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Es un material coloidal, similar al gel, en el cual el componente líquido es cambiado por un gas, obteniendo como resultado un sólido de muy baja densidad, 3 mgr/cm3 o 3 kg/m3

Agua con nanocarbono

Pascual Bolufer, AECC18/07/2016
La importancia del tema salta a la vista: sin agua no hay vida. Los investigadores de Lawrence Illinois National Laboratory, de EE UU han logrado un aerogel de carbono con nanoporos, una espuma de carbono, una membrana con gran superficie, que permite desalinizar el agua marina a un coste menor que el actual, aceptable tal vez incluso para los agricultores. Lo nunca visto. Una técnica denominada Desionización capacitiva (CDI): Se aplica un potencial eléctrico a dos electrodos de carbón poroso, sumergidos en agua de mar. Los aniones, iones y cloruros marinos con carga eléctrica negativa son extraidos del agua y van al electrodo positivo. De igual modo los iones cationes con carga positiva son almacenados en el cátodo, el electrodo negativo.

Recordemos que el intercambio iónico (para cloruros del agua marina) ocurre entre dos electrolitos. Se usa para separar iones. Los intercambiadores de iones suelen contener resinas de intercambio iónico, zeolitas. El intercambio simultáneo de cationes y aniones es más eficiente si se realiza con una mezcla de resinas de intercambio de aniones y cationes.

Algunos ejemplos típicos de iones que se pueden unir a los intercambiadores de iones son los iones H+(protones) y OH- hidróxido, iones monoatómicos con carga eléctrica +1, como sodio+, potasio+, o cloro-. El intercambio iónico es un proceso reversible y el intercambiador se puede regenerar, o cargarlo de nuevo con los iones deseables. Los intercambiadores son ampliamente utilizados para ablandamiento del agua, desalación y descontaminación.

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Planta de desalación por ósmosis inversa en Israel, Ashkelon. Producción anual de 100 millones de m3 de agua potable.

Las resinas de intercambio iónico en forma de finas membranas de intercambio de protones se usan en desalación y en células de combustible. Se elimina la dureza del agua debida al calcio.

Para desionizar el agua de mar ésta pasa por columnas de intercambio de iones. En una columna los cloruros del agua, iones +, son intercambiados por los iones positivos del Hidrógeno+, y en otra columna los iones negativos son intercambiados por iones OH-, el agua salada ha quedado desionizada, agua limpia. Hasta ahora el método se usaba para desalinizar al agua salobre, con una concentración de sales inferior a 10 gr/litro.

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Los embalses no bastan, y el agua no es potable, hay que desionizarla.

La desionización ha sido posible gracias al supercondensador 1450F con nanoporos de carbono de doble capa, que ha mostrado una densidad de energía de más de 10W h/dm3, con un voltaje de célula de 2.7V. El tamaño del poro se puede ajustar para lograr un almacenamiento de energía electroquímica en el supercondensador. El material es carburo de titanio tratado con gas cloro (TiCl4), con una gran superficie de hasta 1.400 m2/gramo, microporoso. Poros son de un tamaño de 6-7 Angstroms, pero hemos logrado que los iones del agua de mar penetren en la matriz del carbono nanoporoso. Con ello hemos conseguido optimizar las características de potencia del supercondensador, gracias al polvo de carbono nanoporoso.

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Los agricultores no pueden usar las desaladoras, su coste es excesivo para el campo.

Hay otras tecnologías para desalar el agua, principalmente la ósmosis inversa, usada en nuestras desaladoras. La CDI es una tecnología muy eficiente, porque mientras la ósmosis inversa extrae el agua marina y deja la sal, la CDI extrae solo los iones, la sal, y no toma el agua. Desde 2004 la CDI es una patente de EE UU. Desde 2004 el CDI ha mejorado con la incorporación de las dos capas eléctricas (EDL) en los electrodos y la membrana de desionización capacitiva, con menor consumo de energía. El agua de mar entra en los poros del electrodo, y CDI se puede usar para desalinizar el agua de mar, no importa la cantidad de sal que contenga. El agua marina tiene unos 30 gramos de sal por litro.

El carbono de los electrodos es poroso, de gran superficie, lo mejor es el carbono activado, económico y de gran superficie, natural o sintético. Otros carbonos de posible uso son: el mesoporo, aerogeles de carbono, nanotubos de carbono, grafeno y carbón negro. Los microporos del electrodo tienen un diámetro inferior a 1,1 nm, son los más eficaces para absorber la sal.

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El nivel del mar ha subido, en la foto restos de un poblado antiguo.

