A extração eficaz de recursos valiosos da água pode ajudar muito a aumentar a segurança nacional e, ao mesmo tempo, ajudar o meio ambiente. Dois estudos recentes do laboratório do Prof. Menachem Elimelech oferecem perspectivas sobre formas de abordar o esforço.

O uso de membranas especialmente desenvolvidas para extrair materiais críticos da água - um método conhecido como nanofiltração - potencialmente traz inúmeros benefícios para a segurança nacional e o meio ambiente. Para ser realmente eficaz, porém, a equipe de pesquisa de Elimelech insta seus colegas cientistas a adaptar seus esforços a materiais específicos. Eles apresentam seu caso na edição mais recente da One Earth .

A alta taxa de consumo de materiais críticos - que podem incluir água, metais, elementos de terras raras, nutrientes e produtos farmacêuticos - não apenas compromete suas cadeias de suprimentos, mas também prejudica o meio ambiente. Por exemplo, a crescente demanda por baterias comprometeu o fornecimento de lítio, um elemento essencial para tecnologias de energia de baixo carbono. Para atender à demanda de longo prazo, é crucial deixar de depender fortemente da mineração, do consumo de uso único e do descarte. 

E minerais críticos como lítio, cobalto e elementos de terras raras são vitais para a segurança nacional devido ao seu papel essencial em tecnologias avançadas, como veículos elétricos, sistemas de energia renovável e aplicações de defesa. Garantir o abastecimento doméstico é crucial para reduzir a dependência de fontes estrangeiras e manter a competitividade em setores-chave necessários para o crescimento econômico e as capacidades de defesa.

As membranas de nanofiltração são um meio eficaz para atingir esses objetivos. Entre outras aplicações, a nanofiltração é usada atualmente para amaciar a água, remover o álcool da cerveja e fazer concentrado de suco.

“A nanofiltração é amplamente utilizada no momento, mas achamos que ainda há muito potencial que ainda não podemos explorar apenas porque não temos as membranas certas”, disse Luis Francisco Villalobos, pesquisador de pós-doutorado e principal autor do artigo. .

A tecnologia de nanofiltração emprega uma membrana nanoporosa que serve como um filtro molecular, distinguindo vários materiais na mistura. Ao contrário das membranas de osmose reversa, que rejeitam a maioria dos íons e moléculas sem carga, as membranas de nanofiltração permitem que alguns solutos passem pelos nanoporos, permitindo a recuperação dos materiais mais críticos.

Para liberar totalmente os benefícios ambientais da nanofiltração, porém, os pesquisadores dizem que é necessário otimizar as propriedades da membrana para diferenciar melhor os componentes dissolvidos na corrente de alimentação. Para criar membranas de nanofiltração de próxima geração, o campo precisa avançar em sua compreensão dos princípios fundamentais de projetar e fabricar membranas seletivas de espécie única. Isso abriria o caminho para estratégias adequadas ao propósito com alvos específicos.

“Se as membranas forem melhor desenhadas, podemos usá-las para separar solutos mais complexos e muito semelhantes entre si”, disse Villalobos. “E isso pode ter um enorme potencial para aumentar a circularidade de certos materiais críticos”. 

Por exemplo, disse ele, se os poros de uma membrana de nanofiltração fossem projetados para diferenciar entre o lítio e outros íons, o processo poderia ser usado para recuperar o lítio de fontes não convencionais, como a salmoura resultante do petróleo e do gás. Produção. 

Elimelech, o Sterling Professor de Engenharia Química e Ambiental, disse que o campo pode se inspirar em sistemas biológicos. Por exemplo, nossos corpos contêm membranas que podem separar entre potássio e sódio, que são muito semelhantes. 

“Se você pode incorporar essa química nessas membranas, acho que podemos fazer esse tipo de coisa”, disse ele.

O estudo One Earth vem logo após outro artigo que o laboratório Elimelech publicou sobre um tópico semelhante. Na Nature Water  em junho, o grupo de Elimelech escreveu sobre a importância de priorizar quais metais devem ser recuperados de águas residuais e salmoura. 

“Queremos recuperar alguns desses metais que estão sendo desperdiçados porque são de alto valor e potencialmente escassos, especialmente porque os metais estão se tornando cada vez mais amplamente usados ??com a transição energética”, disse o principal autor Ryan DuChanois, um pesquisador associado de pós-doutorado na Rice University e ex-Ph.D. estudante no laboratório de Elimelech. “Mas como existem tantos metais diferentes na tabela periódica, não podemos nos concentrar em todos eles.”

O documento avalia a viabilidade de recuperar esses metais de várias fontes de água, estimando os custos operacionais necessários para corresponder aos preços de mercado. Também destaca materiais e processos que poderiam servir como alternativas mais sustentáveis ??à recuperação de metais com mais pesquisa e desenvolvimento. 

Os pesquisadores preferem extrair metais de águas residuais industriais, onde são ricos e concentrados, em vez de extrair metais da água do mar. 

“A concentração de lítio no oceano é muito baixa e, como a concentração é tão baixa, você precisa processar milhões de galões de água e não será econômico”, disse Elimelech.

No futuro, DuChanois disse que espera reduzir ainda mais a lista de metais prioritários e ver mais esforços no desenvolvimento de tecnologias de recuperação que tenham baixa demanda química e baixo consumo de energia.