Mai multe țări din Orientul Mijlociu se bazează deja pe îndepărtarea sării din apa de mare pentru obținerea apei potabile. Totuși, din cauza creșterii populației și a schimbărilor climatice, multe alte țări ar putea fi nevoite să se orienteze spre desalinizare apei. Cu toate acestea, pentru moment, tehnologia este încă scumpă și necesită un consum mare de energie.
Cea mai utilizată metodă de desalinizare din prezent, osmoza inversă, folosește membrane care blochează sarea și impuritățile, pe măsură ce apa de mare pătrunde prin ele. Membranele de calitate mai bună conduc la o desalinizare mai eficientă, din punct de vedere energetic și al costurilor.
Pentru a ajuta la proiectarea unor membrane mai eficiente, o echipă de cercetători a utilizat microscopia electronică și modelarea computerizată 3D pentru a înțelegere modul în care apa curge prin bariere la scală nanometrică. În urma analizei, s-a observat faptul că densitatea uniformă a membranei la scală nanometrică, și nu grosimea acestora, este crucială pentru îmbunătățirea fluxului de apă. „Îmbunătățirea uniformității ar putea crește eficiența cu peste 30%”, a declarat echipa de cercetători din cadrul Universității din Texas, Universității de Stat din Pennsylvania și companiei DuPont.
Echipa de cercetători a utilizat o serie de membrane polimerice comune, fabricate de compania DuPont Water Solutions. Apa traversează membranele prin golurile mici, cu dimensiuni de ordinul Angstromilor, formate între șirurile de polimer.
Producătorii de membrane polimerice modifică structura internă și grosimile acestora pentru a crește fluxul de apă. Totuși, identificarea exactă a parametrului care afectează performanța a fost dificilă. De exemplu, cercetătorii din cadrul companiei DuPont au descoperit, recent, că o creștere, contraintuitivă, a grosimii unor membrane ale companiei produce o creștere a fluxului de apă care străbate membrana.
Pentru a descoperi cauza acestui paradox, Manish Kumar, din cadrul Universității din Texas, Enrique Gomez, din cadrul Universității de Stat din Pennsylvania, și o serie de colaboratori, din cadrul companiei DuPont, au utilizat o tehnică de microscopie electronică de transmisie, denumită tomografie electronică pentru a obține o imagine 3D a membranelor, la scală nanometrică. Această tehnică implică scanarea suprafeței membranei cu ajutorul unui fascicul de electroni de înaltă intensitate pentru a realiza o serie de imagini 2D care sunt, apoi, înclinate la un anumit unghi și combinate pentru a crea o imagine 3D. „Acest lucru ne oferă informații cu privire la densitatea polimerului. Cu ajutorul acestei tehnici se poate determina densitatea fiecărui nanometru cub pentru a deduce cantitatea de material și de goluri din cadrul membranei”, a declarat Kumar.
După realizarea imaginii 3D, cercetătorii au introdus datele în supercomputerul din cadrul Centrului Texas Advanced Computing. Aceștia au reușit să ruleze simulări pe computer la scară largă, cu ajutorul cărora s-au determinat traiectoriile moleculelor din apă prin membrană.
„Desigur, apa alege calea care opune cea mai mică rezistență. Totuși, chiar și în cadrul celor mai subțiri membrane, în urma simulărilor s-a arătat faptul că polimerii denși ar putea forma structuri care obstrucționează apa și care o pot direcționa pe o cale mai lungă”, a declarat Kumar. Așadar, densitatea membranei la scală nanometrică reprezintă parametrul principal, mai degrabă decât la grosimea acesteia, care afectează curgerea apei, a constatat echipa. Membrana cea mai permeabilă a fost cea mai puțin densă dintre cele analizate, densitatea acesteia neprezentând fluctuații foarte mari.
„Dacă producătorii ar putea evalua, la o scală nanometrică, în mod similar, membranele utilizate pentru osmoza inversă și ar putea optimiza reacțiile chimice și tehnicile de prelucrare pentru a crea membrane dense, mai uniforme, desalinizarea ar putea ajunge mai rentabilă”, a declarat Kumar.