O futuro da dessalinização: usando uma membrana semelhante ao Teflon para purificar a água

A escassez de água é um problema crescente em todo o mundo. Somente na África, estima-se que cerca de 230 milhões de pessoas enfrentarão escassez de água até 2025, com até 460 milhões vivendo em regiões com escassez de água.

A água cobre 70% da Terra, por isso é fácil supor que sempre será abundante. No entanto, a água doce é muito escassa. Uma tecnologia projetada para ajudar a produzir mais água doce são as usinas de dessalinização. A dessalinização da água é o processo de remoção de sal da água do mar para produzir água doce que pode ser processada e usada com segurança. Uma usina de dessalinização converte cerca de metade da água que recebe em água potável.

Embora a dessalinização da água do mar seja uma forma bem estabelecida de produzir água potável, ela tem um alto custo de energia. Pesquisadores filtraram com sucesso o sal da água pela primeira vez usando nanoestruturas à base de flúor. Esses nanocanais fluorados são mais eficazes do que as tecnologias convencionais de dessalinização porque operam mais rapidamente, usam menos pressão, são um filtro mais eficaz e usam menos energia.

Você provavelmente já viu como os ingredientes molhados deslizam sem esforço por uma frigideira antiaderente revestida de Teflon, se você já usou uma. O flúor, um ingrediente leve que é inerentemente repelente à água, ou hidrofóbico, é um componente crucial do Teflon. O teflon também pode ser usado para aumentar o fluxo de água revestindo os tubos com ele. O professor associado Yoshimitsu Itoh , do Departamento de Química e Biotecnologia da Universidade de Tóquio , bem como seus colegas, ficaram intrigados com esse comportamento. Assim, eles se inspiraram para investigar como os dutos ou canais de flúor podem funcionar em uma escala diferente, a nanoescala.

Next Generation Desalination Membrane 777x313 1 - Novo dispositivo purifica a água salgada mais de 1.000 vezes mais rápido que o equipamento industrial padrão
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. Crédito: 2022 Itoh et al.

“Estávamos curiosos para ver a eficácia de um nanocanal fluoroso na filtragem seletiva de diferentes compostos, em particular, água e sal. E, depois de executar algumas simulações de computador complexas, decidimos que valia a pena o tempo e o esforço para criar uma amostra funcional”, 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 requerem muita energia, mas nossos testes sugerem que os nanocanais fluorados requerem pouca energia e também têm outros benefícios.”

Os pesquisadores desenvolveram membranas de filtração de teste fabricando quimicamente anéis de flúor nanoscópicos que foram empilhados e implantados em uma camada lipídica impenetrável, semelhante às moléculas orgânicas encontradas nas paredes das células. Eles desenvolveram várias amostras de teste com nanoanéis que variam em tamanho de 1 a 2 nanômetros. Um cabelo humano tem quase 100.000 nanômetros de largura para comparação. Itoh e seus colegas avaliaram 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 para determinar a eficácia de suas membranas.

“Foi muito emocionante ver os resultados em primeira mão. O menor de nossos canais de teste rejeitou perfeitamente as moléculas de sal recebidas, 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 é conhecido como aglomerados de água, essencialmente grupos de moléculas de água frouxamente ligados, para que eles passem pelos canais mais rapidamente. As membranas de dessalinização de água à base de flúor da equipe são mais eficazes, mais rápidas, requerem menos energia para operar e são feitas para serem muito simples de usar, então qual é o problema?

“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 isso. 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”.

SciTechDaily

Referência: “Permeação de água ultrarrápida através de nanocanais com uma superfície interior densamente fluorada” por Yoshimitsu Itoh, Shuo Chen, Ryota Hirahara, Takeshi Konda, Tsubasa Aoki, Takumi Ueda, Ichio Shimada, James J. Cannon, Cheng Shao, Junichiro Shiomi, Kazuhito V . Tabata, Hiroyuki Noji, Kohei Sato e Takuzo Aida, 12 de maio de 2022, Ciência.
DOI: 10.1126/science.abd0966

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