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Purificação solar de água com filtro nanocompósito fotocatalítico à base de nanofios de TiO 2 e nanotubos de carbono

Resumo

Purificação solar de água  – A contaminação da água devido às condições ambientais e à má gestão de resíduos em certas áreas do mundo representa um sério problema no acesso à água potável limpa e segura. Este problema é especialmente crítico em regiões pobres em eletricidade, onde métodos avançados de purificação de água estão ausentes. Aqui, demonstramos que filtros fotocatalíticos baseados em nanofios de dióxido de titânio (TiO 2 NWs) assistidos apenas com luz solar podem descontaminar a água com eficiência. Além disso, entrelaçando TiO 2 NWs com nanotubos de carbono (CNTs) leva à formação de um TiO 2Material compósito NWs/CNTs e oferece um canal adicional de descontaminação de água, que é de pasteurização com a parte visível do espectro de emissão solar. Nossos resultados demonstram que este filtro nanoporoso pode interceptar com sucesso vários tipos de patógenos microbianos, incluindo bactérias e grandes vírus. Além disso, espécies reativas de oxigênio (ROS) geradas fotocataliticamente na superfície do material filtrante à base de TiO 2 NWs/CNTs sob exposição à luz solar contribuem para a remoção eficiente de uma ampla gama de compostos orgânicos e micróbios infecciosos. Um estudo piloto também produziu resultados encorajadores na redução de vestígios de drogas e pesticidas na água potável.

Introdução

O acesso universal à água potável limpa e segura é essencial para a vida. Desde 1990, nos países emergentes, a qualidade da água melhorou notavelmente devido ao crescimento econômico e ao progresso tecnológico. No entanto, ainda hoje, inúmeras localidades em todo o mundo estão constantemente expostas a riscos de contaminação e ainda sofrem com a falta de infraestrutura sanitária. Segundo a Organização Mundial da Saúde (OMS) , pelo menos 1,8 bilhão de pessoas, principalmente nas áreas rurais, consomem água contaminada com fezes. De acordo com o Fundo das Nações Unidas para a Infância (UNICEF), um número estimado de 1.800 crianças morrem todos os dias (diarréia) por causa do abastecimento de água inseguro.

A OMS relata que, até 2040, uma grande parte do mundo sofrerá estresse hídrico em relação aos recursos de água potável dramaticamente insuficientes. Por esta razão, a mesma fonte prevê uma crise global no que diz respeito ao acesso universal à água potável limpa e segura.

Este problema pode ser especialmente grave em países onde a infraestrutura sanitária não está instalada ou interrompida (por exemplo, em áreas remotas, rurais ou afetadas pela guerra), bem como em comunidades carentes de energia elétrica, onde a execução de métodos avançados de purificação não é factível. Sob tais circunstâncias, as pessoas são forçadas a beber água contaminada por fezes , parasitas, bactérias nocivas com risco de vida , vírus , etc. que poderia causar não só dor de estômago, febre, dor de cabeça, diarréia dolorosa e fadiga, mas até mesmo a morte, como no caso da Legionella Pneumophilainfecção. É então importante encontrar uma maneira simples e eficiente de eliminá-los para fornecer água potável limpa, segura e acessível de maneira econômica.

Uma das soluções possíveis seria fazer uso do tratamento fotocatalítico da água combinando a luz solar com formas em nanoescala de dióxido de titânio (TiO 2 ). Na verdade, esta abordagem para a descontaminação da água tem sido extensivamente investigada desde 1985 . O TiO 2 é um semicondutor de banda larga, que absorve eficientemente a parte ultravioleta (UV) do espectro da luz solar. Para aplicações fotocatalíticas típicas, devido à sua grande área de superfície específica, as formas nanométricas de TiO 2 , por exemplo, nanopartículas de TiO 2 (TiO 2 NPs) ou TiO 2nanofios (TiO 2 NWs), são de particular importância.

