Las membranas de nanotubos son un único nanotubo abierto (CNT) o una película compuesta por una serie de nanotubos orientados perpendicularmente a la superficie de una matriz de película impermeable como las celdas de un panal de abejas . "Impermeable" es esencial aquí para distinguir la membrana de nanotubos de las membranas porosas tradicionales, bien conocidas. Los fluidos y las moléculas de gas pueden pasar a través de la membrana en masa, pero solo a través de los nanotubos. Por ejemplo, las moléculas de agua forman enlaces de hidrógeno ordenados que actúan como cadenas a medida que pasan a través de los CNT. Esto da como resultado una interfaz casi sin fricción o atómicamente suave entre los nanotubos y el agua que se relaciona con una "longitud de deslizamiento" de la interfaz hidrofóbica. Las propiedades como la longitud de deslizamiento que describen el comportamiento no continuo del agua dentro de las paredes de los poros se ignoran en sistemas hidrodinámicos simples y están ausentes de la ecuación de Hagen-Poiseuille . Las simulaciones de dinámica molecular caracterizan mejor el flujo de moléculas de agua a través de los nanotubos de carbono con una forma variada de la ecuación de Hagen-Poiseuille que tiene en cuenta la longitud de deslizamiento. [1] [2]
En el año 2000 se informó sobre el transporte de partículas de poliestireno (de 60 y 100 nm de diámetro) a través de membranas de un solo tubo (150 nm) . [3] Poco después, se fabricaron y estudiaron membranas de conjunto que consistían en nanotubos de carbono de pared múltiple y de pared doble. [4] Se demostró que el agua puede pasar a través de los núcleos de nanotubos de grafito de la membrana a una velocidad hasta cinco magnitudes mayor que la que predeciría la dinámica de fluidos clásica, a través de la ecuación de Hagen-Poiseuille, tanto para tubos de pared múltiple (diámetro interno de 7 nm) [5] como para tubos de pared doble (diámetro interno <2 nm). [6]
En experimentos de Holt et al. [6], se transportó agua pura ( viscosidad de ~1,0020 cP ) a través de tres muestras de nanotubos de carbono de doble pared en una matriz de nitruro de silicio con flujos y espesores de membrana variables. Se descubrió que estas membranas tenían un flujo mejorado que era más de tres órdenes de magnitud más rápido que el esperado para el flujo hidrodinámico sin deslizamiento calculado mediante la ecuación de Hagen-Poiseuille. Estos resultados para nanotubos con poros de 1-2 nm de diámetro correspondieron a aproximadamente 10-40 moléculas de agua por nm2 por nanosegundo. En un experimento similar de Mainak Majumder et al. [ 5], se probaron nanotubos de aproximadamente 7 nm de diámetro en poliestireno sólido para determinar sus velocidades de fluido. Estos resultados mostraron de manera similar que los nanotubos tienen planos de deslizamiento largos y se descubrió que las velocidades de flujo eran de cuatro a cinco órdenes de magnitud más rápidas que las predicciones de flujo de fluido convencionales.
Se demostró además que el flujo de agua a través de membranas de nanotubos de carbono (sin matriz de relleno, por lo tanto, flujo en la superficie exterior de los CNT) se puede controlar mediante la aplicación de corriente eléctrica. [7] Entre los muchos usos potenciales que las membranas de nanotubos podrían emplearse algún día está la desalinización de agua.
Mitra et al. ( 8-14 ) fueron pioneros en una arquitectura novedosa para producir membranas basadas en nanotubos de carbono. Este método crea una membrana superior inmovilizando nanotubos de carbono en los poros y en la superficie de la membrana. En su trabajo, los nanotubos de carbono se inmovilizan en membranas poliméricas o cerámicas, lo que conduce al desarrollo de una estructura de membrana única denominada membrana inmovilizada de nanotubos de carbono (CNIM). Esto se logró inmovilizando los nanotubos de carbono a partir de una forma dispersa. Estas membranas son robustas, térmicamente estables y poseen una alta selectividad. El objetivo aquí es inmovilizar los nanotubos de carbono de manera que sus superficies sean libres de interactuar directamente con el soluto. La membrana producida por este método ha mostrado mejoras espectaculares en el flujo y la selectividad en varias aplicaciones, como la desalinización de agua de mar ( 8,9 ), la extracción de membranas ( 10 ), la purificación de agua mediante la eliminación de compuestos orgánicos volátiles del agua ( 11 ) y para la extracción de membranas a microescala para el análisis de contaminantes del agua ( 12-14 ).
