Nanotubi di fluoro per i dissalatori del futuro?
Scoperto un nuovo metodo rivoluzionario: una membrana rapida, efficiente e selettiva per dissalare l’acqua
[8 Giugno 2022]
La scarsità d’acqua è un problema crescente in tutto il mondo. La desalinizzazione dell’acqua di mare è un metodo consolidato per produrre acqua potabile, ma comporta un elevato costo energetico (anche se in calo). Ora lo studio “Ultrafast water permeation through nanochannels with a densely fluorous interior surface”, pubblicato recentemente su Science da un team di ricercatori cdell’università di Tokyo, illusttra per la prima volta l’utilizzo di nanostrutture a base di fluoro per filtrare con successo il sale dall’acqua.
I ricercatori giapponesi dicono che «Rispetto agli attuali metodi di desalinizzazione, questi nanocanali fluorati funzionano più velocemente, richiedono meno pressione e meno energia e sono un filtro più efficace».
Chi ha cucinato con una padella antiaderente rivestita di teflon, ha probabilmente visto come gli ingredienti umidi scivolano facilmente sulla sua superficie, questo succede perché il componente chiave del teflon è il fluoro, un elemento leggero che è naturalmente idrorepellente o idrofobo. Il teflon può essere utilizzato anche per rivestire tubi per migliorare il flusso dell’acqua.
Questa caratteristica ha attirato l’attenzione del principale autore dello studio, Yoshimitsu Itoh del Dipartimento di chimica e biotecnologie dell’università di Tokyo e del progetto, Precursory Research for Embryonic Science and Technology (PRESTO) della Japan Science and Technology Agency (JST), ispirando lui e il suo team a esplorare come i tubi o i canali realizzati con il fluoro potrebbero funzionare su una scala molto diversa: la nanoscala.
Itoh spiega: «Eravamo curiosi di vedere quanto potesse essere efficace un nanocanale di fluoro nel filtrare selettivamente diversi composti, in particolare acqua e sale. E, dopo aver eseguito alcune complesse simulazioni al computer, abbiamo deciso che valeva la pena dedicare tempo e sforzi per creare un campione funzionante. Attualmente ci sono due modi principali per dissalare l’acqua: termicamente, usando il calore per far evaporare l’acqua di mare in modo che si condensi come acqua pura, o per osmosi inversa, che usa la pressione per forzare l’acqua attraverso una membrana che blocca il sale. Entrambi i metodi richiedono molta energia, ma i nostri test suggeriscono che i nanocanali fluorosi richiedono poca energia e hanno anche altri vantaggi».
Il team giapponese ha creato membrane di filtrazione da test sintetizzando chimicamente anelli di fluoro nanoscopici, che sono stati impilati e incorporati in uno strato lipidico altrimenti impermeabile, simile alle molecole organiche che compongono le pareti cellulari. Hanno creato diversi campioni di prova con nanoanelli compresi tra circa 1 e 2 nanometri. Tanto per capire le dimensioni, un capello umano è largo quasi 100.000 nanometri. Per testare l’efficacia delle loro membrane, Itoh e il suo team hanno misurato la presenza di ioni cloro, uno dei componenti principali del sale – l’altro è il sodio – su entrambi i lati della membrana di test.
Itoh sottolinea che «E’ stato molto emozionante vedere i risultati in prima persona. Il più piccolo dei nostri canali di test respingeva perfettamente le molecole di sale in entrata e anche i canali più grandi rappresentavano ancora un miglioramento rispetto ad altre tecniche di desalinizzazione e persino ai filtri all’avanguardia con nanotubi di carbonio. Per me, la vera sorpresa è stata la velocità con cui si è verificato il processo. Il nostro campione ha funzionato diverse migliaia di volte più velocemente dei tipici dispositivi industriali e circa 2.400 volte più velocemente dei dispositivi sperimentali di desalinizzazione basati su nanotubi di carbonio».
Dato che il fluoro è elettricamente negativo, respinge gli ioni negativi come il cloro che si trova nel sale. Ma i ricercatori evidenziano che «Un ulteriore vantaggio di questa negatività è che scompone anche quelli che sono noti come ammassi d’acqua, essenzialmente gruppi di molecole d’acqua legati in modo lasco, in modo che passino attraverso i canali più velocemente. Le membrane di desalinizzazione dell’acqua a base di fluoro del nostro team sono più efficaci, più veloci, richiedono meno energia per funzionare e sono fatte per essere anche molto semplici da usare».
Ma resta un problema: «Attualmente, il modo in cui sintetizziamo i nostri materiali è di per sé relativamente ad alta intensità energetica; tuttavia, questo è qualcosa che speriamo di migliorare nelle prossime ricerche. E, data la longevità delle membrane e i loro bassi costi operativi, i costi energetici complessivi saranno molto inferiori rispetto ai metodi attuali – conclude Itoh – Ovviamente, altri passi che desideriamo intraprendere sono l’aumento di questo. I nostri campioni di test erano singoli nanocanali, ma con l’aiuto di altri specialisti speriamo di creare una membrana di circa 1 metro di diametro. Parallelamente a queste preoccupazioni produttive, stiamo anche valutando se membrane simili potrebbero essere utilizzate per ridurre l’anidride carbonica o altri prodotti di scarto indesiderati rilasciati dall’industria».