“Zwitteriônico” pode não ser uma palavra que você encontra todos os dias, mas para o professor Patrick Doyle, do Departamento de Engenharia Química do MIT, é uma palavra central para a tecnologia que seu grupo está desenvolvendo para remover micropoluentes da água. Derivado da palavra alemã “zwitter”, que significa “híbrido”, moléculas “zwitteriônicas” são aquelas com um número igual de cargas positivas e negativas.

Devashish Gokhale, um estudante de doutorado no laboratório de Doyle, usa o exemplo de um ímã para descrever materiais zwitteriônicos. “Em um ímã, você tem um polo norte e um polo sul que se unem, e em uma molécula zwitteriônica, você tem uma carga positiva e uma carga negativa que se unem de maneira semelhante.” Como muitos micropoluentes inorgânicos e alguns micropoluentes orgânicos são carregados, Doyle e sua equipe têm investigado como implantar moléculas zwitteriônicas para capturar micropoluentes na água. 

Em um novo artigo na Nature Water , Doyle, Gokhale e o estudante de graduação Andre Hamelberg explicam como usam hidrogéis zwitteriônicos para capturar de forma sustentável micropoluentes orgânicos e inorgânicos da água com complexidade operacional mínima. No passado, moléculas zwitteriônicas foram usadas como revestimentos em membranas para tratamento de água devido às suas propriedades não incrustantes. Mas no sistema do grupo Doyle, moléculas zwitteriônicas são usadas para formar o material de estrutura, ou espinha dorsal dentro do hidrogel – uma rede tridimensional porosa de cadeias poliméricas que contém uma quantidade significativa de água. “As moléculas zwitteriônicas têm uma atração muito forte pela água em comparação com outros materiais usados para fazer hidrogéis ou polímeros”, diz Gokhale. Além do mais, as cargas positivas e negativas nas moléculas zwitteriônicas fazem com que os hidrogéis tenham uma compressibilidade menor do que a comumente observada em hidrogéis. Isto resulta em hidrogéis significativamente mais inchados, robustos e porosos, o que é importante para a expansão do sistema à base de hidrogel para tratamento de água.

Os estágios iniciais desta pesquisa foram apoiados por uma bolsa inicial do Laboratório de Sistemas de Água e Alimentos Abdul Latif Jameel do MIT (J-WAFS). O grupo de Doyle está agora buscando a comercialização da plataforma tanto para uso doméstico quanto para aplicações em escala industrial, com o apoio de uma doação da J-WAFS Solutions.

Os micropoluentes são materiais quimicamente diversos que podem ser prejudiciais à saúde humana e ao meio ambiente, embora sejam normalmente encontrados em baixas concentrações (microgramas a miligramas por litro) em relação aos contaminantes convencionais. Os micropoluentes podem ser orgânicos ou inorgânicos e podem ser naturais ou sintéticos. Os micropoluentes orgânicos são principalmente moléculas à base de carbono e incluem pesticidas e substâncias per e polifluoroalquil (PFAS), conhecidas como “produtos químicos para sempre”. Os micropoluentes inorgânicos, como metais pesados como chumbo e arsênico, tendem a ser menores que os micropoluentes orgânicos. Infelizmente, micropoluentes orgânicos e inorgânicos estão presentes no meio ambiente.

Muitos micropoluentes provêm de processos industriais, mas os efeitos das alterações climáticas induzidas pelo homem também estão a contribuir para a propagação ambiental de micropoluentes. Gokhale explica que, na Califórnia, por exemplo, os incêndios queimam cabos elétricos de plástico e transferem micropoluentes para os ecossistemas naturais. Doyle acrescenta que “fora das alterações climáticas, coisas como pandemias podem aumentar o número de micropoluentes orgânicos no ambiente devido às altas concentrações de produtos farmacêuticos nas águas residuais”.

Não é nenhuma surpresa, então, que nos últimos anos os micropoluentes tenham se tornado cada vez mais uma preocupação. Esses produtos químicos atraíram a atenção da mídia e levaram a “mudanças significativas na engenharia ambiental e no cenário regulatório”, diz Gokhale. Em março de 2023, a Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA) propôs um padrão federal rigoroso que regularia seis produtos químicos PFAS diferentes na água potável. Em Outubro passado, a EPA propôs a proibição do micropoluente tricloroetileno, um produto químico causador de cancro que pode ser encontrado em produtos de limpeza de travões e outros produtos de consumo. E ainda recentemente, em Novembro, a EPA propôs que as empresas de abastecimento de água em todo o país fossem obrigadas a substituir todas as suas tubagens de chumbo para proteger o público da exposição ao chumbo. A nível internacional, Gokhale destaca a Convenção de Oslo-Paris, cuja missão é proteger o ambiente marinho do nordeste do Oceano Atlântico, incluindo a eliminação progressiva da descarga de produtos químicos offshore das indústrias de petróleo e gás. 

