Tecnologia Científica

Controlar a estrutura em nanoescala das membranas é a chave para a água limpa, descobrem os pesquisadores
Os pesquisadores descobriram que a espessura não importa tanto quanto evitar regiões em nanoescala altamente densas, ou
Por Pennsylvania State University - 01/01/2021


Pixabay

Uma membrana de dessalinização atua como um filtro para água salgada: empurre a água através da membrana, obtenha água limpa adequada para agricultura, produção de energia e até mesmo potável. O processo parece bastante simples, mas contém complexidades que confundem os cientistas há décadas - até agora.

Pesquisadores da Penn State, da University of Texas em Austin, da Iowa State University, da Dow Chemical Company e da DuPont Water Solutions publicaram uma descoberta importante para entender como as membranas realmente filtram os minerais da água, online hoje (31 de dezembro) na Science . O artigo estará na capa da edição impressa, que sai amanhã (1º de janeiro).

"Apesar de seu uso por muitos anos, há muito que não sabemos sobre como funcionam as membranas de filtração de água", disse Enrique Gomez, professor de engenharia química e ciência de materiais e engenharia da Penn State, que liderou a pesquisa. "Descobrimos que a forma como você controla a distribuição da densidade da própria membrana em nanoescala é realmente importante para o desempenho da produção de água."

Co-liderado por Manish Kumar, professor associado do Departamento de Engenharia Civil, Arquitetônica e Ambiental da UT Austin, a equipe usou microscopia eletrônica multimodal, que combina a imagem detalhada em escala atômica com técnicas que revelam a composição química, para determinar as membranas de dessalinização são inconsistentes em densidade e massa. Os pesquisadores mapearam as variações de densidade no filme de polímero em três dimensões com uma resolução espacial de aproximadamente um nanômetro - que é menos da metade do diâmetro de uma fita de DNA. De acordo com Gomez, esse avanço tecnológico foi fundamental para compreender o papel da densidade nas membranas.

"Você pode ver como alguns lugares são mais ou menos densos em um filtro de café apenas pelo seu olho", disse Gomez. "Em membranas de filtração, parece uniforme, mas não está em nanoescala, e como você controla essa distribuição de massa é realmente importante para o desempenho da filtração de água."

Isso foi uma surpresa, Gomez e Kumar disseram, já que se pensava que quanto mais espessa a membrana, menor a produção de água. A Filmtec, agora parte da DuPont Water Solutions, que fabrica diversos produtos de dessalinização, fez parceria com os pesquisadores e financiou o projeto porque seus cientistas internos descobriram que membranas mais espessas estavam, na verdade, provando ser mais permeáveis.

Os pesquisadores descobriram que a espessura não importa tanto quanto evitar regiões em nanoescala altamente densas, ou "zonas mortas". Em certo sentido, uma densidade mais consistente em toda a membrana é mais importante do que a espessura para maximizar a produção de água, de acordo com Gomez.

Esse entendimento pode aumentar a eficiência da membrana em 30% a 40%, de acordo com os pesquisadores, resultando em mais água filtrada com menos energia - uma atualização potencial de economia de custos para os processos de dessalinização atuais.

"As membranas de osmose reversa são amplamente usadas para limpar água, mas ainda há muito que não sabemos sobre elas", disse Kumar. "Não podíamos realmente dizer como a água se move através deles, então todas as melhorias nos últimos 40 anos foram essencialmente feitas no escuro."

As membranas de osmose reversa funcionam aplicando pressão em um lado. Os minerais ficam lá, enquanto a água passa. Embora seja mais eficiente do que os processos de dessalinização sem membrana , isso ainda consome uma imensa quantidade de energia, disseram os pesquisadores, mas melhorar a eficiência das membranas pode reduzir essa carga.

“A gestão da água doce está se tornando um desafio crucial em todo o mundo”, disse Gomez. "Escassez, secas - com o aumento dos padrões climáticos severos, espera-se que esse problema se torne ainda mais significativo. É extremamente importante ter água limpa disponível, especialmente em áreas de poucos recursos."

A equipe continua estudando a estrutura das membranas, bem como as reações químicas envolvidas no processo de dessalinização. Eles também estão examinando como desenvolver as melhores membranas para materiais específicos, como membranas sustentáveis, porém resistentes, que podem prevenir a formação de crescimento bacteriano.

"Continuamos a impulsionar nossas técnicas com mais materiais de alto desempenho com o objetivo de elucidar os fatores cruciais de uma filtragem eficiente", disse Gomez.

 

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