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Las membranas de filtración son esenciales para una amplia variedad de industrias en todo el mundo. Hechos de materiales tan diversos como celulosa, grafeno y nailon, sirven como barreras que convierten el agua de mar en agua potable, separan y transforman la leche y los productos lácteos y eliminan los contaminantes de las aguas residuales. Sirven como tecnología esencial para estas industrias y otras, pero están plagadas de un talón de Aquiles: las incrustaciones.
El ensuciamiento de la membrana ocurre cuando las partículas se depositan en el filtro con el tiempo, obstruyendo el sistema y limitando su eficiencia y efectividad. Los esfuerzos para limpiar o eliminar las impurezas de estas membranas generalmente se basan en procesos químicos, en los que se bombean solventes sintéticos a través de la membrana para limpiar el sistema. Sin embargo, esto da como resultado una pérdida de productividad y ganancias, además de generar preocupaciones ambientales y de seguridad en el lugar de trabajo asociadas con la eliminación de desechos.
Es posible que pronto esté a la vista una solución a este desafío. Un equipo de investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, con el apoyo de una subvención inicial del Laboratorio de Sistemas de Agua y Alimentos Abdul Latif Jameel del MIT (J-WAFS), encontró una alternativa. Su solución se desarrolló a través de una colaboración única entre investigadores con experiencia en dinámica de fluidos y estructura.
El equipo ha desarrollado un nuevo sistema que puede limpiar mecánicamente las membranas mediante deformación controlada. Su nuevo enfoque, uno de los primeros en combinar membranas y mecánicos, tiene el potencial de ser más barato, más rápido y más respetuoso con el medio ambiente que las técnicas tradicionales de limpieza de membranas, y está a punto de revolucionar la forma en que pensamos sobre la filtración.
“El ensuciamiento es el mayor problema al que se enfrentan las membranas. Ser capaz de resolverlo sería un cambio de juego para todos ”, dice Omar Labban PhD & # 39; 20 del Departamento de Ingeniería Mecánica, coautor principal de un nuevo artículo publicado en el Revista de ciencia de membranas.
El trabajo comenzó cuando dos profesores de ingeniería mecánica vieron el potencial para unir sus áreas de especialización. John Lienhard, Profesor Abdul Latif Jameel de Ingeniería Mecánica e Hidráulica y Director de J-WAFS, se asoció con Xuanhe Zhao, Profesor de Ingeniería Mecánica y Facultad George N. Hatsopoulos. Lienhard es un experto internacional en purificación y desalinización de agua, mientras que Zhao se especializa en el campo de materiales flexibles.
"Los problemas del mundo real, como el ensuciamiento de la membrana, trascienden inherentemente las líneas disciplinarias", dice Lienhard. “En este caso, nos enfrentamos a un problema tanto de la mecánica de la materia blanda como de la desalación de las membranas. Nuestro equipo combinó este conocimiento dispar a través de un sólido programa experimental para lograr un proceso de limpieza más respetuoso con el medio ambiente.
El artículo que detalla el nuevo enfoque del equipo ha sido seleccionado como artículo de elección del editor por la revista para febrero de 2021. A los coautores del artículo Lienhard, Zhao y Labban también se unieron el coautor principal y un miembro del equipo de investigación principal. liderando este trabajo. , Grace Goon PhD '20 del Departamento de Aeronáutica y Astronáutica, y Zi Hao Foo, ex estudiante visitante y actualmente estudiante de posgrado en Ingeniería Mecánica.
El 'talón de Aquiles' de la filtración
El ensuciamiento es el proceso por el cual las partículas se depositan en la superficie de una membrana. Aunque ocurre en cualquier sistema de filtración de membrana, el ensuciamiento es particularmente problemático para la desalinización. Como insumo del proceso, el agua de mar contiene mucho más que sal para eliminar. La suciedad, desde bacterias hasta sustancias orgánicas y minerales, puede acumularse muy rápidamente en las membranas de ósmosis inversa. Una vez que las membranas están obstruidas, son menos eficientes, lo que limita la cantidad de agua limpia que se puede producir y la pureza del producto final.
Desafortunadamente, la solución de limpieza actual no es la ideal. Las membranas utilizadas para la desalinización se limpian con productos químicos, lo que requiere tiempo, dinero y recursos para operar la planta de filtración. Los operadores de plantas de desalinización de agua a menudo tienen que detener la producción para lavar sus sistemas durante varias horas por ciclo de limpieza. Para la industria láctea, los operadores deben limpiar las membranas varias veces al día. Los cócteles químicos utilizados para limpiar los sistemas a menudo son de propiedad exclusiva, lo que hace que el costo de la desalinización sea prohibitivo para algunos países y municipios. El impacto ambiental también es significativo, ya que las fábricas tienen que descubrir cómo eliminar las grandes cantidades de desechos químicos sin causar problemas ecológicos y toxicológicos.
