La escasez de agua se ha convertido en una preocupación cada vez más acuciante en los últimos tiempos y, con las predicciones recientes de una alta probabilidad de que la sequía actual se convierta en una megasequía en el oeste de los Estados Unidos, las tecnologías relacionadas con el tratamiento y procesamiento del agua deben mejorar. Los nanotubos de carbono (CNT) han sido objeto de amplios estudios porque demuestran una serie de propiedades únicas de las que carecen las tecnologías existentes. Por ejemplo, las membranas de nanotubos de carbono pueden demostrar un mayor flujo de agua con menor energía que las membranas actuales. Estas membranas también pueden filtrar partículas que son demasiado pequeñas para los sistemas convencionales, lo que puede conducir a mejores técnicas de purificación del agua y a menos residuos. El mayor obstáculo al que se enfrentan los CNT es el procesamiento, ya que es difícil producirlos en las grandes cantidades que requerirán la mayoría de estas tecnologías.
Existen dos tipos principales de membranas que se pueden fabricar: las que tienen CNT alineados verticalmente y las que tienen CNT dispuestos de forma más aleatoria. Lo ideal sería que la membrana estuviera compuesta por CNT alineados verticalmente, ya que esto produciría el mayor flujo a través de la membrana, pero producir este patrón es increíblemente difícil. El método más fácil es producir una membrana dispuesta aleatoriamente, con el inconveniente de que no funcionará tan bien como la alineada. Otros factores importantes a tener en cuenta en el procesamiento son el diámetro y la longitud del tubo, la densidad de los CNT (qué tan juntos están) y qué relleno se utilizará (si se utilizará alguno).
Las paredes hidrófobas de los nanotubos de carbono aceleran el flujo de moléculas de agua a través del tubo, ya que se "deslizan" cada vez que entran en contacto con las paredes. Las moléculas de agua son impulsadas a través de los poros por una diferencia de presión creada por una bomba. A medida que las moléculas comienzan a viajar a través del tubo, forman una red similar a una cadena entre sí debido al fuerte enlace de hidrógeno presente. Esto facilita el flujo de agua a través de los tubos, así como también hace que una molécula sea empujada hacia adelante por la que está frente a ella. El agua también puede fluir por la superficie exterior de los tubos, pero el flujo a través del interior de los tubos es el más rápido. Se cree que este sistema es útil en la purificación y desalinización del agua debido al flujo de agua acelerado, así como a las propiedades de exclusión de iones de los nanotubos. Los iones se excluyen mediante la funcionalización de los extremos de los nanotubos, así como por el diámetro del tubo.
Si bien los nanotubos de carbono son no polares y, por lo tanto, relativamente hidrófobos, el agua los llena espontáneamente con una humedad de entre el 8 y el 10 %. [1] El mecanismo de llenado conocido depende de la polaridad del disolvente, la concentración de iones y las fuerzas de van der Waals entre el agua y los nanotubos de carbono. Cuando el agua en el interior de los nanotubos de carbono puede tener un potencial químico menor que el que tendría en su interior, llena los nanotubos de carbono. Incluso los materiales no polares son polarizables. Esta polarizabilidad permite que se produzcan fuerzas de van der Waals entre el agua y las paredes de la membrana, atrayendo las moléculas de agua hacia el interior de los nanotubos de carbono. [2]
Dentro del CNT, el agua está “nanoconfinada”, o contenida en un volumen a escala nanométrica. Este nanoconfinamiento organiza las moléculas de agua en “cables” conectados por enlaces de hidrógeno, lo que reduce la energía potencial química del agua dentro del nanotubo. [3] Las interacciones carbono-agua hacen que estos cables sean el estado más favorable, siempre que las fuerzas de van der Waals se mantengan por encima de un cierto nivel. [2] En la formación ideal del cable, el momento dipolar de cada molécula de agua es paralelo al eje del CNT, donde tiene el potencial más bajo. [1] Esta orientación tiene el potencial más bajo porque es donde el momento dipolar de la molécula de agua interactúa menos con la pared no polar del CNT. Además de que las fuerzas de van der Waals reducen el potencial químico, la presión externa también puede influir en el llenado de las membranas de los CNT. La presión no aumenta el potencial químico dentro de los CNT, pero lo aumenta en el material a granel (100 MPa provoca un aumento de ~2 kJ/mol [2] ). Esto hace que el interior de CNT sea relativamente más favorable para el agua, empujándolos hacia su plenitud.
