Evaluación de membranas nanocompuestas fototérmicas en proceso de destilación por membrana bajo luz solar simulada

Abstract

Ante la problemática global de la escasez hídrica, se han propuesto sistemas para obtener agua fresca, destacando la destilación por membrana (MD). Este proceso utiliza la variación de la presión parcial del vapor entre una solución de alimentación y una de permeado como fuerza motriz para producir agua ultrapura, con eficaz rechazo de sales. Sin embargo, la polarización por temperatura (TP) representa un desafío, y se han propuesto diversos métodos de mitigación, entre ellos, el uso innovador de membranas modificadas con nanopartículas (NP’s) fototérmicas, que transforman la energía solar en calor y lo localizan en la superficie. Este trabajo tiene como objetivo la síntesis, caracterización y evaluación del efecto fototérmico, bajo luz solar simulada (UVA-Vis), y del desempeño de desalinización, con solución acuosa 35.000 ppm de NaCl, de membranas poliméricas de fluoruro de polivinilideno (PVDF) modificadas con la incorporación de dos tipos de nanopartículas fototérmicas de dióxido de estaño (SnO2): NP’s comerciales (SnO2-C) y NP’s sintetizadas (NP’s SnO2). Para cumplir lo mencionado, se sintetizaron las NP’s SnO2 mediante una ruta de síntesis hidrotermal controlada. Estas NP’s junto a las SnO2-C, fueron caracterizadas mediante las técnicas de SEM/TEM, XRD, DRS, ángulo de contacto y pruebas fototérmicas. Como resultado se obtuvo que ambas NP’s tienen una activación fototérmica entre el rango UVC y el límite de UVA, donde las NP’s SnO2 presentan un desempeño fototérmico de 2,6°C mayor que las nanopartículas comerciales bajo luz UVA-Vis. Las membranas se sintetizaron mediante el método de inversión de fase, generando membranas blancas y otras con la inclusión de NP’s. La incorporación de estas NP’s se confirmó mediante análisis XRD. Utilizando técnicas SEM-EDX, se revela que las membranas con SnO2-C presentaron aglomeraciones más pronunciadas, y ambas mostraron una alta dispersión de las NP’s en su sección transversal. La inclusión de las NP’s redujo la rugosidad de las membranas, mientras que el ángulo de contacto disminuyó adoptando un carácter hidrofílico. Además, se observó una disminución en la porosidad de las membranas. En cuanto al efecto fototérmico, UVA-Vis, las membranas con NP’s SnO2 aumentaron en 0,8°C con respecto al agua mientras que las con SnO2- C no mostraron cambio significativo debido a aglomeraciones, alta dispersión superficial y la activación de NP’s en ese rango. En la desalinización, las membranas blanco y modificadas (flux de 1,81-1,83-1,37 Kg/m2h) se compararon con una comercial (flux de 9,25 Kg/m2h). El efecto fototérmico confirmó el calor localizado en la superficie con aumentos de temperatura de aproximadamente 2°C. Se concluye que, bajo las condiciones actuales, no se confirma que el efecto fototérmico de las NP’s en las membranas mitigue la TP y mejore el rendimiento de desalinización. Se proponen mejoras, como modificar el método de síntesis para enfocarse en la porosidad y distribución de NP’s, implementar métodos para aumentar la hidrofobicidad, ajustar las temperaturas de los flujos para mejorar la fuerza motriz, extender los tiempos de operación y evaluar la desalinización bajo otras longitudes de onda, especialmente luz UVC, basándose en los resultados fototérmicos de las NP’s bajo esa irradiación.