Trabajando juntos para una solución más limpia
Motivado por la eficiencia, la asequibilidad y la sostenibilidad ambiental, el equipo de investigación buscó desarrollar una solución libre de productos químicos basada en los principios de la mecánica. Goon, miembro del equipo de investigación principal, relata los primeros días, cuando el equipo exploró varios métodos de vibración, incluido un sistema estéreo, para sacudir la capa de suciedad de la membrana. A partir de ahí, pasaron a la experimentación variando la presión a cada lado de la membrana para debilitar los restos relacionados. Finalmente, lograron quitar el pañal.
Su solución se basa en un fenómeno conocido como fatiga interfacial por ensuciar las membranas. A través de cambios sutiles en la presión, el equipo pudo debilitar y deformar gradualmente la capa desordenada adherida poco a poco hasta que se pudo lavar. Investigaciones anteriores se han alejado de este método debido a la fragilidad de las membranas, "pero hemos demostrado que si puedes controlarlo correctamente, puedes evitar dañar tu membrana", explica Goon. Lo mejor de todo es que el método se puede utilizar en el módulo de membrana enrollada en espiral estándar de la industria, donde las capas de membrana estrechamente espaciadas plantearon un desafío para otros métodos de limpieza mecánica.
Si bien es posible que se requieran procesos de limpieza química tradicionales para complementar esta solución mecánica, este nuevo método puede reducir la dependencia del usuario del lavado químico, lo que beneficia a los operadores de la planta de varias maneras. Los cálculos del equipo indican que el tiempo de inactividad para la limpieza se dividiría por seis. Como las fábricas caen con menos frecuencia, la cantidad total de agua limpia producida por el sistema puede aumentar. "Ahorrará en costos, manejará más la planta, obtendrá más rendimiento. Cuando la limpieza ya no se convierta en una carga para el operador, el sistema funcionará en mejores condiciones a largo plazo ”, dice Labban.
Estas mejoras aportan beneficios tangibles a productores y consumidores. Durante la investigación de campo, el equipo exploró el potencial de mercado de esta tecnología y habló con operadores de plantas en varias industrias, todas las cuales han expresado su frustración por el engorroso proceso de limpieza. Solo para la industria láctea, que ya se ha enfrentado a una disminución de las ganancias debido a la pandemia, el equipo estima que un cambio a la limpieza mecánica podría reducir los costos de limpieza a la mitad.
La intersección única de la tecnología de membranas y los procesos mecánicos que esta tecnología modela proporciona una solución que muchos en el campo de la desalinización no creían posible. "De repente, puede lograr mucho más que antes: su impacto y el cambio que puede lograr se vuelven mayores", dice Labban sobre la oportunidad de trabajar en una colaboración multidisciplinaria.
El proyecto no solo reunió a dos especialidades del Departamento de Ingeniería Mecánica y el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica. Al equipo también se unieron Gabrielle Enns, Annetoinette Figueroa, Lara Ketonen, Hannah Mahaffey, Bryan T. Padilla y Maisha Prome como parte del Programa de Oportunidades de Investigación de Pregrado del MIT. La perspectiva única aportada por cada miembro del equipo ayudó a fomentar la creatividad y el compañerismo en el laboratorio.
Debido al enfoque plug and play adoptado por el equipo de investigación interdisciplinario, los mecanismos de financiación tradicionales no estaban tan fácilmente disponibles para este trabajo. Es por eso que la Subvención Semilla J-WAFS ha sido tan efectiva. "Sin J-WAFS, este trabajo no se habría realizado", dice Labban. La subvención permitió al equipo de investigación centrarse en el desafío como el principal facilitador de la investigación, en lugar de limitarse a un proceso técnico particular o un resultado estructurado. Esto le dio al equipo la libertad de aprovechar la colaboración interdepartamental que permitió la convergencia de la investigación sobre la mecánica y las membranas en nombre de mejores estrategias de filtración.
Este artículo se ocupa principalmente de suelos orgánicos y la técnica solo ha sido evaluada para un número limitado de industrias. Sin embargo, mirando hacia el futuro, el equipo está emocionado de expandir su investigación aplicando el método a una variedad de campos, incluidos los sectores de energía y electricidad. Mientras las membranas estén en uso, será necesario limpiarlas. "Estamos emocionados de resolver el principal cuello de botella con membranas y desalinización", dice Labban. "Nada más se compara con este desafío".
