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Jun 29, 2023

Se ha demostrado que nuestra comprensión de la ósmosis inversa es errónea

Robert Anderson/Unsplash Al suscribirse, acepta nuestros Términos de uso y políticas. Puede cancelar la suscripción en cualquier momento. El agua es un recurso precioso que necesitan todos los seres vivos para poder

Robert Anderson/Unsplash

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El agua es un recurso precioso que todos los seres vivos necesitan para sobrevivir. Sin embargo, según la Organización Mundial de la Salud, en 2019 casi 2.200 millones de personas (o 1 de cada 3) no tenían acceso a servicios de agua potable gestionados de forma segura.

El acceso al agua potable es un desafío global crucial que en algunas áreas depende de la desalinización del agua de mar. Esto se hace más comúnmente mediante un proceso conocido como ósmosis inversa (RO).

El fenómeno de la ósmosis se observó ya en 1748, pero la tecnología de ósmosis no fue comercialmente viable hasta casi dos siglos después. La desalinización por ósmosis inversa (SWRO) de agua de mar fue prácticamente demostrada a finales de la década de 1950 por Srinivasa Sourirajan, Sidney Loeb y un equipo de investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA).

Casi todos los sistemas de ósmosis inversa del mundo utilizan membranas para producir agua potable a partir de agua de mar. Ahora, después de más de 270 años desde la observación original, los científicos piensan que la base de nuestra comprensión del transporte de agua en ósmosis inversa es incorrecta.

TerryJ

Científicos de la Universidad de Yale han descubierto que el mecanismo de difusión de la solución, que se cree que es el principio subyacente del transporte de agua en la OI, es incorrecto y, en cambio, han descubierto que el transporte de agua en la OI se rige por el flujo de los poros y los cambios de presión dentro de la membrana.

Interesting Engineering (IE) habló con el investigador principal del estudio, el profesor Menachem Elimelech, profesor Sterling de Ingeniería Química y Ambiental en la Universidad de Yale, para obtener más información sobre su trabajo.

"Siempre pensé que el mecanismo de difusión de soluciones para el transporte por agua no era intuitivo y, para ser honesto, bastante extraño en muchas de sus suposiciones", dijo Elimelech, hablando de su motivación para investigar un fenómeno tan bien establecido.

Elimelech colaboró ​​con el profesor Ying Li de la Universidad de Wisconsin, Madison y el profesor Lianfa Song de la Universidad Tecnológica de Texas para esta investigación. El equipo también incluyó a investigadores postdoctorales, Li Wang, Mohammad Heiranian, Hanqing Fan de Yale y Jinlong He de la Universidad de Wisconsin, Madison.

Fotografía de Paul Duda/Menajem Elimelec

Antes de profundizar en la investigación real, puede ser útil comprender primero la explicación actual de RO, el mecanismo de difusión de solución.

RO utiliza una membrana permeable para separar las impurezas y contaminantes del agua.

Según la teoría de la difusión de la solución, el transporte de agua está impulsado por los procesos de solución y difusión, que, a su vez, están impulsados ​​por los gradientes de concentración de agua y las características del material de la membrana. Las moléculas de agua se difunden a través de la membrana en función de su gradiente de concentración, pasando de áreas de alta concentración a áreas de menor concentración.

El agua de mar es una solución de sales disueltas en agua. En este modelo, las moléculas de agua se difunden a través de la membrana impulsadas por su gradiente de concentración, dejando atrás los iones de sal más grandes, lo que da como resultado agua limpia.

"Enseñé los conceptos básicos del mecanismo de difusión de soluciones en mi clase siguiendo los materiales de los libros de texto", explica Elimelech, "pero no me sentía cómodo con los supuestos centrales del modelo, especialmente que la presión hidrostática es constante a través de la membrana y luego cae a cero en las salidas de la membrana. Pensé que esta suposición no era física".

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"Además, debido a esta suposición, el modelo predice un gradiente de concentración de agua a través de la membrana, lo cual no tiene sentido. Siempre me pregunté cómo la concentración de agua, que es incompresible, puede cambiar con la presión.

