Uma membrana de polímero flexível que incorpora nanopartículas de PAF (Platelet Activating Factor) absorve seletivamente quase 100% dos metais, como mercúrio, cobre ou ferro, durante a dessalinização, produzindo água limpa e segura com mais eficiência
Foto: UC Berkeley
Na Universidade da Califórnia, em Berkeley, os químicos descobriram uma maneira para simplificar a remoção de metais tóxicos, como mercúrio e boro, durante a dessalinização para produzir água limpa, enquanto ao mesmo tempo potencialmente capturam metais valiosos, como ouro.
A dessalinização é um processo físico-químico e a retirada de sais da água é apenas uma etapa no processo de produção de água potável, ou água para a agricultura ou indústria, a partir da água do oceano ou de águas residuais. Antes ou depois da remoção dos sais, muitas vezes a água precisa ser tratada para remover o boro, que é tóxico para as plantas, e metais pesados como o arsênico e o mercúrio, que são tóxicos para os humanos. Frequentemente, o processo deixa para trás uma salmoura tóxica que pode ser difícil de descartar.
“As estações de dessalinização ou tratamento de água geralmente requerem uma longa série de sistemas de pré e pós-tratamento de alto custo, pelos quais toda a água deve passar, um por um”, disse Adam Uliana, um estudante de graduação da UC Berkeley que é o primeiro autor de um artigo que descreve a tecnologia. “Mas aqui, temos a capacidade de realizar várias dessas etapas em uma, o que é um processo mais eficiente. Basicamente, você pode implementá-lo em configurações existentes.”
Os químicos da UC Berkeley sintetizaram membranas poliméricas flexíveis, como as usadas atualmente em processos de separação por membrana, mas nanopartículas incorporadas que podem ser ajustadas para absorver íons metálicos específicos – íons de ouro ou urânio, por exemplo. A membrana pode incorporar um único tipo de nanopartícula ajustada, se o metal for recuperado, ou vários tipos diferentes, cada um ajustado para absorver um metal ou composto iônico diferente, se vários contaminantes precisarem ser removidos em uma etapa.
A membrana polimérica atada com nanopartículas é muito estável em água e em altas temperaturas, o que não é verdade para muitos outros tipos de absorvedores, incluindo a maioria das estruturas metal-orgânicas (MOFs), quando embutidas em membranas.
Os pesquisadores esperam poder ajustar as nanopartículas para remover outros tipos de produtos químicos tóxicos, incluindo um contaminante comum das águas subterrâneas: PFAS, ou substâncias polifluoroalquílicas, que são encontradas em plásticos. O novo processo, que eles chamam de eletrodiálise por captura de íons, também pode potencialmente remover isótopos radioativos de efluentes de usinas nucleares.
Foto: UC Berkeley
Em seu estudo, a ser publicado na revista Science, Uliana e o autor sênior Jeffrey Long, professor de química da UC Berkeley, demonstram que as membranas poliméricas são altamente eficazes quando incorporadas em sistemas de eletrodiálise baseados em membrana – onde uma voltagem elétrica impulsiona íons através da membrana para remover sal e metais – e diálise por difusão, que é usada principalmente no processamento químico.
“A eletrodiálise é um método conhecido para fazer a dessalinização, e aqui estamos fazendo isso de uma forma que incorpora essas novas partículas no material da membrana e captura íons tóxicos direcionados ou solutos neutros, como o boro”, disse Long. “Então, enquanto você está conduzindo íons através desta membrana, você também está descontaminando a água para, digamos, mercúrio. Mas essas membranas também podem ser altamente seletivas para remover outros metais, como cobre e ferro, em alta capacidade.”
A escassez global de água exige a reutilização de águas residuais
A escassez de água está se tornando comum em todo o mundo, incluindo na Califórnia e no oeste americano, agravada pelas mudanças climáticas e pelo crescimento populacional. As comunidades costeiras estão cada vez mais instalando usinas para dessalinizar a água do oceano, mas as comunidades do interior também estão procurando maneiras de transformar fontes contaminadas – águas subterrâneas, escoamento agrícola e resíduos industriais – em água limpa e segura para plantações, casas e fábricas.
