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Usando espuma de grafeno para filtrar toxinas da água potável
A equipe de pesquisa liderada pelo MIT cria espuma de grafeno em um dispositivo que pode extrair urânio e outros metais pesados ​​da água da torneira.
Por Leda Zimmerman - 07/08/2021


Uma espuma de óxido de grafeno reduzida funcionalizada 3D reutilizável (3D-FrGOF) é usada como um eletrodo de deposição eletrolítico in situ para extrair urânio de água contaminada. Créditos: Imagem cortesia dos pesquisadores.

Alguns tipos de poluição da água, como proliferação de algas e plásticos que sujam rios, lagos e ambientes marinhos, estão à vista de todos. Mas outros contaminantes não são tão aparentes, o que torna seu impacto potencialmente mais perigoso. Entre essas substâncias invisíveis está o urânio. Lixiviando em recursos hídricos de operações de mineração, depósitos de resíduos nucleares ou de depósitos subterrâneos naturais, o elemento agora pode ser encontrado fluindo de torneiras em todo o mundo.

Só nos Estados Unidos, “muitas áreas são afetadas pela contaminação de urânio, incluindo os aqüíferos High Plains e Central Valley, que fornecem água potável para 6 milhões de pessoas”, diz Ahmed Sami Helal, pós-doutorado no Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear. Esta contaminação representa um perigo próximo e presente. “Mesmo pequenas concentrações são ruins para a saúde humana”, diz Ju Li , o Professor de Ciência e Engenharia Nuclear da Aliança de Energia Battelle e professor de ciência e engenharia de materiais.

Agora, uma equipe liderada por Li desenvolveu um método altamente eficiente para remover o urânio da água potável. Aplicando uma carga elétrica à espuma de óxido de grafeno, os pesquisadores podem capturar o urânio em solução, que precipita como um cristal sólido condensado. A espuma pode ser reaproveitada em até sete vezes sem perder suas propriedades eletroquímicas. “Em poucas horas, nosso processo pode purificar uma grande quantidade de água potável abaixo do limite da EPA para o urânio”, diz Li.

Um artigo descrevendo este trabalho foi publicado nesta semana em  Advanced Materials. Os dois primeiros co-autores são Helal e Chao Wang, um pós-doutorado no MIT durante o estudo, que agora está na Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Tongji, em Xangai. Pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne, da Universidade Nacional Chiao Tung de Taiwan e da Universidade de Tóquio também participaram da pesquisa. A Agência de Redução de Ameaças de Defesa (Departamento de Defesa dos EUA) financiou os estágios posteriores desse trabalho.

Visando o contaminante

O projeto, lançado há três anos, começou como um esforço para encontrar melhores abordagens para a limpeza ambiental de metais pesados ​​de locais de mineração. Até o momento, os métodos de remediação para metais como cromo, cádmio, arsênio, chumbo, mercúrio, rádio e urânio têm se mostrado limitados e caros. “Essas técnicas são altamente sensíveis aos orgânicos na água e são pobres em separar os contaminantes de metais pesados”, explica Helal. “Portanto, eles envolvem longos tempos de operação, altos custos de capital e, ao final da extração, geram mais lodo tóxico.”

Para a equipe, o urânio parecia um alvo particularmente atraente. Testes de campo do Serviço Geológico dos EUA e da Agência de Proteção Ambiental (EPA) revelaram níveis insalubres de urânio movendo-se para reservatórios e aquíferos de fontes de rocha natural no nordeste dos Estados Unidos, de lagos e poços que armazenam velhas armas nucleares e combustível em lugares como Hanford , Washington, e de atividades de mineração localizadas em muitos estados ocidentais. Esse tipo de contaminação é prevalente em muitas outras nações também. Um número alarmante desses sites mostra concentrações de urânio próximas ou acima do teto recomendado pela EPA de 30 partes por bilhão (ppb) - um nível ligado a danos renais, risco de câncer e mudanças neurocomportamentais em humanos.

