Estudio molecular de la polarización de la concentración en la nanofiltración de agua de mar

Abstract

El estudio del transporte de fluidos en contacto con estructuras de dimensiones por debajo de los 100 nm, conocido como nanofluídica, ha despertado un gran interés en los últimos años motivado por una nueva generación de dispositivos tales como sistemas de “lab on a chip”, sensores ultra sensibles y manipuladores de ADN. Sin embargo, no solo sistemas ligados a la nanotecnología podrían tomar ventaja de un conocimiento fundamental de los fluidos bajo confinamiento nanoscópico: Un área clásica que se beneficiaría enormemente de los avances de la nanofluídica es la tecnología de filtración usando membranas semipermeables. Esta técnica de separación ha mostrado progresos importantes en la desalinización de agua, específicamente utilizando osmosis inversa y nanofiltración; sin embargo, la eficiencia de estos procesos se ve mermada por el ensuciamiento inorgánico y la polarización de la concentración. En esta tesis se estudia el fenómeno de la polarización de la concentración a nivel molecular utilizando simulaciones atomísticas de Dinámica Molecular de No Equilibrio. Las simulaciones que fueron realizadas en “The Ohio Supercomputer Center” describen el flujo electrosmótico y el flujo Poiseuille de una solución electrolítica con concentraciones de iones similiares a la del agua de mar a través de un nanocanal cerámico de sílice. Las especies en el sistema fueron modeladas utilizando potenciales previamente calibrados y las interacciones electrostáticas fueron computadas utilizando una técnica modificada de Smooth Particle Mesh Ewald (SPME). Las cargas eléctricas de la superficie fueron manipuladas para reproducir la densidad de carga eléctrica de la sílice correspondiente a la concentración de la solución salina. Además, se estudian tres propuestas para la mitigación de la polarización de la concentración en superficies polarizables en contacto con agua de mar. En partícular, se propone generar vorticidad induciendo cambios en las velocidades de flujo en zonas localizadas de la interfase sólido-líquido implementando (i) un electrodo de superficie contracargado, (ii) un parche de sílice amorfa hidrofobizada y (iii) grafeno multicapa