Un equipo de investigadores del CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research Institute (CSMCRI), el Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN), la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur y el S N Bose National Centre for Basic Sciences ha desarrollado un nuevo tipo de membrana de filtración de alta precisión. El estudio, publicado en el Journal of the American Chemical Society, describe una tecnología que podría ayudar a las industrias a reducir el consumo de energía y aumentar drásticamente la reutilización del agua.
Muchas actividades industriales dependen de la separación de diferentes sustancias entre sí. Estos procesos de separación son esenciales para tareas como la purificación de medicamentos, el tratamiento de tintes textiles y la producción de alimentos. Sin embargo, también se encuentran entre las operaciones más intensivas en energía en la fabricación, representando aproximadamente del 40% al 50% del consumo energético industrial global. La mayoría de las instalaciones todavía dependen de enfoques tradicionales como la destilación y la evaporación. Si bien son efectivos, estos métodos requieren grandes cantidades de energía y contribuyen significativamente a las emisiones de carbono. La filtración basada en membranas se considera generalmente una alternativa más limpia, pero las membranas poliméricas convencionales a menudo contienen poros de tamaño desigual. Con el tiempo, esos poros pueden cambiar de forma o degradarse, reduciendo el rendimiento y limitando su utilidad en entornos industriales exigentes.
"Para abordar estas limitaciones, diseñamos una nueva clase de membranas cristalinas ultra selectivas llamadas 'POMbranes', que contienen poros de aproximadamente un nanómetro de ancho, miles de veces más delgados que un cabello humano", dijo la Dra. Shilpi Kushwaha, científica principal del CSMCRI. Las nuevas membranas se inspiran en sistemas biológicos como las acuaporinas, que regulan el movimiento de moléculas a través de canales de tamaño preciso. Para lograr este nivel de control, los investigadores utilizaron grupos de polioxometalato (POM). Cada grupo contiene una abertura natural de exactamente 1 nanómetro de ancho que permanece permanentemente estable. Según la Sra. Priyanka Dobariya, investigadora del CSMCRI y coautora principal del artículo, "Estos POM son pequeños grupos metálicos en forma de corona que tienen un agujero perfecto y permanente en su centro que no cambia ni pierde su forma, que es el mayor obstáculo con los filtros plásticos tradicionales".
Crear una membrana práctica requirió organizar miles de millones de estas pequeñas estructuras en forma de anillo en una capa continua y sin defectos. Para lograrlo, los investigadores unieron cadenas químicas flexibles a los grupos POM. Cuando los grupos modificados se colocaron sobre agua, se extendieron naturalmente y se organizaron en una película ultrafina de gran área. Al cambiar la longitud de las cadenas unidas, el equipo pudo controlar qué tan juntos se empaquetaban los grupos. "Esto obligó a las moléculas a cruzar la membrana a través del único camino abierto, los agujeros de un nanómetro incorporados en cada grupo, permitiendo que la membrana actuara como un tamiz de alta tecnología", agregó el Dr. Raghavan Ranganathan, profesor asociado del Departamento de Ingeniería de Materiales del IITGN. El Dr. Ranganathan y el Sr. Vinay Thakur, estudiante de doctorado en el IITGN y coautor principal del artículo, también realizaron simulaciones a nivel molecular que revelaron cómo las membranas realizan su función de filtrado.
Las pruebas mostraron que las membranas podían distinguir entre moléculas que difieren en solo 100-200 Daltons, un nivel de precisión extremadamente difícil de lograr con membranas poliméricas convencionales. Según el Dr. Ketan Patel, científico principal del CSMCRI, esta capacidad podría crear nuevas oportunidades para procesos de fabricación más sostenibles. "Nuestras membranas muestran un rendimiento de separación casi diez veces mejor en comparación con las tecnologías existentes, mientras permanecen flexibles, estables y escalables", dijo. "Además, estas membranas son flexibles, estables en diferentes niveles de acidez (rangos de pH) y se pueden fabricar en láminas grandes. Esta combinación es esencial si las membranas se van a adoptar ampliamente en la industria".