Influencia de la estructuración de agua en la interfase sólido – líquido sobre la falla en el proceso de desalinización de capas delgadas salinas

Abstract

Desalination of water with carbon nanostructures presents several challenges. Nanostructures can be used as membranes to be treated similarly as those membranes engaged in current reverse osmosis technology, with the advantage that the interaction with water pollutants little affects the carbon nanostructures forming the membranes. Nanostructures can be used in alternative schemes such as the suction and desalination of water molecules of saline solutions in systems confined through Nano-mechanical devices similar to what happens in a syringe with mobile attachments replicating the behavior of a plunger. These devices have shown that they work well by desalting systems with several layers of salt solutions for speeds up to 10 nm/ns, but the desalination process fails when saline forms a few monolayers. To understand why the desalination of saline solutions with a few water layers failed, we performed a series of Molecular Dynamics simulations of adsorbed water layers on a graphene surface, and measured the density profile, normal and tangential pressure profiles, as well as the profile of the surface tension along the normal axis to the graphene surface. We only study water, since in the previous works we saw that the ions of saline solutions remain far from the nanostructures of graphene. When comparing these profiles with those obtained in a layer of pure water of the same thickness, but under liquid - vapor conditions, we see that in the solid - liquid interface formed by graphene and water monolayers are formed denser than bulk liquid water, which are also very cohesive due to the high interfacial tension obtained.

La desalinización de agua con nanoestructuras de carbono presenta varios desafíos. Las nanoestructuras pueden emplearse como membranas para ocuparse de forma similar a las membranas que se ocupan en la tecnología actual de ósmosis inversa, con la ventaja de que la interacción con los contaminantes del agua afecta poco las nanoestructuras de carbono que forman las membranas. Las nanoestructuras se pueden emplear en esquemas alternativos como son la succión y desalinización de moléculas de agua de soluciones salinas en sistemas confinados a través de dispositivos nano-mecánicos, similares a lo que ocurre en una jeringa con aditamentos móviles replicando el comportamiento de un émbolo. Estos dispositivos han mostrado que funcionan bien desalinizando sistemas con varias capas de soluciones salinas para velocidades hasta 10 nm/ns, pero falla el proceso de desalinización cuando la solución salina forma unas pocas monocapas. Para entender por qué las desalinizaciones de soluciones salinas con unas pocas capas de agua fallan, realizamos una serie de simulaciones de dinámica molecular de capas de agua adsorbidas sobre una superficie de grafeno, y medimos el perfil de densidades, los perfiles de presiones normal y tangencial, así como el perfil de la tensión superficial a lo largo del eje normal a la superficie de grafeno. Sólo estudiamos agua, ya que, en los trabajos previos reportados en la bibliografía, se observa que los iones de las soluciones salinas permanecen alejados de las nanoestructuras de grafeno. Al comparar estos perfiles con aquellos obtenidos en una capa de agua pura del mismo espesor, pero bajo condiciones de líquido – vapor, vemos que en la interfase solido – líquido que forman el grafeno y el agua se forman monocapas más densas que el agua líquida en bulto, las cuales además son muy cohesivas por la alta tensión interfasial obtenida.