Los “cables” de agua aumentan el flujo de agua, ya que su ordenamiento reduce la cantidad de moléculas que pueden chocar entre sí debido al movimiento browniano. Estas cadenas “llenan densamente” los CNT de menos de 1 nm de ancho y hasta 0,1 mm de largo, [1] formando un sistema que puede mediar la transferencia de protones. Si bien están altamente ordenados, la pequeña cantidad de moléculas que forman una cadena evita que la disminución de la entropía sea prohibitiva, y cuesta demasiada energía insertar un defecto de orientación dipolar. [1] En estos sistemas, muchos iones son simplemente demasiado grandes para pasar a través de la membrana de los CNT porque el diámetro de su capa de hidratación excede el del CNT. [3] Algunos iones pueden ser atraídos a través de la membrana cargando la membrana.
El transporte de moléculas de agua a través de un capilar se puede cuantificar a menudo utilizando la ecuación de Hagen-Poiseuille para el flujo continuo. Sin embargo, el transporte de moléculas de agua a través de un CNT sigue el fenómeno de transporte conocido como " nanofluídica ". Este fenómeno se debe a las relaciones de aspecto extremadamente altas, las paredes grafíticas hidrofóbicas molecularmente lisas y los diámetros internos a nanoescala de los nanotubos de carbono. Este fenómeno permite que las moléculas de agua y gas se muevan a través de los poros de los nanotubos órdenes de magnitudes más rápido que a través de otros poros de tamaño comparable. Esta teoría supone que el fluido que fluye a través de un nanocanal tiene una longitud de deslizamiento sin fricción. Usando la condición sin deslizamiento , podemos modelar el caudal volumétrico usando una forma de Hagen-Poiseuille que da cuenta de una longitud de deslizamiento sin fricción que se muestra a continuación.
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La longitud de deslizamiento (Ls(d)) se puede calcular utilizando la siguiente ecuación,
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Los nanotubos de carbono se están investigando para su uso en la desalinización debido a sus propiedades de exclusión de iones. Esto se debe en gran medida a la barrera energética desfavorable que se tendría que superar para desolvatar los iones, ya que los iones hidratados suelen ser más grandes que el diámetro de los nanotubos. A medida que aumenta el diámetro del tubo, se permitirá el paso de iones cada vez más grandes. Otra forma de seleccionar un tipo de ion es crear un entorno cargado dentro del nanotubo, para disminuir la penalización energética de la desolvatación para el ion seleccionado. Esto se puede hacer incorporando grupos funcionales de carga opuesta en el nanotubo de carbono. Esto también aumenta la barrera energética para los iones de carga opuesta en comparación con el ion seleccionado.
El diámetro interior del nanotubo contribuye en gran medida a las propiedades de exclusión de iones del nanotubo. Como se muestra a continuación, un aumento de 0,32 (nm) a 0,75 (nm) provocó una disminución del 42% en el porcentaje de rechazo de sal. Por otro lado, un diámetro interior mayor proporciona un aumento correspondiente en la velocidad de flujo. Con el mismo aumento en el diámetro interior, la velocidad de flujo aumentó de 66,7 (LMH) a 270,8 (LMH). Esto demuestra la compensación que existe entre el grado de exclusión de iones y la velocidad de transporte de agua a través de una membrana.
[a] Suponiendo una presión de operación de 5,5 MPa y teniendo en cuenta una presión osmótica de 2,4 MPa, se supuso que la densidad de CNT de la membrana era 2,5 x 10 11 CNT cm −2 . [b] LMH = L*m −2 *h −1 [c] Los índices de mejora se estiman en relación con los valores publicados para una membrana de ósmosis inversa comercial FILMTECH SW30H4-380.