Al final decidí desentrañar el mecanismo del transporte acuático. Por esa época, el profesor Song de la Universidad Tecnológica de Texas publicó un artículo sobre el flujo de agua por ósmosis, argumentando que no puede ser gobernado por un mecanismo de difusión de solución. Esto me motivó a explorar más a fondo la naturaleza del transporte de agua en ósmosis inversa a nivel molecular.

Reunimos el equipo hace unos dos años. Sentimos que, además de los experimentos y la teoría, las simulaciones de dinámica molecular serán esenciales para convencer a la comunidad científica porque aún no contamos con técnicas experimentales para investigar el transporte de agua dentro de la membrana a escala molecular. Por lo tanto, decidimos asociarnos con UW Madison hace aproximadamente un año", explicó Elimelech, explicando cómo llegó a cuestionar el modelo clásico de difusión de soluciones.

"Nuestro artículo, que utiliza simulaciones de dinámica molecular de no equilibrio (NEMD) y experimentos de transporte de disolventes, respalda firmemente el modelo de flujo de poros para el transporte de agua en membranas de ósmosis inversa, al tiempo que refuta el modelo de difusión de solución", añadió Elimelech.

Para los experimentos de transporte (o permeación) de disolventes, el equipo utilizó membranas de ósmosis inversa de poliamida y triacetato de celulosa con agua y disolventes orgánicos. El equipo hizo algunas observaciones clave que los llevaron a proponer un modelo alternativo a la teoría de la difusión de soluciones para explicar el transporte de agua.

Menajem Elimelec/Avances científicos

Las simulaciones NEMD revelaron que la presión dentro de la membrana disminuyó linealmente a lo largo de la dirección de la permeación del agua. Esto sugiere la presencia de un gradiente de presión dentro de la membrana.

Además, las simulaciones NEMD no mostraron cambios en la concentración de agua a través de la membrana, lo que contradice la suposición principal del modelo de difusión de solución.

En sus experimentos de permeación, los investigadores descubrieron que el flujo de agua aumentaba linealmente con la presión aplicada. Esto está en completo desacuerdo con el modelo de difusión de solución, donde el flujo de agua alcanza un valor máximo llamado flujo techo, después del cual no aumenta con un aumento adicional en la presión aplicada.

Por último, observaron en las simulaciones NEMD que el agua viaja en grupos a través de las membranas a través de poros interconectados. Esta observación contrasta la suposición del modelo de difusión de solución de que las moléculas de agua permean como moléculas individuales dispersas.

Estos hallazgos llevaron a Elimelech y su equipo a proponer el modelo de solución-fricción para explicar el transporte de agua en membranas de OI.

Según el modelo de solución-fricción (SF), la fuerza impulsora para el transporte de agua es un gradiente de presión en lugar de un gradiente de concentración. El agua y los disolventes viajan en grupos a través de los poros de la membrana, experimentando fuerzas de fricción a lo largo del camino.

Menajem Elimelec/Avances científicos

Las fuerzas de fricción surgen de las interacciones entre el material de la membrana y las moléculas del disolvente. El modelo incorpora el concepto de coeficientes de fricción, que representan la resistencia que encuentran las moléculas de disolvente a medida que se mueven a través de los poros de la membrana.

"Los poros dentro de la membrana están hidratados con pequeños grupos de moléculas de agua. Durante intervalos cortos, algunos de estos poros pueden conectarse entre sí, proporcionando un paso completo de alimentación a permeado para que las moléculas de agua viajen a través de la membrana. Debido a la presión aplicada y el movimiento térmico de la matriz polimérica, la red de poros interconectados cambia constantemente, lo que significa que los conductos de alimentación a permeado se forman y rompen constantemente.

Si etiquetamos un grupo de moléculas de agua que ingresan a la membrana desde el lado de alimentación, veremos que las moléculas marcadas viajan juntas a través de la red de poros interconectados. En general, esto es inconsistente con el modelo de difusión de solución en el que se espera que las moléculas de agua se dispersen y difundan individualmente en la membrana después de entrar en ella", explicó Elimelech.

