Filtros de grafeno para obtener agua dulce a partir de agua de mar

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La creciente escasez de agua dulce y la concurrente búsqueda de mecanismos que permitan desalar agua de mar, han atraído recientemente la atención sobre el grafeno poroso como un prometedor material que sirva como filtro de sales.

Recientemente, varias técnicas han sido utilizadas para crear poros en grafeno, siendo el tamaño del poro una de las variables más importantes para generar filtros que sean efectivos. De esta forma, el grafeno se ha convertido en un material muy relevante en la búsqueda de maneras eficientes y costo-efectivas para la obtención de agua potable a partir de agua de mar para el consumo humano y la agricultura, en un escenario en el que el cambio climático exige respuestas tecnológicas de manera cada vez más rápida.

En este contexto, Walter Orellana, académico del Departamento de Ciencias Físicas de la Universidad Andrés Bello y Raúl Guerreo-Avilés, egresado del programa de Magíster en Ciencias Físicas de la misma Universidad, decidieron estudiar cómo el tamaño y la forma de los poros en grafeno afecta el bloqueo de iones y a su vez contribuye al flujo de moléculas agua a través de ellos.

Para esto, los científicos estudiaron el transporte de los iones sodio y cloruro (Na+ y Cl) a través de poros de 0,8 nanómetros de diámetro en grafeno. Para esto, se valieron de simulaciones computacionales que permite modelar el comportamiento de agua líquida y, de esta forma, poder generar modelos teóricos que permitan optimizar el diseño de los nuevos filtros de grafeno. El estudio ha sido publicado recientemente por la revista Physical Chemistry Chemical Physics, editada por la Royal Society of Chemistry.

Dinámica molecular y cálculos ab-initio

El trabajo de los investigadores de la UNAB se basó en dos aproximaciones que permiten modelar el comportamiento de átomos o moléculas.

Según el Dr. Orellana, los cálculos ab-initio son aquellos que no consideran parámetros empíricos y se basan en la mecánica cuántica, que es el formalismo de la física que describe la interacción a nivel atómico. Los cálculos de dinámica molecular ab-initio permiten la descripción de sistemas moleculares considerando la temperatura del sistema. En nuestro caso, nosotros simulamos agua líquida a una temperatura de 27 grados Celsius.”

Estudios de esta naturaleza podrían tener un gran impacto en el diseño de los futuros filtros basados en grafeno poroso, debido a sus excelentes propiedades para el bloqueo de iones como cloro o sodio, permitiendo solo trasporte de moléculas de agua y, de esta forma, generar filtros que sean eficientes en la obtención de agua dulce desde agua de mar.

En efecto, el Dr. Orellana explica que los sistemas de purificación, o desalinización de agua en nuestro caso, son de importancia fundamental debido a la escasez de agua potable en el mundo, particularmente en países con zonas desérticas como en el norte de Chile. El hecho de sacar agua del mar y transformarla en agua potable a bajo costo podría revertir este problema. Actualmente el proceso de desalinización se realiza mediante una tecnología llamada osmosis inversa y fundamentalmente requiere filtros que permitan el paso de moléculas de agua y eviten el paso de iones (cloro y sodio). Estos filtros son caros y el proceso requiere de mucha energía. Nosotros proponemos el uso de grafeno poroso para estos filtros, con tamaño de poro del orden de 1 nanómetro.”

 La revolución del grafeno

El grafeno es un material laminar de carbono, el que al estar que apilado forma la estructura del grafito. Fueron los físicos André Geim y  Konstantín Novosiólov los primeros en obtenerlo, usando una técnica basada en la extracción de algunas capas de grafito con una cinta adhesiva. El grafeno posee varias propiedades que lo han catapultado como un material revolucionario, principalmente porque conduce de manera eficiente la electricidad y el calor, es muy liviano y resistente. De hecho, Geim y Novosiólov obtuvieron el Premio Nobel de física en 2010 por sus experimentos con este material “El grafeno es un material bidimensional de carbono, con espesor de un átomo. Entre sus características más destacadas se incluye su alta resistencia y versatilidad”, explica el Dr. Orellana.

“Ya existen estudios experimentales que han mostrado la eficacia de membranas de grafeno poroso para la desalinización de agua. En estos, el filtro de grafeno fue concebido como parte de una tapa en un vaso de agua salada. Al invertir el vaso, comenzó a salir agua dulce con una eficiencia del 100% en el bloqueo de la sal y un flujo de moléculas agua altísimo, solo promovido por gravedad. En nuestro trabajo, hemos establecido el tamaño mínimo del poro y las barreras de energía requeridas para bloquear los iones, ratificando las estimaciones experimentales.”

¿Cómo funcionaría un sistema de esta naturaleza en la práctica? Para el Dr. Orellana, estas membranas de grafeno podrían ser utilizadas en plantas de desalinización a una mayor eficiencia y bajo costo. También a una escala pequeña, lo que podría implicar el diseño de sistemas para una casa o incluso portátiles. El flujo de agua y bloqueo de iones en membranas nanoporosas de grafeno es mucho mayor que en las membranas convencionales de polímeros, utilizadas en plantas de desalinización”.

Este tipo de estudios teóricos permitirá refinar el diseño de los filtros de grafeno y abaratar sus costos de producción, ya que parte importante del ajuste del diseño se puede realizar en modelos teóricos, para luego pasar a los filtros reales.

Link al estudio: Energetics and diffusion of liquid water and hydrated ions through nanopores in graphene: ab initio molecular dynamics simulation. Raúl Guerrero-Avilés and Walter Orellana. Phys.Chem.Chem.Phys., 2017, 19, 20551

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