O desafio crítico estava em encontrar um processo de remediação prático exclusivamente sensível ao urânio, capaz de extraí-lo da solução sem produzir resíduos tóxicos. E embora pesquisas anteriores tenham mostrado que a fibra de carbono eletricamente carregada pode filtrar o urânio da água, os resultados foram parciais e imprecisos.

Wang conseguiu resolver esses problemas - com base em sua investigação do comportamento da espuma de grafeno usada para baterias de lítio-enxofre. “O desempenho físico desta espuma foi único devido à sua capacidade de atrair certas espécies químicas para sua superfície”, diz ela. “Achei que os ligantes da espuma de grafeno funcionariam bem com o urânio.”

Simples, eficiente e limpo

A equipe começou a trabalhar na transformação da espuma de grafeno no equivalente a um ímã de urânio. Eles aprenderam que, enviando uma carga elétrica pela espuma, dividindo a água e liberando hidrogênio, podiam aumentar o pH local e induzir uma mudança química que puxava os íons de urânio para fora da solução. Os pesquisadores descobriram que o urânio se enxertava na superfície da espuma, onde formou um hidróxido de urânio cristalino nunca antes visto. Na reversão da carga elétrica, o mineral, que se assemelha a escamas de peixe, escorregou facilmente da espuma.

Foram necessárias centenas de tentativas para obter a composição química e a eletrólise certas. “Continuamos mudando os grupos químicos funcionais para que funcionassem corretamente”, diz Helal. “E a espuma inicialmente era bastante frágil, tendendo a se quebrar em pedaços, então precisávamos torná-la mais forte e durável”, diz Wang.

Este processo de filtração de urânio é simples, eficiente e limpo, de acordo com Li: “Cada vez que é usada, nossa espuma pode capturar quatro vezes seu próprio peso de urânio, e podemos atingir uma capacidade de extração de 4.000 mg por grama, que é um grande melhoria em relação a outros métodos ”, diz ele. “Também fizemos um grande avanço na reutilização, porque a espuma pode passar por sete ciclos sem perder sua eficiência de extração.” A espuma de grafeno funciona bem na água do mar, onde reduz as concentrações de urânio de 3 partes por milhão para 19,9 ppb, mostrando que outros íons na salmoura não interferem na filtração.

A equipe acredita que seu dispositivo eficaz e de baixo custo pode se tornar um novo tipo de filtro de água doméstico, cabendo em torneiras como as de marcas comerciais. “Alguns desses filtros já têm carvão ativado, então talvez pudéssemos modificá-los, adicionar eletricidade de baixa voltagem para filtrar o urânio”, diz Li.

“A extração de urânio que esse dispositivo consegue é muito impressionante quando comparada aos métodos existentes”, diz Ho Jin Ryu, professor associado de engenharia nuclear e quântica do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia. Ryu, que não estava envolvido na pesquisa, acredita que a demonstração da reutilização da espuma de grafeno é um "avanço significativo" e que "a tecnologia de controle de pH local para aumentar a deposição de urânio terá impacto porque o princípio científico pode ser aplicado de forma mais geral à extração de metais pesados ​​de água poluída. ”

Os pesquisadores já começaram a investigar aplicações mais amplas de seu método. “Existe uma ciência para isso, então podemos modificar nossos filtros para serem seletivos para outros metais pesados, como chumbo, mercúrio e cádmio”, diz Li. Ele observa que o rádio é outro perigo significativo para locais nos Estados Unidos e em outros lugares que carecem de recursos para uma infraestrutura confiável de água potável.

“No futuro, em vez de um filtro de água passivo, poderíamos usar um filtro inteligente alimentado por eletricidade limpa que ativa a ação eletrolítica, o que poderia extrair vários metais tóxicos, informar quando regenerar o filtro e fornecer garantia de qualidade sobre a água que você está bebendo. ”

 

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