El carbón activado cuesta unos 3 euros/kg. Si es purificado cuesta unos 12 euros/kg, para el supercondensador de carbono, un coste aceptable. El volumen del condensador no es problema, porque la planta desaladora es estática, no móvil. CDI al incorporar la membrana ha disminuido el consumo eléctrico, y es inferior al consumo de la desaladora de ósmosis inversa. El consumo es de 1 kWh/m3. La producción de 1 m3 cuesta 0,2 euros.

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Ósmosis inversa en una desaladora en España.

Geles y aerogeles

El gel es un sistema coloidal donde la fase continua es sólida y la dispersa es líquida. El gel más común es la gelatina comestible. Ciertos geles presentan la capacidad de pasar de un estado coloidal a otro, es decir, permanecen fluidos cuando son agitados, y se solidifican cuando está inmóviles. Reemplazando un líquido con un gas es posible crear aerogeles, con densidad muy baja y alta porosidad y aislante térmico.

El aerogel es una red de manopartículas, que de hecho crean una espuma de baja densidad y gran superficie, excelente para desalación: los aerogeles de nanotubos de carbono y grafeno, con estructura de poros abiertos y un tamaño de poro ajustado. El aerogel es un producto de la química sol-gel, una red 3D, sólida, aerogeles de silicio de muy baja densidad, que podemos ajustar. El proceso sol-gel confiere el control de la composición y estructura a escala nano.

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Cristal de agua

Un aerogel a base de nanotubos de carbono de un solo cilindro es mecánicamente robusto, un buen conductor térmico y eléctrico.

Hay varias clases: Hidrogeles (un polímero hidrófilo, en forma coloidal, en la que el agua es el medio de dispersión), Organogeles, con disolvente orgánico en vez de agua, Xerogeles son un gel sólido, con nanoporos, muy importante en desalación.

Los xerogeles de carbono presentan alta porosidad, alta superficie, y alta conductividad eléctrica. Sirven como material de electrodo para supercondensadores de doble capa.

El aerogel sirve para crear membranas cerámicas para microfiltración y nanofiltración, y en ósmica inversa. Es un material muy poroso, de muy baja densidad. El gel al enfriarlo obtenemos el xerogel.

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Piscicultura marina en Escandinavia.

Los electrodos porosos hacen posible la desalación económica del agua de mar. El caso más notable es el aerogel de grafeno, el material más liviano jamás conocido, con una densidad de 0,16 miligramos/cm3, tan ligero que puede colocarse el aerogel sobre una flor natural sin dañarla. Podemos fabricar una espuma de nanotubos de carbono de una densidad baja, nunca vista. Una espuma basada en amplias láminas de óxido de grafeno. Una densidad más baja que la del aerografito.

El aerogel de carbono es un material coloidal, similar al gel, en el cual el componente líquido es cambiado por un gas, obteniendo como resultado un sólido de muy baja densidad, 3 mgr/cm3 o 3 kg/m3, altamente poroso y con unas propiedades muy sorprendentes, como su enorme capacidad de aislante térmico. En 2013 en China, la Universidad de Zhejiang logró un aerogel de grafeno de 0,16 mgr/cm3.

Es un material compuesto por 90,5%-99,8% de aire, mil, veces menos denso que el vidrio y unas 3 veces más denso que el aire. Al tacto tiene una consistencia similar a la espuma de poliestireno. Posee un índice de refracción de 1,0 muy bajo para un sólido. La velocidad del sonido a través de él es muy baja, 100 m/s. Tiene una resistencia considerable puesto que soporta 1.000 veces su peso.

En el material nanocerámico la reducción del tamaño del grano cristalino en la pieza óptica, el namoporo, reduce la dispersión de la luz, por debajo de la longitud de onda de la luz visible 500 nm, y resulta una material translúcido y aún transparente.

Referencias

Zarca, J. Intercambio iónico, equilibrio en sistemas multicomponentes. Madrid Facultad de Ciencias Químicas 1989.

Zagorodny A. Ion Exchange Materials: Properties and applications. Elsevier, Amsterdam 2006.

Arenillas, A. Obtención de xerogeles orgánicos de porosidad controlada. Patente española 2009.

Hernández, A.S. Temperatura y velocidad de calentamiento en la carbonización de xerogeles de carbono. Grupo español del carbón. Badajoz 2011.

Calvo, E.G. Journal of colloid and interface. Science 357,541, 2011.

Fernández, P.S. Journal of solid state electrochemistry, 16, 1067, 2012.

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