La eficiencia de la permeabilidad de la membrana y el rechazo de sal pueden verse afectados negativamente por la bioincrustación. [5] [6] [7] [8] La bioincrustación es perjudicial para la polarización de la concentración dentro de la biopelícula, lo que provoca un aumento en el costo de operación de la membrana de CNT.
Junto con las partículas a nanoescala, los estudios han demostrado que los CNT pueden dañar las paredes celulares microbianas y matar bacterias. [9] [10] Los nanotubos de pared simple tienden a exhibir un comportamiento más antimicrobiano que los nanotubos de pared múltiple y doble e inhiben la formación de biopelículas, la primera etapa de la incrustación biológica. [11] [12] Por lo tanto, la superficie antiincrustante de las membranas de CNT puede requerir menos mantenimiento que las membranas tradicionales de nanofiltración y ósmosis inversa.
La naturaleza impulsada por la entropía de la nanofluídica hace que las membranas de CNT requieran un consumo de energía muy bajo. Los procesos con membranas de CNT pueden utilizarse sin el uso de una bomba de alta presión que consume mucha energía, una ventaja muy significativa sobre los procesos de nanofiltración y ósmosis inversa. [4]
Las simulaciones de dinámica molecular en conjunto con los informes de datos de la literatura científica muestran que los flujos típicos de CNT varían de aproximadamente 70 a 270 LMH. [13] Por lo tanto, se puede alcanzar un flujo de agua teórico de 10-15 LMH/bar en CNT alineados verticalmente, un aumento de cinco veces con respecto a las plantas de ósmosis inversa de agua salobre tradicionales. Las membranas de nanotubos mixtos, como los nanotubos de pared doble/poliacrilato, tienen un flujo de aproximadamente 4,05 LMH/bar, 1,5 veces mayor que la ósmosis inversa de agua salobre. [14] Se han informado niveles extremadamente altos de flujo en mezclas de nanotubos de pared múltiple/polisulfona, aunque aún se desconoce el mecanismo exacto de transporte de H 2 O. [15] Se proyecta que las membranas de CNT alineadas verticalmente tendrán eficiencias de rechazo de sal que se aproximan a las de la ósmosis inversa de agua salobre, siempre que se utilicen nanotubos con un diámetro interno de menos de 1 nanómetro junto con una carga superficial maximizada a través de varias modificaciones de superficie polimérica y de grupos funcionales.
Los CNT exhiben varias cualidades que los hacen útiles para el tratamiento de aguas residuales , incluyendo su capacidad para filtrar selectivamente partículas extremadamente pequeñas, así como su capacidad única como adsorbentes debido a su relativa estabilidad química, mecánica y térmica. [16] Las membranas de CNT muestran una afinidad particular por la adsorción por iones de metales pesados como Zn 2+ , que es tóxico para los organismos acuáticos y tiene una tendencia a bioacumularse rápidamente . [16] Las comparaciones de las tasas de adsorción de iones de zinc de CNT frente a otros materiales como el PAC disponible comercialmente fueron muy favorables, y además se demostró que la reutilización de los CNT era reversible en presencia de ácido nítrico diluido y reutilizable durante 10 ciclos de adsorción y desorción. [17] También se ha demostrado que la filtración de CNT adsorbe otros metales pesados como níquel, plomo, cadmio, cromo y cobre. [16]
Además de eliminar partículas pequeñas, existe el potencial de utilizar las dimensiones únicas, consistentes y cuantificables de los nanotubos de carbono como dispositivos conocidos como contadores Coulter . [18] Los contadores Coulter cuantifican el paso de objetos a través de un poro midiendo una diferencia de voltaje, que es proporcional al tamaño del objeto en la mayoría de los casos. [19] Los CNT y las membranas de CNT pueden ser particularmente útiles en este sentido debido a su capacidad para construirse en matrices de nanoporos, con CNT implementados en matrices como epoxi en una distribución relativamente uniforme. [18] La construcción de membranas de un solo nanoporo también es posible, lo que permite a los científicos estudiar análogos del transporte de masa de cosas como medicamentos, virus y genes a través de una matriz celular, por ejemplo. [18] Las membranas de CNT también podrían ayudar potencialmente a detectar cantidades diminutas de toxinas o productos químicos en muestras de aguas residuales. [16]
