Nanotubos de carbono para el transporte de agua
La escasez de agua se ha convertido en una preocupación cada vez más apremiante recientemente y con las predicciones recientes de una alta probabilidad de que la sequía actual se convierta en una mega sequía en el oeste de los Estados Unidos, las tecnologías relacionadas con el tratamiento y procesamiento del agua deben mejorar. Los nanotubos de carbono (CNT) han sido objeto de extensos estudios porque demuestran una variedad de propiedades únicas de las que carecen las tecnologías existentes. Por ejemplo, las membranas de nanotubos de carbonopuede demostrar un mayor flujo de agua con menor energía que las membranas actuales. Estas membranas también pueden filtrar partículas que son demasiado pequeñas para los sistemas convencionales, lo que puede conducir a mejores técnicas de purificación de agua y menos desperdicio. El mayor obstáculo que enfrenta el CNT es el procesamiento, ya que es difícil producirlos en las grandes cantidades que requerirán la mayoría de estas tecnologías.
Hay dos tipos principales de membrana que se pueden fabricar: unas con CNT alineado verticalmente y otras con CNT dispuestos de forma más aleatoria. Idealmente, la membrana estaría compuesta de CNT alineados verticalmente, ya que esto produciría el mayor flujo a través de la membrana, pero producir este patrón es increíblemente difícil. El método más fácil es producir una membrana dispuesta aleatoriamente con el inconveniente de que no funcionará tan bien como la alineada. Otros factores importantes a considerar en el procesamiento son el diámetro y la longitud del tubo, la densidad del CNT (qué tan cerca está el empaque) y qué relleno (si corresponde) se usará.
el hidrófoboLas paredes de los nanotubos de carbono aceleran el flujo de moléculas de agua a través del tubo a medida que se "deslizan" cada vez que entran en contacto con las paredes. Las moléculas de agua son impulsadas a través de los poros por una diferencia de presión creada por una bomba. A medida que las moléculas comienzan a viajar a través del tubo, forman una red similar a una cadena entre sí debido a los fuertes enlaces de hidrógeno presentes. Esto facilita el flujo de agua a través de los tubos y hace que una molécula sea empujada hacia adelante por la que está frente a ella. El agua también puede fluir por la superficie exterior de los tubos, pero el flujo por el interior de los tubos es el más rápido. Se cree que este sistema es útil en la purificación y desalinización del agua debido al flujo de agua acelerado, así como a las propiedades de exclusión de iones de los nanotubos.
Si bien los nanotubos de carbono no son polares y, por lo tanto, son relativamente hidrofóbicos, el agua los llena espontáneamente con una humedad del ~8-10 %. [1] El mecanismo de llenado entendido depende de la polaridad del disolvente, la concentración de iones y las fuerzas de van der Waals entre el agua y el CNT. Cuando el agua en el interior del CNT puede tener un potencial químico más bajo que el que tendría a granel, llena el CNT. Incluso los materiales no polares son polarizables. Esta polarizabilidad permite que las fuerzas de van der Waals entre el agua y las paredes de la membrana atraigan las moléculas de agua hacia el CNT. [2]
Dentro del CNT, el agua está “nanoconfinada”, o contenida en un volumen a nanoescala. Este nanoconfinamiento organiza las moléculas de agua en "alambres" conectados por enlaces H, lo que reduce la energía potencial química del agua dentro del nanotubo. [3] Las interacciones carbono-agua hacen de estos cables el estado más favorable, siempre que las fuerzas de van der Waals se mantengan por encima de cierto nivel. [2] En la formación de alambre ideal, el momento dipolar de cada molécula de agua es paralelo al eje CNT, donde tiene el potencial más bajo. [1]Esta orientación tiene el potencial más bajo porque es donde el momento dipolar de la molécula de agua interactúa menos con la pared del CNT no polar. Además de las fuerzas de van der Waals que reducen el potencial químico, la presión externa también puede influir en el llenado de las membranas CNT. La presión no aumenta el potencial químico dentro de los CNT, pero lo aumenta en el material a granel (100 MPa provoca un aumento de ~2 kJ/mol [2] ). Esto hace que el interior de CNT sea relativamente más favorable para el agua, empujándolos hacia llenos.
