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Aug 15, 2023

Afrontar el cambio climático con la ayuda de "filtros de café para moléculas"

Luis Francisco Villalobos se une a USC Viterbi, aportando experiencia en tecnología de separación para transición energética y filtración de agua. Luis Francisco Villalobos crea nanoporos del espesor de un átomo

Luis Francisco Villalobos se une a USC Viterbi, aportando experiencia en tecnología de separación para transición energética y filtración de agua.

Luis Francisco Villalobos está creando filtros moleculares nanoporosos del espesor de un átomo grabando poros en una capa de red de grafeno, una capa súper delgada de carbono con una estructura hexagonal precisa. Imagen/Joseph G. Manion y Luis Francisco Villalobos.

La tecnología de separación es algo que muchos de nosotros necesitamos para afrontar el día. Cada mañana, nuestro confiable filtro de café hace su magia, separando el café molido y convirtiendo el agua en esa dosis tonificante de energía líquida que necesitamos para funcionar.

Luis Francisco Villalobos está interesado en cómo se puede aprovechar este proceso a escala atómica utilizando membranas avanzadas fabricadas con materiales energéticamente eficientes. Estas membranas de vanguardia pueden asegurar nuestro suministro de agua potable, capturar elementos valiosos de los productos de desecho y ayudar en la transición a energía limpia.

En enero, se une al Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Familia Mork como profesor asistente, impulsando la capacidad del departamento en tecnología de separación para ayudar a la filtración de agua y las técnicas de mitigación de la contaminación, como la captura de carbono.

Villalobos afirmó que la mitad de la energía que gasta la industria química se destina al proceso industrial de separación.

"Mi opinión personal es que este número sólo aumentará porque los materiales críticos, como el agua, el litio, el níquel y otros metales, están sometidos a niveles en los que necesitamos mejores tecnologías de separación, para que podamos maximizar su recuperación", dijo.

Villalobos espera revertir esta tendencia intensiva en carbono mediante el desarrollo de membranas súper delgadas con propiedades de materiales altamente controladas para crear un proceso de separación modular y energéticamente eficiente.

“Es como un filtro de café: el filtro deja pasar el agua pero retiene los granos de café. Esta es una separación que podemos ver. Pero la separación a la que me refiero es a nivel molecular: separar una molécula de otra en una corriente”, dijo Villalobos.

Una de las aplicaciones industriales más comunes de la separación a escala molecular es la membrana de ósmosis inversa utilizada para la desalinización y filtración de agua. Villalobos está desarrollando tecnología para esta aplicación, así como para la captura y almacenamiento de carbono, y la recuperación de materiales valiosos a partir de líquidos residuales como salmuera, relaves mineros y agua producida (el agua salina natural que sale de la tierra como residuo). Producto de la producción de petróleo y gas.

"Estamos tomando un flujo de residuos y extrayendo algo valioso de él, para que podamos mejorar la disponibilidad de estos recursos que se están volviendo cada vez más escasos con el tiempo", dijo Villalobos.

Un ejemplo clave de un producto disponible en los flujos de desechos es el litio, un material cada vez más importante para la electrónica y el almacenamiento de baterías. El litio abunda en el océano y, sin embargo, es muy difícil extraerlo de forma energéticamente eficiente.

"Necesitamos encontrar mejores formas de extraer litio de fuentes conocidas, pero también encontrar otras fuentes de las que tradicionalmente no lo extraemos", dijo Villalobos. “El agua producida proviene de yacimientos de petróleo y es necesario hacer algo con ella. A medida que atraviesa las rocas de la tierra, contiene muchos metales, incluido el litio. Entonces esa es una fuente potencial”.

Profesor Asistente del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Familia Mork Luis Francisco Villalobos.

La tecnología de membrana de vanguardia que está desarrollando Villalobos se conoce como filtro molecular nanoporoso de espesor de un átomo. Trabaja con grafeno, una capa de carbono del espesor de un solo átomo, perfectamente dispuesta en un patrón hexagonal. Una capa prístina de grafeno tiene una estructura atómica muy estrecha que no permite el paso de las moléculas.

"Pero si logramos perforar muchos agujeros precisos en estos materiales del espesor de un átomo, entonces podremos fabricar membranas muy eficientes energéticamente", dijo Villalobos. “Normalmente, la energía que necesitamos gastar para mover moléculas de un lado al otro de una membrana es proporcional al grosor de nuestra membrana. Estos materiales son tan delgados como parece”.

Los poros se pueden grabar exponiendo la red de grafeno a un agente, generalmente una molécula basada en oxígeno, como el ozono. Este agente reacciona con la red de grafeno para grabar un nanoporo.

Villalobos dijo que las membranas de nanoporos de espesor atómico son atractivas para la investigación y la industria porque el grafeno es un material muy estable que puede soportar ambientes químicos hostiles y puede enfrentar diversos desafíos de separación.

“Como controlamos los poros, podemos hacer un cierto grabado para una cierta separación”, dijo Villalobos. "Por ejemplo, si queremos recuperar litio de la salmuera, podemos grabar nanoporos que permitan el paso del litio pero rechacen las otras moléculas presentes en la corriente".

Villalobos investigará cómo mejorar la eficacia del grabado de nanoporos en la membrana de grafeno variando la concentración del agente ozono y controlando la temperatura del material. El objetivo es perforar los poros de la membrana a densidades aún mayores, con un mejor control sobre el tamaño de los poros.

Villalobos dijo que siempre ha sido una persona curiosa. Inicialmente se inspiró para explorar las maravillas de la separación por membranas cuando vio por primera vez cómo los sistemas de ósmosis inversa pueden convertir el agua salada en agua dulce potable.

"Incluso ahora, no entendemos completamente por qué funcionan tan bien, por qué logran permitir el paso del agua y rechazan todos los iones presentes en el agua de mar", dijo Villalobos. “Cuando vi este ejemplo en una de mis clases durante mi maestría, me fascinó cómo crear estos filtros que pueden separar moléculas. A partir de ahí, es historia. Llevo más de diez años trabajando con membranas”.

Villalobos llega a la USC Viterbi procedente de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Yale, donde fue investigador postdoctoral de la Fundación Nacional Suiza de Ciencias. Antes de esto, fue investigador postdoctoral en la École Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suiza. Recibió su doctorado. y su maestría en ingeniería química de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah en Arabia Saudita y su licenciatura de la Universidad Nacional Autónoma de México.

Villalobos pronto establecerá su laboratorio de investigación en el Departamento de la Familia Mork, donde también enseñará Introducción a los Procesos de Separación. Villalobos dijo que contratar y orientar a su primer grupo de estudiantes de investigación será un punto destacado.

“Una cosa que me atrae mucho del departamento es el hecho de que combinan la ciencia de los materiales con la ingeniería química porque lo que propongo hacer realmente se ubica entre estas dos áreas”, dijo Villalobos.

“Me encanta investigar con una razón. Me apasionan las aplicaciones a las que nos dirigimos para marcar la diferencia y disminuir la cantidad de energía que gastamos en separaciones. Estoy muy feliz de poder colaborar con expertos en ambas áreas para impulsar el desarrollo de membranas de próxima generación que puedan abordar estos desafíos”, dijo Villalobos.

Publicado el 31 de agosto de 2023

Última actualización el 31 de agosto de 2023