Un equipo de investigadores del CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research Institute (CSMCRI), el Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN), la Universidad Tecnológica Nanyang de Singapur y el Centro Nacional SN Bose de Ciencias Básicas ha desarrollado un nuevo tipo de membrana de filtración de alta precisión. Investigación, publicada Revista de la Sociedad Química EstadounidenseDescribe una tecnología que puede ayudar a las industrias a reducir el uso de energía y aumentar drásticamente la reutilización del agua.
Muchos procesos industriales dependen de la separación de diferentes sustancias entre sí. Estos procesos de separación son esenciales para tareas como el refinado de medicamentos, el tratamiento de tintes textiles y la producción de alimentos. Sin embargo, se encuentran entre las actividades manufactureras que consumen más energía y representan alrededor del 40% al 50% del consumo mundial de energía industrial.
La mayoría de las instalaciones todavía dependen de métodos tradicionales como la destilación y la evaporación. Aunque eficaces, estos métodos requieren grandes cantidades de energía y contribuyen significativamente a las emisiones de carbono. La filtración basada en membranas generalmente se considera una alternativa más limpia, pero las membranas poliméricas convencionales a menudo tienen 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.
POMembranas inspiradas en la naturaleza con poros de un nanómetro
“Para abordar estas limitaciones, diseñamos una nueva clase de membranas cristalinas ultraselectivas llamadas “POmbranas”, que contienen poros de aproximadamente un nanómetro de ancho, mil veces más delgados que un cabello humano”, dijo el Dr. Shilpi Kushwaha, científico principal del CSMCRI.
Las nuevas membranas se inspiran en sistemas biológicos como las acuaporinas, que regulan el movimiento de las moléculas a través de canales formados con precisión. Para lograr este nivel de control, los investigadores utilizaron grupos de polioxometalato (POM). Cada grupo tiene una abertura natural de exactamente 1 nanómetro de ancho y permanentemente estable.
Según la Sra. Priyanka Dobaria, investigadora del CSMCRI y coprimera autora del artículo, “Estos POM son pequeños grupos metálicos en forma de corona con un agujero perfecto y permanente en el centro que no cambia ni pierde forma, que es el mayor obstáculo con los filtros de plástico tradicionales”.
Fabricación de un tamiz molecular ultrafino.
Para construir una membrana práctica se necesitan miles de millones de estas pequeñas estructuras en forma de anillos dispuestas en capas continuas y sin defectos. Para lograr esto, los investigadores unieron cadenas químicas flexibles a los grupos de POM.
Cuando los grupos modificados se colocan en agua, se dispersan y organizan de forma natural en una película ultrasimple de gran superficie. Al variar la longitud de las cadenas unidas, el equipo pudo controlar qué tan cerca estaban los grupos.
“Esto obligó a las moléculas a cruzar la membrana a través del único pasaje abierto, un poro de un nanómetro creado en cada grupo, lo que permite que la membrana actúe como un tamiz de alta tecnología”, añadió el Dr. Raghavan Ranganathan, profesor asociado de ingeniería de materiales en el IITGN.
El Dr. Ranganathan y Sri Vinay Thakur, doctorado del IITGN y coautor del artículo, también realizaron simulaciones a nivel molecular que revelaron cómo las membranas realizan su función de filtrado.
Rendimiento de separación aproximadamente diez veces mejor
Los experimentos han demostrado que las membranas pueden distinguir entre moléculas que están separadas por sólo 100-200 daltons, un nivel de precisión que es extremadamente difícil de lograr con las membranas poliméricas convencionales.
Según el Dr. Ketan Patel, científico jefe del CSMCRI, esta capacidad podría crear nuevas oportunidades para procesos de producción más sostenibles.
“Nuestra membrana muestra un rendimiento de separación casi diez veces mejor que las tecnologías existentes, sin dejar de ser flexible, estable y escalable”, afirmó.
“Además, estas membranas son flexibles, estables en diferentes niveles de acidez (rangos de pH) y pueden fabricarse en láminas grandes. Esta combinación es esencial si se quiere que estas membranas se adopten ampliamente en la industria”.
Beneficios potenciales para el reciclaje de textiles y agua
La tecnología podría ser particularmente valiosa para las industrias textil y farmacéutica de la India, las cuales desempeñan papeles importantes en la economía del país.
El sector textil y del vestido de la India aporta más del 2,3% del PIB y representa alrededor del 13% de la producción industrial. El mercado interno está valorado actualmente entre 160.000 y 225.000 millones de dólares y se espera que se expanda hasta 250.000-350.000 millones de dólares para 2030.
Las operaciones de teñido y acabado de textiles generan grandes cantidades de aguas residuales contaminadas, lo que plantea desafíos continuos en la eliminación de tintes y la reutilización del agua. Las nuevas membranas pueden eliminar selectivamente las moléculas de tinte y al mismo tiempo permitir que el agua se recicle, reduciendo tanto la demanda de agua dulce como los desechos químicos. Este beneficio es particularmente importante a medida que el mercado de tratamiento de aguas residuales de la India continúa creciendo.
Aplicaciones en la fabricación farmacéutica.
Las membranas también pueden beneficiar la fabricación farmacéutica, donde las separaciones altamente precisas son fundamentales para la calidad del producto y la eficiencia de fabricación.
“Procesos como la purificación de fármacos y la recuperación de disolventes consumen mucha energía y son sensibles a la calidad”, señaló Sri Vinay Tagore. “Membranas altamente selectivas como estas pueden reducir el consumo de energía manteniendo al mismo tiempo los estrictos estándares requeridos en la producción farmacéutica”.
Una plataforma tecnológica para la fabricación sostenible
Los investigadores describen la nueva Pembrane como una tecnología de plataforma versátil. Su estructura ajustable, alta selectividad y capacidad para soportar ambientes químicos hostiles los hacen adecuados para una amplia gama de tareas de separación industrial, desde el tratamiento de aguas residuales hasta la producción química avanzada.
A medida que las industrias buscan cada vez más tecnologías que combinen eficiencia, durabilidad y sostenibilidad, las membranas diseñadas molecularmente pueden convertirse en una parte importante de los sistemas de fabricación de próxima generación. Al aplicar un principio que se encuentra comúnmente en biología, el control preciso a escala molecular, y adaptarlo a una tecnología de materiales escalable, los investigadores han demostrado cómo el diseño inspirado en la naturaleza puede ayudar a resolver importantes desafíos industriales.