Os pares elétron-buraco induzidos pelos fótons UV absorvidos difundem-se para a superfície de TiO 2 NPs ou TiO 2 NWs, onde, em contato com moléculas de água e oxigênio, são produzidas espécies reativas de oxigênio (EROs). No ambiente aquático este mecanismo fotocatalítico gera vários tipos de EROs, sendo os mais importantes: radical hidroxila (OH . ), ânion radical superóxido (O 2 .− ), peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ) e oxigênio singlete ( 1 Δg ). Por sua vez, as ROS se formaram na superfície do TiO 2 foto-excitadoAs NPs, antes de se decomporem, podem atacar e reagir prontamente com contaminantes orgânicos e patógenos, se houver algum nas imediações.

Assim, devido à alta área superficial específica das nanopartículas fotocatalíticas, sua eficiente fotogeração de EROs, bem como grande superfície de contato e interações diretas, os sistemas fotocatalíticos baseados em nanopartículas de TiO 2 fornecem uma poderosa estratégia de desinfecção contra microorganismos e patógenos transmitidos pela água.

No entanto, apesar do potencial significativo e muitas vantagens de tal abordagem, nenhum dispositivo baseado em titânio fotocatalítico acionado por luz solar foi elaborado até o momento. A situação atual pode ser explicada em parte pelas complicações técnicas, que estão diretamente relacionadas à forma de nanopartículas de titânia. Mais especificamente, em reatores do tipo slurry, após ciclos fotocatalíticos completos, é difícil coletar e reciclar TiO 2 NPs (20-100 nm de tamanho), que são dispersos em suspensão contendo os poluentes.

Para superar esse problema, diferentes técnicas de imobilização de NPs de TiO 2 em vários tipos de substratos foram desenvolvidas. No entanto, as NPs de TiO 2 imobilizadas na forma de filmes finos compactos e revestimentos porosos geralmente revelam instabilidades mecânicas e estruturais, pois os depósitos pulverulentos tendem a se desprender e desmoronar expostos à ação de forças de atrito e cisalhamento mesmo fracas.

Neste sentido, relatamos o projeto e caracterização de um filtro de água fotocatalítico altamente eficiente e durável, que é baseado em um material nanocompósito constituído por nanofios de dióxido de titânio (TiO 2 NWs) e nanotubos de carbono (CNTs).

O dispositivo tem uma configuração muito simples (planar), em que a água contaminada passa por um material filtrante multicamadas, os patógenos ficam presos na superfície do filtro, enquanto o componente UV da luz solar, sendo fortemente absorvido pelo TiO 2 NWs, gera ROS. Portanto, além da retenção mecânica de patógenos, os ROS foto-ativados atacam e matam diversas espécies patogênicas, incluindo bactérias e germes, levando a uma descontaminação da água ainda mais eficiente. Além disso, a implementação de NTCs no compósito aqui desenvolvido contribui para aumentar a ação fotocatalítica sob exposição à luz solar. Especialmente, os NTCs eletricamente condutores absorvem um amplo espectro da radiação solar, que aquece o material do filtro e, assim, fornece um canal adicional para desinfecção da água via pasteurização [ 16 , 17 ].

Para melhorar ainda mais as propriedades fotocatalíticas do material filtrante compósito aqui elaborado, propusemos também combinar o compósito TiO 2 NWs/CNTs com nanopartículas de ouro (AuNPs). A questão da incorporação de AuNPs na estrutura do material filtrante e sua influência nas propriedades fotocatalíticas resultantes é discutida de forma mais completa na parte final deste estudo (Resumo).

Em resumo, este estudo (Purificação solar de água) relata um método sintético adaptado para preparar um purificador solar de água, seus componentes ativos básicos, bem como sua caracterização completa em termos de fotogeração de ROS – para a remoção de um amplo espectro de produtos químicos tóxicos e patógenos da água potável.

Autores: E. Horváth, J. Gabathuler, G. Bourdiec, E. Vidal-Revel, M. Benthem Muñiz, M. Gaal, D. Grandjean, F. Breider, L. Rossi, A. Sienkiewicz e L. Forró.

 

Purificação solar de água