Dessalinização à temperatura e pressão ambiente por uma nova classe de membrana anisotrópica biporosa

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13564 (2022) Citar este artigo

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Avanços científicos recentes avançaram na abordagem de questões pertinentes às mudanças climáticas e à sustentabilidade de nosso ambiente natural. Este estudo faz uso de uma nova abordagem para dessalinização que é amiga do ambiente, naturalmente sustentável e energeticamente eficiente, o que significa que também é econômica. A evaporação é um fenômeno chave no ambiente natural e usado em muitas aplicações industriais, incluindo dessalinização. Para uma gota de líquido, a pressão de vapor muda devido à curva da interface líquido-vapor na superfície da gota. A pressão de vapor em uma superfície convexa em um poro é, portanto, maior do que em uma superfície plana devido ao efeito capilar, e esse efeito é intensificado à medida que o raio do poro diminui. Este conceito nos inspirou a projetar uma nova membrana anisotrópica biporosa para destilação por membrana (MD), que permite dessalinizar a água à temperatura e pressão ambiente aplicando apenas um pequeno gradiente de temperatura transmembrana. A nova membrana é descrita como uma membrana compósita nanoporosa/microporosa superhidrofóbica. Uma membrana fabricada em laboratório com especificações determinadas pelo modelo teórico foi preparada para validação do modelo e testada para dessalinização em diferentes temperaturas de entrada de alimentação por contato direto MD. Um fluxo de vapor de água tão alto quanto 39,94 ± 8,3 L m-2 h-1 foi alcançado pela nova membrana em baixa temperatura de alimentação (25 °C, temperatura do permeado = 20 °C), enquanto a membrana comercial de PTFE, que é amplamente utilizada na pesquisa MD, teve fluxo zero nas mesmas condições de operação. Além disso, os fluxos da membrana fabricada foram muito maiores do que a membrana comercial em várias temperaturas de alimentação de entrada.

Um dos principais pontos de discórdia hoje em dia gira em torno do consumo de energia e seu efeito em nosso ambiente natural, especialmente em termos de liberação de grandes quantidades de dióxido de carbono e o impacto negativo disso no aquecimento global. Com base em uma crença essencial na sustentabilidade de nosso ambiente natural combinada com nosso conhecimento do comportamento do transporte de vapor d'água de acordo com a equação de Kelvin, esta pesquisa está sendo proposta como um estudo inovador na tecnologia de dessalinização. A tecnologia que está sendo avançada aqui promete resolver muitos problemas que os países de baixa renda estão enfrentando atualmente em termos de alto custo de energia e o efeito desastroso do consumo de energia no processo aparentemente imparável de mudança climática.

Dessalinização é um termo geral usado para os métodos que produzem água doce a partir de água salgada. As atuais tecnologias de dessalinização são intensivas em energia, uma vez que requerem a aplicação de força motriz térmica ou de pressão significativa. Felizmente, a demanda térmica de evaporação em processos de membrana, como destilação por membrana (MD) e pervaporação, é menor do que nos processos de destilação tradicionais. Assim, MD é uma tecnologia de separação acionada termicamente que pode potencialmente usar calor de baixo grau para dessalinizar fluxos altamente salinos. Em MD, impulsionado pelo gradiente de pressão parcial através de uma membrana microporosa hidrofóbica, as moléculas de vapor de água são transferidas da alimentação salina quente para o permeado frio, deixando sais e não voláteis para trás1,2. Manter a membrana hidrofóbica é crucial em DM porque permite a alta rejeição de sal, impedindo que a água de alimentação salgada flua através dos poros da membrana para o lado do permeado (produto de água)3,4. MD tem atraído muita atenção recentemente como uma tecnologia emergente de dessalinização, devido às suas excelentes características, como baixa temperatura operacional, baixa pressão operacional, alta capacidade de tratar salmouras de alta salinidade, alta eficiência de rejeição e capacidade única de usar energia de baixo teor fontes3,5.

Como mencionado anteriormente, o processo MD depende principalmente da evaporação que consome energia térmica. No entanto, o calor também é perdido por condução através da membrana, diminuindo assim a eficiência geral do processo MD, especialmente na configuração DCMD6. Assim, a fabricação de membranas mal projetadas é muitas vezes a razão do alto consumo de energia, bem como do declínio do desempenho do DM7. As membranas MD idealmente projetadas para alto desempenho devem atender aos seguintes requisitos, ou seja, baixa resistência à transferência de vapor, pequena espessura, baixa condutividade térmica, alta hidrofobicidade e excelente estabilidade mecânica e durabilidade8,9. A consciência do acoplamento, e às vezes conflitantes, influências de muitos parâmetros é crucial na concepção de membranas MD de alto desempenho. Assim, todos os critérios acima precisam ser levados em consideração simultaneamente para desenvolver uma membrana MD eficaz. Por exemplo, embora se espere que a membrana MD mais fina diminua a resistência à transferência de massa, uma espessura pequena geralmente exibe propriedades mecânicas baixas e aumenta as perdas de calor por condução, especialmente no caso de DCMD10. Portanto, muitos estudos teóricos têm sido conduzidos não apenas para entender os efeitos dos parâmetros, mas também para otimizá-los para alcançar o maior desempenho possível do MD11,12.