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Filtração de água sem membranas usando CO2

Pesquisadores de Princeton desenvolveram um sistema de dióxido de carbono para filtração de água de baixo custo

 

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A mesma tecnologia que faz os refrigerantes borbulharem pode ser usada agora para remover partículas da água suja. Pesquisadores na Universidade de Princeton descobriram uma técnica para usar o dióxido de carbono em um sistema de tratamento de água de baixo custo, que elimina a necessidade de filtros caros e complexos.

O sistema injeta CO2 gás em uma corrente de água como método de remover as partículas. O gás, que se mistura com a água em um sistema de canais, muda temporariamente a química da água. As mudanças químicas fazem com que as partículas contaminantes, dependendo da sua carga elétrica, se movam para um lado do canal. Tirando vantagem dessa migração, os pesquisadores conseguiram dividir a corrente de água e remover as partículas suspensas.

“Você pode potencialmente usar isso para limpar a água de uma lagoa ou de um rio que tenha bactérias e partículas de sujeira”, disse Sangwoo Shin, um professor assistente de engenharia mecânica na Universidade do Havaí em Manoa. Shin, o autor principal de um paper que descreve o processo, realizou a pesquisa como pesquisador de pós-doutoramento no laboratório de Howard Stone, professor de engenharia mecânica e aeroespacial em Princeton.

 

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Em um paper publicado no dia 2 de maio na revista científica Nature Communications, os pesquisadores descrevem como eles construíram um filtro em escala laboratorial que remove partículas com uma eficiência três ordens de grandeza maior (1.000 vezes) do que os sistemas de microfiltração convencionais. O sistema é de baixa energia, sendo o dióxido de carbono engarrafado a única parte móvel (juntamente com a bomba responsável pela vazão), e não possui nenhum filtro físico ou membrana que venham a entupir ou que precisem ser substituídos.

Separação elétrica

O dióxido de carbono altera a química da água tornando-a levemente mais ácida: o gosto azedo do ácido carbônico é familiar na maioria dos refrigerantes, e a sua ausência é a razão pelo gosto desagradável dos refrigerantes sem gás. Em termos químicos, a acidez significa que quando o CO2 se dissolve na água ele cria partículas carregadas chamadas íons. Um desse íons, um átomo de hidrogênio carregado positivamente, se move muito rapidamente pela solução de água. Outro, uma molécula de bicarbonato carregada negativamente, se move mais lentamente. O movimento dos íons pela água cria um campo elétrico sutil; esse campo atrai as partículas na água – as quais têm as suas próprias cargas negativas ou positivas – em direção a um lado da corrente de água.

Porque a maioria dos contaminantes tem alguma quantidade de carga superficial, o campo elétrico é um modo efetivo de filtrá-los da água. O dispositivo dos pesquisadores se aproveita da vantagem dessa separação elétrica atraindo os contaminantes para um lado do fluxo e então dividindo a água em dois canais. Um caminho carrega a água que contém as partículas contaminantes e o outro leva a água limpa. Como o sistema não tem membranas ou filtro mecânico, o entupimento não é um problema.

Gradiente de salinidade

Para manter o campo elétrico, os pesquisadores precisaram deixar os íons se movendo pelos canais de água. Eles conseguiram isso fazendo as paredes do canal de um material que é permeável ao dióxido de carbono, nesse caso borracha de silicone (polidimetilsiloxano). Dióxido de carbono pressurizado difunde por uma parede do canal e permeia pelo outro lado.

Shin disse que se o canal for fechado, o dióxido de carbono gás pode ser capturado para uso posterior. Quando terminado, o CO2 dissolvido pode ser facilmente removido expondo-se a água ao ar de modo que só contenha níveis normais de dióxido de carbono; não carbonada.

Os cientistas imaginaram a técnica enquanto examinavam o movimento de partículas coloidais em um gradiente de salinidade – um termo para a interface entre corpos de água salgada e doce. Em um gradiente de salinidade, a diferença na química de duas soluções causa pressão nas partículas. Shin disse que os pesquisadores estavam observando o movimento das partículas carregadas na água salgada quando perceberam que o fenômeno poderia ser útil como um filtro.

O sal – cloreto de sódio – não seria útil para a purificação da água pois permaneceria na água após a filtração. Então os pesquisadores pensaram em substituir por dióxido de carbono porque é barato, não perigoso se ingerido por humanos e é tão fácil de remover da água quanto abrir uma lata de refrigerante.

Além da filtração

Os pesquisadores disseram que usar um gás solúvel como método de controlar as partículas em uma solução, pode levar a outras aplicações industriais e científicas além da filtração.

“Esperamos que os princípios explorados nessa pesquisa também venham a causar impacto em outras áreas de pesquisa”, disse Stone.

Shin disse que o sistema de CO2 pode ser particularmente útil no mundo em desenvolvimento já que não requer a instalação e substituição de filtros. A idéia pode ser útil para sistemas portáteis. Tem também um custo relativamente baixo, só precisando de uma fonte de dióxido de carbono engarrafado para usar.

“É definitivamente capaz de aumentar a escala para cem litros por hora, o que atende o padrão de uma residência”, disse Shin.

Outro uso poderia ser como um suplemento à planta de dessalinização. Muitos tipos de dessalinização usam membranas para para filtrar as moléculas de sal, mas as partículas biológicas incluindo vírus e bactérias são capazes de passar pelas membranas. Shin disse que o sistema de dióxido de carbono poderia filtrar essas partículas antes ou depois da água passar pela membrana de dessalinização, reduzindo a necessidade de tratar a água com químicos tais como o cloro.

Aumento da escala

Shin está trabalhando agora em métodos para aumentar a escala do sistema para um possível uso em estações de tratamento de água para atender comunidades maiores. Ele disse que a ciência básica funciona, porém, uma engenharia adicional é necessária para criar um filtro de dióxido de carbono de larga escala.

“No Havaí, temos um problema com a água doce”, ele disse. “Esperamos aumentar a escala do dispositivo para resolvê-lo”.

Além de Shin e Stone, a equipe de pesquisadores inclui Orest Shardt, professor na Universidade de Limerick na Irlanda; e Patrick Warren da Unilever. O apoio do projeto foi fornecido em parte pela Unilever Research e pelo Natural Sciences and Engineering Research Council do Canadá.

Fonte: Princeton University, adaptado por Portal Tratamento de Água – www.tratamentodeagua.com.br