El modelo SF tiene en cuenta el gradiente de presión dentro de la membrana y las fuerzas de fricción que actúan sobre las moléculas del disolvente. Al considerar estos factores, el modelo puede predecir el transporte de agua y solventes en membranas de OI con mayor precisión que el modelo tradicional de difusión de solución.

Teniendo en cuenta la aceptación de larga data del modelo de difusión de soluciones, el equipo podría haber encontrado mucho escepticismo por parte de la comunidad científica. Sin embargo, según Elimelech, el trabajo del equipo ha provocado un animado debate entre los investigadores.

"El artículo llamó mucho la atención y suscitó un animado debate en la comunidad de membranas, más que cualquier otro tema en las últimas décadas. En mayo, cuando el artículo fue presentado en la Reunión Anual de la Sociedad Norteamericana de Membranas, fue el punto de discusión por parte de los participantes a lo largo de la conferencia.

Nuestros hallazgos ahora impulsarán a los investigadores a desarrollar técnicas experimentales para comprender el transporte de agua y sal en membranas de ósmosis inversa a nivel molecular", afirmó.

Cuando se le preguntó sobre las implicaciones de su investigación para el diseño y optimización de sistemas de RO, Elimelech dijo: "Primero, nuestro artículo presenta una comprensión fundamental del transporte de agua en RO y refuta un mecanismo ampliamente aceptado para el flujo de agua en RO.

También mostramos que el transporte de agua en OI puede describirse mediante el modelo de fricción de solución, que tiene en cuenta la fricción de las moléculas de agua con la membrana. Esta fricción se origina por la interacción de las moléculas de agua con el material de la membrana. La química de la membrana influirá en las interacciones y, como resultado, en la fricción. Por lo tanto, al ajustar el tamaño de los poros y encontrar materiales con menor fricción con el agua, podemos diseñar membranas de alto rendimiento".

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Elimelech cree que es necesario centrarse en el desarrollo de técnicas experimentales in situ para investigar el transporte de agua y sal a escala molecular dentro de las membranas de ósmosis inversa. Al realizar experimentos bajo presión, pueden obtener conocimientos más profundos sobre los mecanismos y dinámicas implicados y allanar el camino para una investigación más exhaustiva en este campo.

Los hallazgos de este estudio desafían una de las teorías mejor establecidas sobre el transporte acuático. Al proporcionar un modelo alternativo y más preciso para explicar el transporte de agua en membranas de ósmosis inversa, los investigadores también pueden allanar el camino hacia recursos de agua limpia más eficientes y sostenibles.

Elimelech estuvo de acuerdo en que su investigación contribuye al objetivo más amplio de proporcionar acceso a agua potable para todos.

"Una mejor comprensión del transporte de agua y sal en membranas de ósmosis inversa a nivel molecular ayudará al desarrollo de membranas de alto rendimiento, con una permeabilidad al agua adecuada y un rechazo de sal ultraalto. Esto reducirá el costo y el consumo de energía de la desalinización, lo que la hará una solución sostenible para aumentar el suministro de agua en regiones con escasez de agua en todo el mundo", concluyó.

Los hallazgos fueron publicados en la revista Science Advances.

Realizamos simulaciones de dinámica molecular de no equilibrio (NEMD) y experimentos de permeación de solventes para desentrañar el mecanismo de transporte de agua en membranas de ósmosis inversa (RO). Las simulaciones NEMD revelan que el transporte de agua está impulsado por un gradiente de presión dentro de las membranas, no por un gradiente de concentración de agua, en marcado contraste con el modelo clásico de difusión de solución. Además, mostramos que las moléculas de agua viajan como grupos a través de una red de poros que están conectados transitoriamente. Los experimentos de permeación con agua y disolventes orgánicos utilizando membranas de OI de poliamida y triacetato de celulosa mostraron que la permeabilidad del disolvente depende del tamaño de los poros de la membrana, el diámetro cinético de las moléculas del disolvente y la viscosidad del disolvente. Esta observación no es consistente con el modelo de difusión de solución, donde la permeabilidad depende de la solubilidad del solvente. Motivados por estas observaciones, demostramos que el modelo de solución-fricción, en el que el transporte es impulsado por un gradiente de presión, puede describir el transporte de agua y solventes en membranas de OI.