordo com os resultados, a remoção da lignina e da hemicelulose misturadas durante a preparação da nanoalimentação contribuiu para mudanças significativas na condutividade térmica da madeira.

p Hou et al. em seguida, testei a dessalinização termicamente eficiente da membrana do nanowood, observando o fluxo de água (vapor) através das membranas. Devido ao aumento da porosidade e tamanho dos poros, a membrana de nanowood hidrofóbica demonstrou maior fluxo de água com resistência de transferência de vapor substancialmente reduzida. Eles compararam o desempenho do MD nanowood com MDs comerciais e propuseram o uso de membranas de madeira mais finas para fabricar melhor fluxo em estudos futuros. As membranas hidrofóbicas apresentaram boa eficiência térmica (71 ± 2% a 60 ° C) para representar os maiores valores alcançados em DM até o momento. No total, os resultados sugeriram o tamanho de poro maior e PSD (dimensão de tamanho de poro) mais amplo da membrana do nanowood para compensar as desvantagens da porosidade mais baixa.

p A membrana de nanowood hidrofóbica recentemente desenvolvida mostrou propriedades superiores e potencial de MD para dessalinização de água. A membrana apresentou bom influxo de água (transporte de vapor de água) e excelente eficiência térmica devido à alta permeabilidade intrínseca e super baixa condutividade térmica (0,040 W m ^-1 K ^-1 ) para promover a transferência de calor por convecção e condutividade. Desta maneira, Dianxun Hou e seus colegas fabricaram uma membrana nanowood usando um escalonável, abordagem de cima para baixo com tratamentos químicos simples. O recém-desenvolvido, Membrana nanowood escalável é uma membrana termicamente eficiente com grande potencial para usar calor de baixo grau de diversas fontes durante a destilação por membrana (MD) para dessalinização de água.

p Os cientistas podem melhorar o tamanho e a espessura dos poros selecionando outras espécies de madeira para o processo no futuro. Eles também propõem o uso de eletrofiação para projetar fibras de nanocelulose. Devido à natureza hidrofílica dos materiais nanocelulósicos, Hou et al. têm como objetivo melhorar ainda mais a eficiência do tratamento hidrofóbico para durabilidade da membrana sob altas temperaturas e condições químicas. A equipe de pesquisa pretende otimizar ainda mais os métodos de fabricação para projetar materiais de membrana mais finos e maiores para futuras aplicações em dessalinização de água

p © 2019 Science X Network