A cada nova regulamentação necessária para proteger a segurança dos nossos recursos hídricos, aumenta a necessidade de processos eficazes de tratamento de água. Para agravar este desafio está a necessidade de tornar os processos de tratamento de água sustentáveis e energeticamente eficientes. 

O método de referência para tratar micropoluentes na água é o carvão ativado. No entanto, fabricar filtros com carvão ativado consome muita energia, exigindo temperaturas muito altas em instalações grandes e centralizadas. Gokhale diz que aproximadamente “são necessários quatro quilos de carvão para produzir um quilograma de carvão ativado, então você perde uma quantidade significativa de dióxido de carbono para o meio ambiente”. De acordo com o Fórum Económico Mundial, o tratamento global de água e águas residuais é responsável por 5% das emissões anuais. Só nos EUA, a EPA informa que os sistemas de água potável e de águas residuais são responsáveis por mais de 45 milhões de toneladas de emissões de gases com efeito de estufa anualmente.

“Precisamos desenvolver métodos que tenham pegadas climáticas menores do que os métodos que estão sendo usados industrialmente hoje”, diz Gokhale.

Em setembro de 2019, Doyle e seu laboratório embarcaram em um projeto inicial para desenvolver uma plataforma baseada em micropartículas para remover uma ampla gama de micropoluentes da água. O grupo de Doyle vinha usando hidrogéis no processamento farmacêutico para formular moléculas de medicamentos em formato de pílula. Quando soube da oportunidade de concessão de sementes do J-WAFS para pesquisas em estágio inicial em sistemas hídricos e alimentares, Doyle percebeu que seu trabalho farmacêutico com hidrogéis poderia ser aplicado a questões ambientais, como tratamento de água. “Eu nunca teria conseguido financiamento para este projeto se fosse para a NSF [National Science Foundation], porque eles simplesmente diriam: 'você não é uma pessoa que gosta de água'. Mas o subsídio inicial do J-WAFS ofereceu um caminho para um tipo de projeto de alto risco e alta recompensa”, diz Doyle.

Em março de 2022, Doyle, Gokhale e Ian Chen, estudante de graduação do MIT , publicaram as descobertas do trabalho de concessão de sementes, descrevendo o uso de micelas em hidrogéis para tratamento de água. Micelas são estruturas esféricas que se formam quando moléculas chamadas surfactantes (encontradas em coisas como sabonetes) entram em contato com água ou outros líquidos. A equipe conseguiu sintetizar partículas de hidrogel carregadas de micelas que absorvem micropoluentes da água como uma esponja. Ao contrário do carvão ativado, o sistema de partículas de hidrogel é feito de materiais ecológicos. Além disso, os materiais do sistema são fabricados à temperatura ambiente, o que os torna extremamente mais sustentáveis do que o carvão ativado.

Aproveitando o sucesso do subsídio inicial, Doyle e sua equipe receberam um subsídio J-WAFS Solutions em setembro de 2022 para ajudar a levar sua tecnologia do laboratório para o mercado. Com esse apoio, os pesquisadores conseguiram construir, testar e refinar protótipos em escala piloto de sua plataforma de hidrogel. As iterações do sistema durante o período de concessão de soluções incluíram o uso de moléculas zwitteriônicas, um novo avanço do trabalho de concessão de sementes.  

A rápida eliminação de micropoluentes é de especial importância nos processos comerciais de tratamento de água, onde há um tempo limitado que a água pode passar dentro da unidade de filtração operacional. Isso é conhecido como tempo de contato, explica Gokhale. Em sistemas de tratamento de água em escala municipal ou industrial, os tempos de contato são geralmente inferiores a 20 minutos e podem chegar a cinco minutos. 

“Mas à medida que as pessoas têm tentado atingir estes micropoluentes emergentes preocupantes, aperceberam-se de que não conseguem atingir concentrações suficientemente baixas nas mesmas escalas de tempo que os contaminantes convencionais”, diz Gokhale. “A maioria das tecnologias concentra-se apenas em moléculas específicas ou em classes específicas de moléculas. Então, você tem tecnologias inteiras focadas apenas em PFAS, e depois tem outras tecnologias para chumbo e metais. Quando você começa a pensar em remover todos esses contaminantes da água, você acaba com projetos que possuem um número muito grande de operações unitárias. E isso é um problema porque você tem fábricas que ficam no meio das grandes cidades e não têm necessariamente espaço para se expandir e aumentar o tempo de contato para remover com eficiência vários micropoluentes”, acrescenta.

