Uma membrana rápida, eficiente e seletiva para purificar água salgada
A escassez de água é um problema crescente em todo o mundo. A dessalinização da água do mar é um método estabelecido para produzir água potável, mas vem com enormes custos de energia. Pela primeira vez, os pesquisadores utilizam nanoestruturas à base de flúor para filtrar com sucesso o sal da água. Em comparação com os métodos atuais de dessalinização, esses nanocanais fluorados funcionam mais rápido, exigem menos pressão, energia e são um filtro mais eficaz.
Nanotubos fluorados. Reduzir a energia e, portanto, o custo financeiro, bem como melhorar a simplicidade da dessalinização da água, pode ajudar comunidades em todo o mundo com pouco acesso à água potável. © 2022 Itoh et al.
Se você já cozinhou com uma frigideira antiaderente revestida com teflon, provavelmente já viu a maneira como os ingredientes molhados deslizam facilmente. Isso acontece porque o componente chave do Teflon é o flúor, um elemento leve que é naturalmente repelente à água ou hidrofóbico. O teflon também pode ser usado para revestir as tubulações para melhorar a vazão de água. Tal comportamento chamou a atenção do professor associado Yoshimitsu Itoh, do Departamento de Química e Biotecnologia da Universidade de Tóquio e sua equipe. Isso os inspirou a explorar como as tubulações ou canais feitos de flúor podem operar em uma escala muito diferente, a nanoescala.
“Estávamos curiosos, para ver a eficácia de um nanocanal fluorado na filtração seletiva de diferentes compostos, em particular, água e sal. E, depois de executar algumas simulações complexas no computador, decidimos que valia a pena o tempo e o esforço para criar uma amostragem de trabalho”, disse Itoh. “Existem duas maneiras principais de dessalinizar a água atualmente: termicamente, usando o calor para evaporar a água do mar para que ela se condense como água pura, ou por osmose reversa, que usa pressão para forçar a água através de uma membrana que bloqueia o sal. Ambos os métodos exigem muita energia, mas nossos testes sugerem que os nanocanais fluorados exigem pouca energia e também possuem outros benefícios.”
A equipe criou membranas de filtração de teste, sintetizando quimicamente anéis de flúor nanoscópicos, que foram empilhados e incorporados em uma camada lipídica impermeável, semelhante às moléculas orgânicas que compõem as paredes das células. Eles criaram várias amostras de teste com nanoanéis entre 1 e 2 nanômetros. Como referência, um cabelo humano tem quase 100.000 nanômetros de largura. Para testar a eficácia de suas membranas, Itoh e a equipe mediram a presença de íons de cloro, um dos principais componentes do sal, o outro sendo o sódio, em ambos os lados da membrana de teste.
“Foi muito emocionante ver os resultados em primeira mão. O menor de nossos canais de teste rejeitou perfeitamente as moléculas de sal de entrada, e os canais maiores também foram uma melhoria em relação a outras técnicas de dessalinização e até mesmo filtros de nanotubos de carbono de ponta”, disse Itoh. “A verdadeira surpresa para mim foi a rapidez com que o processo ocorreu. Nossa amostra funcionou milhares de vezes mais rápido do que os dispositivos industriais típicos e cerca de 2.400 vezes mais rápido do que os dispositivos experimentais de dessalinização, baseados em nanotubos de carbono.”
Como o flúor é eletricamente negativo, ele repele íons negativos, como o cloro encontrado no sal. Mas um bônus adicional dessa negatividade é que ela também quebra o que são conhecidos como aglomerados de água (water clusters), grupos de moléculas de água frouxamente ligados, para que elas passem mais rapidamente pelos canais. As membranas de dessalinização de água à base de flúor da equipe, são mais eficazes, rápidas, exigem menos energia para operar e são feitas para sua utilização ser bem simples.
“Atualmente, a maneira como sintetizamos nossos materiais é relativamente intensiva em energia, no entanto isso é algo que esperamos melhorar em pesquisas futuras. E, dada a longevidade das membranas e seus baixos custos operacionais, os custos gerais de energia serão muito menores do que com os métodos atuais”, disse Itoh. “Outras medidas que desejamos tomar são, é claro, aumentar esta escala. Nossas amostras de teste eram nanocanais únicos, mas com a ajuda de outros especialistas, esperamos criar uma membrana com cerca de 1 metro de diâmetro em vários anos. Paralelamente a essas preocupações de fabricação, também estamos explorando se membranas semelhantes podem ser usadas para reduzir o dióxido de carbono ou outros resíduos indesejáveis liberados pela indústria”.
Fonte: Universidade de Tóquio / Water Online
Adaptado por Digital Water
