Tecnologia Científica

Os métodos computacionais dos pesquisadores abrem caminho para a tecnologia de membrana de última geração para purificação de água
A descoberta é significativa porque mostra que, ao projetar novas superfícies, os pesquisadores devem se concentrar na resposta das moléculas de água ao seu redor e evitar serem guiados por métricas convencionais de hidrofobicidade.
Por Andrew Masuda - 12/03/2021


Ilustração do conceito de uma membrana de purificação de água com padronização em escala molecular projetada computacionalmente de grupos funcionais de superfície, que funcionam coletivamente para rejeitar uma variedade de contaminantes moleculares e incrustantes. Crédito: Brian Long / UCSB

A água é talvez o recurso natural mais crítico da Terra. Dada a demanda crescente e os recursos hídricos cada vez mais limitados, os cientistas estão buscando maneiras mais inovadoras de usar e reutilizar a água existente, bem como projetar novos materiais para melhorar os métodos de purificação da água. Membranas de polímero semipermeáveis ​​criadas sinteticamente usadas para remoção de soluto contaminante podem fornecer um nível de tratamento avançado e melhorar a eficiência energética do tratamento de água; no entanto, as lacunas de conhecimento existentes estão limitando os avanços transformadores na tecnologia de membrana. Um problema básico é aprender como a afinidade, ou atração, entre os solutos e as superfícies da membrana afeta muitos aspectos do processo de purificação da água.

"A incrustação - onde os solutos grudam nas membranas - reduz significativamente o desempenho e é um grande obstáculo no projeto de membranas para tratar a água produzida", disse M. Scott Shell, professor de engenharia química da UC Santa Bárbara, que realiza simulações computacionais de água mole materiais e biomateriais. "Se pudermos compreender fundamentalmente como a viscosidade do soluto é afetada pela composição química das superfícies da membrana , incluindo a possível padronização de grupos funcionais nessas superfícies, podemos começar a projetar membranas resistentes a incrustação de próxima geração para repelir uma ampla gama de solutos tipos. "

Agora, em um artigo publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Shell e o autor principal Jacob Monroe, um recente Ph.D. graduado do departamento e ex-membro do grupo de pesquisa da Shell, explica a relevância das caracterizações macroscópicas da afinidade do soluto à superfície.

"As interações soluto-superfície na água determinam o comportamento de uma grande variedade de fenômenos físicos e tecnologias, mas são particularmente importantes na separação e purificação da água, onde muitas vezes muitos tipos distintos de solutos precisam ser removidos ou capturados", disse Monroe, agora um pesquisador de pós-doutorado no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). "Este trabalho aborda o grande desafio de entender como projetar membranas de próxima geração que podem lidar com enormes volumes anuais de fontes de água altamente contaminadas, como aquelas produzidas em operações de campos petrolíferos, onde a concentração de solutos é alta e seus produtos químicos bastante diversos."

Os solutos são frequentemente caracterizados como abrangendo uma gama de hidrofílicos, que podem ser considerados como semelhantes à água e se dissolvendo facilmente em água, a hidrofóbicos ou antipáticos e preferindo se separar da água, como o óleo. As superfícies abrangem o mesmo intervalo; por exemplo, a água acumula-se em superfícies hidrofóbicas e se espalha em superfícies hidrofílicas. Os solutos hidrofílicos gostam de aderir a superfícies hidrofílicas e os solutos hidrofóbicos aderem a superfícies hidrofóbicas. Aqui, os pesquisadores corroboraram a expectativa de que "semelhante continua a gostar", mas também descobriram, surpreendentemente, que o quadro completo é mais complexo.
 
"Entre a ampla gama de produtos químicos que consideramos, descobrimos que os solutos hidrofílicos também gostam de superfícies hidrofóbicas, e que os solutos hidrofóbicos também gostam de superfícies hidrofílicas, embora essas atrações sejam mais fracas do que as semelhantes", explicou Monroe, referindo-se aos oito solutos o grupo testou, variando de amônia e ácido bórico a isopropanol e metano. O grupo selecionou solutos de pequenas moléculas normalmente encontrados em águas produzidas para fornecer uma perspectiva fundamental sobre a afinidade de superfície do soluto.

