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Membranas de filtração para pressões de 100 bar ou maiores

Usado em membranas de filtração, material ultrafino pode ajudar a tornar a dessalinização mais produtiva

 

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Uma simples folha de grafeno, compreendendo um arranjo de carbono da espessura de um átomo, pode parecer bem frágil. Porém, engenheiros no MIT descobriram que o material ultrafino é excepcionalmente robusto, permanecendo intacto sob pressões aplicadas de no mínimo 100 bar. Isso equivale a cerca de 20 vezes a pressão produzida por uma típica torneira de cozinha.

Os pesquisadores descobriram que, a chave para suportar essas altas pressões, é casar o grafeno com um fino substrato suporte que é perfurado com pequenos furos, ou poros. Quanto menores os poros do substrato, mais resiliente é o grafeno sob alta pressão.

Rohit Karnik, um professor associado no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT, disse que os resultados da equipe, relatados na revista científica Nano Letters de 24 de abril, servem como um guia para projetar membranas resistentes com base no grafeno, para aplicações tais como dessalinização, onde as membranas filtrantes devem suportar vazões de alta pressão para remover o sal da água de modo eficiente.

“Estamos mostrando aqui que o grafeno tem o potencial de ampliar os limites da separação por membranas a alta pressão”, disse Karnik. “Se membranas com base no grafeno podem ser desenvolvidas para dessalinização a alta pressão, abrem-se muitas possibilidades interessantes para dessalinização eficiente em energia para altas salinidades”.

Além de Karnik, os coautores da pesquisa são o pós doutor do MIT Luda Wang, o ex-estudante da graduação Christopher Williams, o ex-estudante da pós graduação Michael Boutilier, e o pós doutor Piran Kidambi.

Estresse na água

As membranas existentes dessalinizam a água via osmose reversa, um processo pelo qual pressão é aplicada em um lado de uma membrana contendo água salgada, para empurrar a água através da membrana enquanto o sal e outras moléculas são impedidas de passar.

Muitas membranas comerciais dessalinizam a água sob pressões aplicadas de cerca de 50 a 80 bar, acima da qual elas tendem a se compactar ou ter a performance prejudicada. Se as membranas forem capazes de resistir a altas pressões, de 100 bar ou maiores, elas possibilitarão uma dessalinização mais efetiva recuperando mais água doce. Membranas de alta pressão poderão também ser capazes de purificar água extremamente salgada, como a salmoura resultante da dessalinização, que é tipicamente muito concentrada para que as membranas extraiam a água pura dela.

“Está bem claro que o estresse nas fontes de água não se resolverá tão cedo, e a dessalinização forma uma fonte principal de água doce”, disse Karnik. “A osmose reversa está entre os meios mais eficientes de dessalinização em termos de energia. Se as membranas puderem operar a pressões maiores, isso permitirá maior recuperação de água com alta eficiência energética”.

Experimentos

Karnik e os seus colegas configuraram experimentos para ver até que ponto eles poderiam forçar o limite de pressão do grafeno. Simulações prévias previram que o grafeno, colocado em suportes porosos, pode permanecer intacto sob alta pressão. Contudo, até agora, nenhuma evidência experimental direta deu base a essa previsão.

Os pesquisadores criaram folhas de grafeno usando a técnica chamada deposição química em fase vapor (ver vídeo), e depois colocaram camadas simples de grafeno em folhas finas de policarbonato poroso. Cada folha foi projetada com poros de um tamanho particular, variando de 30 nanômetros até 3 micra em diâmetro.

 

 

Para medir a robustez do grafeno, os pesquisadores se concentraram no que chamaram de “micromembranas” – as áreas do grafeno que estão suspensas sobre os poros do substrato, similar a uma fina tela colocada sobre os furos de um queijo suíço.

A equipe colocou a membrana grafeno-policarbonato no meio de uma câmara, onde, na metade superior da mesma, foi injetado gás argônio, usando um regulador de pressão para controlar a pressão e a vazão do gás. Os pesquisadores também mediram a vazão do gás na parte inferior da câmara, raciocinando que qualquer aumento da vazão na metade inferior da câmara indicaria que partes da membrana de grafeno falharam, ou romperam, devido à pressão criada na metade superior da câmara.

Aumentando a pressão

Eles descobriram que o grafeno, colocado sobre poros com abertura de 200 nanômetros ou menores, resistiram a pressões de 100 bar – quase duas vezes a pressão comumente encontrada em dessalinização. Com a diminuição do tamanho dos poros do substrato, os pesquisadores observaram um aumento do número de micromembranas que permaneceu intacto. Karnik disse que esse tamanho de poro é essencial para determinar a robustez do grafeno.

“O grafeno é como uma ponte suspensa, e a pressão aplicada é como as pessoas que estão naquela ponte”, Karnik explica. “Se cinco pessoas podem ficar em uma ponte curta, aquele peso, ou pressão, está OK. Mas se a ponte, feita com o mesmo cabo, é suspensa sobre uma distância maior, ela sofre mais tensão, porque um maior número de pessoas está sobre ela”.

Projeto poroso

“Mostramos que o grafeno pode resistir a alta pressão”, disse o autor principal Luda Wang. “A outra parte que precisa ser mostrada em larga escala é, pode dessalinizar?”.

Em outras palavras, pode o grafeno tolerar altas pressões enquanto filtra seletivamente água da água do mar? Como um primeiro passo na direção dessa resposta, o grupo fabricou um grafeno nanoporoso para servir como um filtro de grafeno bem simples. Os pesquisadores usaram uma técnica que tinham desenvolvida previamente para estampar poros de tamanho nanométrico em folhas de grafeno. Então eles submeteram essas folhas a pressões crescentes.

No geral, eles descobriram que vincos no grafeno têm muito a ver com o rompimento ou não das micromembranas, independentemente da pressão aplicada. Partes do grafeno poroso que se encontravam sobre vincos falharam ou romperam, mesmo a pressões baixas da ordem de 30 bar, enquanto aquelas sem vincos permaneceram intactas a pressões de até 100 bar. E, novamente, quanto menores os poros do substrato, maior a probabilidade das micromembranas no grafeno poroso sobreviverem, mesmo em regiões vincadas.

“Como um todo, este estudo nos diz que uma camada simples de grafeno tem o potencial de resistir a pressões extremamente altas, e 100 bar não é o limite – é confortável em um sentido, enquanto os tamanhos dos poros no qual o grafeno se assenta são suficientemente pequenos”, disse Karnik. “O nosso estudo fornece as diretrizes de como projetar membranas e suportes para diferentes aplicações e faixas de pressão”.

Parte desta pesquisa foi apoiada pelo MIT Energy Initiative e pelo Departamento de Energia dos EUA.

Fonte: MIT – Massachusetts Institute of Technology, adaptado por Portal Tratamento de Água – www.tratamentodeagua.com.br