Membranas de polímero com nanopartículas incorporadas que removem seletivamente os compostos iônicos (parte superior) são empregados na eletrodiálise (parte inferior) para remover não apenas sal, mas também metais, muitos dos quais são tóxicos, produzindo água limpa pura e uma salmoura não tóxica que é mais fácil de descartar. As membranas (verdes e vermelhas) podem ser lavadas e reutilizadas muitas vezes, enquanto metais valiosos podem ser potencialmente recuperados. (Foto: UC Berkeley)
Embora a osmose reversa e a eletrodiálise funcionem bem para remover o sal de fontes de água de alta salinidade, como a água do mar, a salmoura concentrada deixada para trás pode ter altos níveis de metais, incluindo cádmio, cromo, mercúrio, chumbo, cobre, zinco, ouro e urânio. Mas o oceano está se tornando cada vez mais poluído pela indústria e pelo escoamento agrícola, e ainda mais por fontes no interior.
“Isso seria especialmente útil para as áreas que têm baixos níveis de contaminantes que ainda são tóxicos nesses níveis baixos, bem como para diferentes locais de esgoto que têm muitos tipos de íons tóxicos em seus fluxos”, disse Long.
A maioria dos processos de dessalinização remove o sal – que existe em grande parte como íons de sódio e cloro na água – usando uma membrana de osmose reversa, que permite a passagem da água, mas não dos íons, ou um polímero de troca iônica, que permite a passagem dos íons, mas não da água. A nova tecnologia apenas adiciona nanopartículas porosas, cada uma com cerca de 200 nanômetros de diâmetro, que capturam íons específicos enquanto permitem a passagem de sódio, cloro e outras moléculas carregadas não direcionadas.
Longos projetos e estudos de materiais porosos que podem ser decorados com moléculas exclusivas que capturam compostos direcionados de fluxos líquidos ou gases: dióxido de carbono das emissões de usinas de energia, por exemplo. As nanopartículas usadas nessas membranas poliméricas são chamadas de estruturas aromáticas porosas, ou PAFs, que são redes tridimensionais de átomos de carbono ligados por compostos feitos de múltiplas moléculas em forma de anel – grupos químicos chamados de compostos aromáticos. A estrutura interna está relacionada à de um diamante, mas com a ligação entre os átomos de carbono alongada pelo ligante aromático para criar muito espaço interno. Várias moléculas podem ser anexadas aos ligantes aromáticos para capturar produtos químicos específicos.
Para capturar o mercúrio, por exemplo, são anexados compostos de enxofre chamados tióis, que são conhecidos por se ligarem fortemente ao mercúrio. Grupos de enxofre metilados adicionados permitem a captura de cobre e grupos contendo oxigênio e ferro de captura de enxofre. As nanopartículas alteradas representam cerca de 20% do peso da membrana, mas, por serem muito porosas, respondem por cerca de 45% do volume.
Os cálculos sugerem que um quilograma da membrana polimérica poderia retirar essencialmente todo o mercúrio de 35.000 litros de água contendo 5 partes por milhão (ppm) do metal, antes de requerer a regeneração da membrana.
Uliana mostrou em seus experimentos que o ácido bórico, composto do boro tóxico para as lavouras, pode ser removido por essas membranas, embora com diálise por difusão que depende de um gradiente de concentração para conduzir o produto químico – que não é iônico, como os metais – através a membrana a ser capturada pelas nanopartículas de PAF.
“Tentamos diferentes tipos de água de alta salinidade – por exemplo, água subterrânea, água residual industrial e também água salobra – e o método funciona para cada uma delas”, disse ele. “Parece ser versátil para diferentes fontes de água; esse foi um dos princípios de design que queríamos colocar nisso.”
Uliana também demonstrou que as membranas podem ser reutilizadas muitas vezes – pelo menos 10, mas provavelmente mais – sem perder a capacidade de absorver metais iônicos. E as membranas contendo PAFs ajustados para absorver metais liberam facilmente seus metais absorvidos para captura e reutilização.
“É uma tecnologia em que, dependendo de quais são suas impurezas tóxicas, você pode personalizar a membrana para lidar com esse tipo de água”, acrescentou Long. “Você pode ter problemas com chumbo, digamos, em Michigan, ou ferro e arsênico em Bangladesh. Portanto, você direciona as membranas para fontes de água contaminada específicas. Esses materiais realmente o derrubam a níveis muitas vezes incomensuráveis.”
Fonte: UC Berkeley