Como as moléculas zwitteriônicas possuem propriedades únicas que conferem alta porosidade, os pesquisadores conseguiram projetar um sistema para absorção mais rápida de micropoluentes da água. Os testes mostram que os hidrogéis podem eliminar seis micropoluentes quimicamente diversos pelo menos 10 vezes mais rápido que o carvão ativado comercial. O sistema também é compatível com um conjunto diversificado de materiais, tornando-o multifuncional. Os micropoluentes podem se ligar a muitos locais diferentes dentro da plataforma de hidrogel: os micropoluentes orgânicos ligam-se às micelas ou surfactantes, enquanto os micropoluentes inorgânicos se ligam às moléculas zwitteriônicas. Micelas, surfactantes, moléculas zwitteriônicas e outros agentes quelantes podem ser trocados dentro e fora para sintonizar essencialmente o sistema com diferentes funcionalidades com base no perfil da água que está sendo tratada. Este tipo de adição “plug-and-play” de vários agentes funcionais não requer uma mudança no design ou na síntese da plataforma de hidrogel, e a adição de mais funcionalidades não prejudica a funcionalidade existente. Desta forma, o sistema baseado em zwitteriônico pode remover rapidamente vários contaminantes em concentrações mais baixas em uma única etapa, sem a necessidade de grandes unidades industriais ou despesas de capital. 

Talvez o mais importante seja que as partículas do sistema do grupo Doyle podem ser regeneradas e usadas continuamente. Simplesmente mergulhando as partículas num banho de etanol, elas podem ser lavadas de micropoluentes para uso indefinido sem perda de eficácia. Quando o carvão ativado é utilizado para tratamento de água, o próprio carvão ativado fica contaminado com micropoluentes e deve ser tratado como resíduo químico tóxico e descartado em aterros especiais. Com o tempo, os micropoluentes nos aterros irão reentrar no ecossistema, perpetuando o problema.

Arjav Shah, candidato a PhD-MBA no Departamento de Engenharia Química do MIT e na MIT Sloan School of Management, respectivamente, juntou-se recentemente à equipe para liderar os esforços de comercialização. A equipe descobriu que os hidrogéis zwitteriônicos poderiam ser usados em vários contextos do mundo real, desde camas industriais em grande escala até aplicações portáteis e de pequena escala, fora da rede – por exemplo, em comprimidos que poderiam limpar a água de uma cantina. — e começaram a testar a tecnologia através de uma série de programas de comercialização no MIT e na área metropolitana de Boston.

Os pontos fortes combinados de cada membro da equipe continuam a impulsionar o projeto de forma impactante, incluindo estudantes de graduação como Andre Hamelberg, o terceiro autor do artigo Nature Water . Hamelberg é participante do Programa de Oportunidades de Pesquisa de Graduação (UROP) do MIT. Gokhale, que também é J-WAFS Fellow, oferece treinamento e orientação para Hamelberg e outros alunos da UROP no laboratório.

“Vemos isto como uma oportunidade educacional”, diz Gokhale, observando que os alunos da UROP aprendem ciências e engenharia química através da pesquisa que realizam no laboratório. O projeto J-WAFS também tem sido “uma forma de despertar o interesse dos estudantes no tratamento de água e nos aspectos mais sustentáveis ??da engenharia química”, diz Gokhale. Ele acrescenta que é “um dos poucos projetos que vai desde a concepção de produtos químicos específicos até a construção de pequenos filtros e unidades, sua ampliação e comercialização. É uma oportunidade de aprendizado muito boa para os estudantes de graduação e estamos sempre entusiasmados em tê-los trabalhando conosco.”

Em quatro anos, a tecnologia conseguiu crescer de uma ideia inicial para uma tecnologia com aplicações escalonáveis e do mundo real, tornando-se um projeto J-WAFS exemplar. A colaboração frutífera entre o J-WAFS e o laboratório Doyle serve de inspiração para qualquer corpo docente do MIT que queira aplicar suas pesquisas em projetos de sistemas hídricos ou alimentares.

“O projeto J-WAFS serve como uma forma de desmistificar o que um engenheiro químico faz”, diz Doyle. “Acho que existe uma ideia antiga de que a engenharia química trabalha apenas com petróleo e gás. Mas a engenharia química moderna está focada em coisas que melhoram a vida e o meio ambiente.”