En 2016 se introdujeron por primera vez membranas de nanotubos de carbono a gran escala y de formato comercial. Inicialmente, estas membranas se producían en un formato de lámina plana similar a las que se fabricaban anteriormente en los laboratorios de investigación, aunque a una escala mucho mayor. En 2017, la empresa anunció el desarrollo de una membrana de nanotubos de carbono de tipo membrana de fibra hueca, con nanotubos orientados de forma radial y perpendicular a la superficie de la membrana, algo que nunca se había logrado antes. [8]
En todos los casos, los CNT actúan como poros únicos que mejoran el transporte de masa a través de la membrana, seleccionando en función del tamaño o la afinidad química. Por ejemplo, en el caso de la desalinización, los CNT mejoran el transporte de agua mientras bloquean o reducen la transmisión de sales, en función del tamaño de los iones de sal hidratados. En el caso de la eliminación de compuestos orgánicos, como en la purificación de agua, la pervaporación y la extracción, las membranas de CNT permean preferentemente los compuestos orgánicos, lo que permite separaciones que anteriormente solo habían sido posibles utilizando métodos como la destilación. Un ejemplo de separaciones de compuestos orgánicos/agua es la separación de etanol del agua, una aplicación en la que las membranas de CNT muestran una selectividad casi ideal para el transporte de etanol. [9] [10]
Desde el descubrimiento de la tecnología de grabado de pistas a finales de los años 60, las membranas de filtrado con el diámetro necesario han encontrado un uso potencial en diversos campos, entre ellos la seguridad alimentaria, la contaminación ambiental, la biología, la medicina, las pilas de combustible y la química. Estas membranas de grabado de pistas se fabrican normalmente en membranas de polímero mediante un procedimiento de grabado de pistas, durante el cual la membrana de polímero se irradia primero con un haz de iones pesados para formar pistas y luego se crean poros cilíndricos o poros asimétricos a lo largo de la pista después del grabado húmedo.
Tan importante como la fabricación de las membranas filtrantes es la caracterización y medición de los poros en la membrana. Hasta ahora, se han desarrollado algunos métodos, que se pueden clasificar en las siguientes categorías según los mecanismos físicos que explotan: métodos de imagen como microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía electrónica de transmisión (TEM), microscopía de fuerza atómica (AFM); transporte de fluidos como punto de burbuja y transporte de gas; adsorciones de fluidos como adsorción/desorción de nitrógeno (BEH), porosimetría de mercurio, equilibrio líquido-vapor (BJH), equilibrio gas-líquido (permoporometría) y equilibrio líquido-sólido (termoporometría); conductancia electrónica; espectroscopia ultrasónica;19 Transporte molecular.
Más recientemente, se ha propuesto el uso de la técnica de transmisión de luz [11] como método para medir el tamaño de los nanoporos.
8. : "Destilación de membrana mejorada con nanotubos de carbono para la generación simultánea de agua pura y la concentración de residuos farmacéuticos". Ken Gethard, Ornthida Sae-Khow, Somenath Mitra. 90, 239-245, . Tecnología de separación y purificación. 2012
9.:::"Desalinización de agua mediante destilación por membrana mejorada con nanotubos de carbono". Ken Gethard, Ornthida Sae-Khow, Somenath Mitra. ACS Applied Materials and Interfaces. 2011, 3, 110–114.
10.:::"Extracción y concentración simultáneas en membranas de fibra hueca inmovilizadas con nanotubos de carbono". Ornthida Sae-Khow y Somenath Mitra. Anal. Chem. 2010, 82 (13), 5561-5567.
11.:::"Membranas de fibra hueca compuestas inmovilizadas con nanotubos de carbono para la eliminación por evaporación de compuestos orgánicos volátiles del agua". Ornthida Sae-Khow y Somenath Mitra. J. Phys. Chem. C. 2010, 114,16351-16356.
12.:::"Fabricación y caracterización de membranas poliméricas porosas inmovilizadas con nanotubos de carbono". Ornthida Sae-Khow y Somenath Mitra. J. Mater. Chem., 2009, 19 (22), 3713-3718.
13.:: "Extracción de membrana a microescala mediada por nanotubos de carbono". K. Hylton, Y. Chen, S. Mitra, J. Chromatogr. A., 2008, 1211, 43-48.
14.:: "Membranas polares inmovilizadas con nanotubos de carbono para una mejor extracción de analitos polares". Madhuleena. Bhadra, Somenath. Mitra. Analista. 2012, 137, 4464-4468.