Desalinización de agua mediante membranas de grafeno

Abstract

In this work we analyze the possible development of a new technology for water desalination, we explore the possibilities of a new nano-system that will lead to water desalination with less production cost, addressing the possibility of developing a new nano structured system to obtain a process water desalination, to lower operational cost, this based on conditions of operation of moderate to extreme operating conditions of reverse osmosis. The study consists only of Molecular dynamics simulations, and with these results, we hope to gain a better understanding of what happens at the molecular level in the mass of molecules of water transportation from saline to ion-free water, using capillary forces in a nanostructured system reflecting the processes occurring in a syringe. We propose a system nanostructured similar to a nano-syringe, which uses a membrane of porous Graphene permeable to water molecules, and impermeable to ions and organic pollutants of greater volume to water molecules. The nanostructured system consists of a wall of Graphene, which serve as piston to control the transfer of molecules from one side of the membrane to the other, consisting of a chamber that will contain pure water. In this work we find that actually by capillary forces in nanostructured systems we can achieve the desalination process. Among the results, find the maximum number of molecules that can be transferred at a determined speed of the plunger, and its noteworthy that efficiencies are greater than those obtained by reverse osmosis, although it should be noted that these are ideal fluids. Speeds of plunger between 1 and 20 cm/s are able to desalinate the water, higher speeds there is not sufficient adhesion between the plunger and the fluid to be desalinated, there fore the system fails from a high efficiency.

En este trabajo se analiza el posible desarrollo de una nueva tecnología para los sistemas desalinización, abordando así la posibilidad de desarrollar un nuevo sistema nano estructurado para obtener un proceso desalinización de agua, a menor costo operacional, esto basado en condiciones de operación moderadas con respecto a las condiciones de operación extremas de la osmosis inversa. El estudio consta solamente de simulaciones computacionales basadas en Dinámica Molecular, y con estos resultados pretendemos obtener un mejor entendimiento de lo que pasa a nivel molecular en el transporte másico de moléculas de agua desde una solución salina hasta agua libre de iones usando fuerzas capilares en un sistema nanoestructurado reflejando los procesos que ocurren en una jeringa. Planteamos un sistema nanoestructurado similar a una nano-jeringa, la cual utiliza una membrana de grafeno con poros permeables a moléculas de agua, e impermeables a los iones y contaminantes orgánicos de mayor volumen a las moléculas de agua. El sistema nanoestructurado consta de una pared de grafeno que fungirá como embolo para controlar el trasvase de moléculas de un lado de la membrana al otro, que consiste de una cámara que confinara el fluido puro de agua. En este trabajo encontramos que efectivamente mediante fuerzas capilares en sistemas nanoestructurados se puede lograr el proceso de desalinización. Entre los resultados obtenidos, encontramos la cantidad máxima de moléculas que se pueden trasvasar a una velocidad de embolo determinada, y es de notar que se obtienen eficiencias mayores que las obtenidas por la osmosis inversa, aunque hay que remarcar que estos son fluidos ideales. Velocidades de embolo entre 1 y 20 cm/s logran desalinizar el agua, y en velocidades mas altas no hay adherencia suficiente entre el embolo fluido desalinizado, y el sistema no logra una alta eficiencia, ni siquiera moderada.