Membrane di legno per dissalatori più efficienti e sostenibili
Il nuovo materiale “nanowood” potrebbe rivoluzionare la produzione di acqua potabile
[22 Agosto 2019]
Mentre la popolazione mondiale cresce e il cambiamento climatico porta più incendi e siccità, l’acqua dolce sta diventando una risorsa sempre più preziosa. La conversione di acqua di mare in acqua potabile potrebbe risolvere questo problema. La sfida è farlo su larga scala utilizzando metodi sostenibili e a basso costo. Nel mondo, una persona su nove non ha accesso all’acqua potabile e chi vive in regioni come il Medio Oriente e la California è già in gran parte dipendente dai dissalatori, la maggior parte dei quali si basa sull’osmosi inversa, un metodo in cui l’acqua di mare viene forzata attraverso una membrana porosa che blocca il sale e le impurità. Ma si tratta di una tecnologia che richiede ancora molta energia e costose membrane di plastica che tendono a intasarsi.
Un’altra tecnologia interessante che non è stata ancora commercializzata è la distillazione a membrana che utilizza l’energia solare per far evaporare l’acqua. Il vapore passa attraverso una membrana idrorepellente, condensando l’acqua pulita dall’altra parte. Ma anche le membrane per questa tecnologia sono realizzate in plastica e la tecnologia è stata finora limitata dal costo e dall’utilizzo di energia.
Ora arriva la notizia che una membrana fatta di frammenti di legno potrebbe essere la risposta alla depurazione sostenibile dell’acqua. La maggior parte delle membrane utilizzate attualmente per distillare acqua dolce da quella salata sono costituite da polimeri a base di combustibili fossili, ma un nuovo materiale ispirato all’intricato sistema della circolazione dell’acqua in un albero, potrebbe portare a dissalatori e depuratori “naturali”.
Nello studio “Hydrophobic nanostructured wood membrane for thermally efficient distillation” pubblicato su Science Advances, un team di icercatori delle università statunitensi di Colorado – Boulder, Maryland, Princeton e della California – Los Angeles, della Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet e dell’Accademia cinese delle scienze, dinmostra che un sottile strato di legno può essere utilizzata come una membrana attraverso la quale il vapore acqueo può evaporare, lasciando dietro di sé il sale o altri contaminanti.
Secondo uno degli autori dello studio, Liangbing Hu del Department of materials science and engineering dell’università del Maryland «Questo lavoro mostra un’altra eccitante applicazione per l’energia/acqua del legno nanostrutturato, come materiale da membrana ad alte prestazioni».
Lo stesso team aveva precedentemente dimostrato l’uso di questo materiale per l’isolamento con lo studio “Anisotropic, lightweight, strong, and super thermally insulating nanowood with naturally aligned nanocellulose” pubblicato su Science Advances nel 2018, e per il raffreddamento con lo studio “A radiative cooling structural material” pubblicato quest’anno su Science. Nel nuovo studio, il team internazionale ha trattato chimicamente il legno in modo che diventasse idrorepellente, permettendo così un più efficace passaggio del vapore acqueo, spinto da una fonte di calore come l’energia solare.
Un altro degli autori dello studio, il professore di ingegneria ambientale Jason Ren, che recentemente si è trasferito dall’università del Colorado – Boulder a quella di Princeton, evidenzia che «Questo studio ha scoperto un nuovo modo di utilizzare le proprietà uniche dei materiali in legno sia come eccellente isolante che come trasportatore di vapore acqueo».
Il team di ricerca spiega di aver trattato il legno «in modo che perdesse la sua lignina, la parte del legno che lo rende marrone e rigido, e la sua emicellulosa, che si intreccia dentro e fuori la cellulosa per mantenerla in posizione. Il “nanowood” che ne è risultato è stato trattato col silano, un composto usato per produrre silicio per chip di computer. La natura semiconduttiva del composto mantiene le nanostrutture naturali della cellulosa del legno e si aggrappa alle molecole di vapore acqueo mentre passano. Il silano è anche usato nella produzione di celle solari».
La membrana sembra un sottile pezzo di legno sbiancato, sospeso sopra una fonte di vapore acqueo. Mentre l’acqua si riscalda e passa alla fase gassosa, le molecole sono abbastanza piccole da attraversare i piccoli canali che rivestono le pareti della struttura cellulare rimasta dopo il trattamento, così, l’acqua che passa dall’atra parte è priva di grandi contaminanti come il sale.
Per testare questo nuovo materiale i ricercatori lo hanno usato per distillarci dell’acqua, scoprendo che «Funziona 1,2 volte meglio di una membrana convenzionale».
Il principale autore dello studio, Dianxun Hou, del Department of civil, environmental, and architectural engineering, dell’università del Colorado – Boulder, conferma: «La membrana di legno ha una porosità molto elevata, che promuove il trasporto di vapore acqueo e previene la perdita di calore».
La membrana è più porosa e consente al vapore di passare più facilmente rispetto alle migliori membrane in plastica in commercio, ma non ha funzionato altrettanto bene, filtrando circa 20 chilogrammi di acqua per m2 all’ora, circa la metà della velocità delle membrane in commercio. «Questo perché la membrana è più spessa e ha i pori più piccoli – scrive il team – Fare membrane più sottili con altri legni con dimensioni dei pori ideali dovrebbe risolvere la cosa». Hanno anche in programma di progettare membrane più resistenti alle alte temperature e condizioni chimiche difficili.
Inventwood, una spin-off dell’università del Maryland del team di ricerca di Hu, sta lavorando alla commercializzazione di nanotecnologie a base di legno.