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Aug 15, 2023

Affrontare il cambiamento climatico con l'aiuto di "Filtri del caffè per molecole"

Luis Francisco Villalobos entra a far parte dell'USC Viterbi, apportando esperienza nella tecnologia di separazione per la transizione energetica e la filtrazione dell'acqua. Luis Francisco Villalobos sta creando nanoporosi dello spessore di un atomo

Luis Francisco Villalobos entra a far parte dell'USC Viterbi, apportando esperienza nella tecnologia di separazione per la transizione energetica e la filtrazione dell'acqua.

Luis Francisco Villalobos sta creando filtri molecolari nanoporosi dello spessore di un atomo incidendo i pori in uno strato di reticolo di grafene, uno strato super sottile di carbonio con una precisa struttura esagonale. Immagine/Joseph G. Manion e Luis Francisco Villalobos.

La tecnologia di separazione è qualcosa di cui molti di noi hanno bisogno solo per affrontare la giornata. Ogni mattina, il nostro fidato filtro per il caffè fa la sua magia, separando il caffè macinato e convertendo l'acqua in quella dose tonificante di energia liquida di cui abbiamo bisogno per funzionare.

Luis Francisco Villalobos è interessato a come questo processo possa essere sfruttato su scala atomica utilizzando membrane avanzate realizzate con materiali efficienti dal punto di vista energetico. Queste membrane all’avanguardia possono garantire la nostra fornitura di acqua potabile, catturare elementi preziosi dai prodotti di scarto e favorire la transizione verso l’energia pulita.

A gennaio, entra a far parte del Dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali della famiglia Mork come professore assistente, aumentando la capacità del dipartimento nella tecnologia di separazione per aiutare la filtrazione dell'acqua e le tecniche di mitigazione dell'inquinamento come la cattura del carbonio.

Villalobos ha affermato che metà dell'energia spesa dall'industria chimica va nel processo industriale di separazione.

“La mia opinione personale è che questo numero non potrà che aumentare perché i materiali critici – come acqua, litio, nichel e altri metalli – sono stressati a livelli per cui abbiamo bisogno di migliori tecnologie di separazione, in modo da poter massimizzare il loro recupero”, ha affermato.

Villalobos spera di invertire questa tendenza ad alta intensità di carbonio sviluppando membrane supersottili con proprietà dei materiali altamente controllate per creare un processo di separazione modulare ed efficiente dal punto di vista energetico.

“È come un filtro per il caffè: il filtro lascia passare l'acqua ma trattiene i chicchi di caffè. Questa è una separazione che possiamo vedere. Ma la separazione a cui mi rivolgo è a livello molecolare: separare una molecola da un'altra in un flusso", ha detto Villalobos.

Una delle applicazioni industriali più comuni della separazione su scala molecolare è la membrana ad osmosi inversa utilizzata per la desalinizzazione e la filtrazione dell'acqua. Villalobos sta sviluppando una tecnologia per questa applicazione, nonché per la cattura e lo stoccaggio del carbonio e il recupero di materiali preziosi da liquidi di scarto come salamoia, sterili di miniera e acqua prodotta, l'acqua salata naturale che esce dalla terra come rifiuto prodotto derivante dalla produzione di petrolio e gas.

"Stiamo prendendo un flusso di rifiuti e estraendone qualcosa di prezioso, in modo da poter aumentare la disponibilità di queste risorse che stanno diventando sempre più scarse con il tempo", ha affermato Villalobos.

Un esempio chiave di un prodotto disponibile nei flussi di rifiuti è il litio, un materiale sempre più importante per l’elettronica e lo stoccaggio delle batterie. Il litio è abbondante nell’oceano ma è molto difficile da estrarre in modo efficiente dal punto di vista energetico.

"Dobbiamo trovare modi migliori per estrarre il litio da fonti conosciute, ma anche trovare altre fonti da cui tradizionalmente non lo estraiamo", ha detto Villalobos. “L’acqua prodotta esce dai giacimenti petroliferi e devono farci qualcosa. Mentre attraversa le rocce della terra, contiene molti metalli, incluso il litio. Quindi questa è una potenziale fonte.

Professore assistente presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Scienza dei Materiali della Famiglia Mork Luis Francisco Villalobos.

La tecnologia a membrana all’avanguardia che Villalobos sta sviluppando è nota come filtro molecolare nanoporoso dello spessore di un atomo. Lavora con il grafene, uno strato di carbonio dello spessore di un singolo atomo, perfettamente disposto secondo uno schema esagonale. Uno strato di grafene incontaminato ha una struttura atomica molto stretta che non consente il passaggio delle molecole.

"Ma se riusciamo a praticare molti fori precisi su questi materiali spessi un atomo, allora possiamo realizzare membrane molto efficienti dal punto di vista energetico", ha detto Villalobos. “In genere, l’energia che dobbiamo spendere per spostare le molecole da un lato all’altro di una membrana è proporzionale allo spessore della nostra membrana. Questi materiali sono quanto di più sottile si possa immaginare”.