O grupo de pesquisa computacional desenvolveu um algoritmo para repadronizar superfícies reorganizando grupos químicos de superfície a fim de minimizar ou maximizar a afinidade de um determinado soluto para a superfície, ou alternativamente, para maximizar a afinidade de superfície de um soluto em relação a outro. A abordagem baseou-se em um algoritmo genético que "desenvolveu" padrões de superfície de maneira semelhante à seleção natural, otimizando-os em direção a um objetivo de função particular.

Por meio de simulações, a equipe descobriu que a afinidade de superfície estava mal correlacionada aos métodos convencionais de hidrofobicidade do soluto, como o grau de solubilidade do soluto na água. Em vez disso, eles encontraram uma conexão mais forte entre a afinidade de superfície e a maneira como as moléculas de água perto de uma superfície ou perto de um soluto mudam suas estruturas em resposta. Em alguns casos, essas águas vizinhas foram obrigadas a adotar estruturas desfavoráveis; movendo-se para mais perto de superfícies hidrofóbicas, os solutos poderiam então reduzir o número de tais moléculas de água desfavoráveis, fornecendo uma força motriz geral para afinidade.

"O ingrediente que faltava era entender como as moléculas de água perto de uma superfície são estruturadas e se movem em torno dela", disse Monroe. "Em particular, as flutuações estruturais da água são aumentadas perto de superfícies hidrofóbicas, em comparação com a água a granel ou a água longe da superfície. Descobrimos que as flutuações impulsionam a viscosidade de todos os pequenos tipos de soluto que testamos."

A descoberta é significativa porque mostra que, ao projetar novas superfícies, os pesquisadores devem se concentrar na resposta das moléculas de água ao seu redor e evitar serem guiados por métricas convencionais de hidrofobicidade.

Com base em suas descobertas, Monroe e Shell dizem que as superfícies compostas por diferentes tipos de químicas moleculares podem ser a chave para atingir vários objetivos de desempenho, como evitar que uma variedade de solutos sujem uma membrana.

"Superfícies com vários tipos de grupos químicos oferecem um grande potencial. Mostramos que não apenas a presença de diferentes grupos de superfície, mas seu arranjo ou padrão influenciam a afinidade do soluto-superfície", disse Monroe. "Apenas reorganizando o padrão espacial, torna-se possível aumentar ou diminuir significativamente a afinidade de superfície de um determinado soluto, sem alterar quantos grupos de superfície estão presentes."

De acordo com a equipe, suas descobertas mostram que os métodos computacionais podem contribuir de maneira significativa para os sistemas de membrana de próxima geração para o tratamento sustentável da água.

"Este trabalho forneceu uma visão detalhada das interações em escala molecular que controlam a afinidade da superfície do soluto ", disse Shell, presidente do fundador de John E. Myers em Engenharia Química. "Além disso, mostra que a padronização de superfície oferece uma estratégia de design poderosa em membranas de engenharia são resistentes à incrustação por uma variedade de contaminantes e podem controlar precisamente como cada tipo de soluto é separado. Como resultado, oferece regras de design molecular e alvos para sistemas de membrana de última geração capazes de purificar águas altamente contaminadas de maneira eficiente em termos de energia. "

A maioria das superfícies examinadas eram sistemas modelo, simplificados para facilitar a análise e o entendimento. Os pesquisadores dizem que o próximo passo natural será examinar superfícies cada vez mais complexas e realistas que imitam mais de perto as membranas reais usadas no tratamento de água . Outro passo importante para aproximar a modelagem do projeto da membrana será ir além da compreensão meramente de quão pegajosa uma membrana é para um soluto e para calcular as taxas nas quais os solutos se movem através das membranas.

 

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