Os químicos da Universidade da Califa³rnia, em Berkeley, descobriram uma maneira de simplificar a remoção de metais ta³xicos. como mercaºrio e boro. durante a dessalinização para produzir águalimpa, enquanto ao mesmo tempo potencialmente captura metais valiosos, como ouro.

A dessalinização - a remoção do sal - éapenas uma etapa no processo de produção de águapota¡vel , ou águapara a agricultura ou indaºstria, a partir do oceano ou de a¡guas residuais . Antes ou depois da remoção do sal, muitas vezes a águaprecisa ser tratada para remover o boro, que éta³xico para as plantas, e metais pesados como o arsaªnico e o mercaºrio, que são ta³xicos para os humanos. Frequentemente, o processo deixa para trás uma salmoura ta³xica que pode ser difa­cil de descartar.

A nova técnica, que pode ser facilmente adicionada aos processos atuais de dessalinização por eletrodia¡lise baseada em membrana, remove quase 100% desses metais ta³xicos, produzindo uma salmoura pura junto com águapura e isolando os metais valiosos para uso posterior ou descarte.

"As estações de dessalinização ou de tratamento de águanormalmente requerem uma longa sanãrie de sistemas de prée pa³s-tratamento de alto custo pelos quais toda a águatem que passar, um por um", disse Adam Uliana, um estudante graduado da UC Berkeley que éo primeiro autor de um artigo que descreve a tecnologia. "Mas aqui, temos a capacidade de realizar várias dessas etapas em uma, o que éum processo mais eficiente. Basicamente, vocêpode implementa¡-lo em configurações existentes."

Os químicos da UC Berkeley sintetizaram membranas polimanãricas flexa­veis, como as usadas atualmente em processos de separação por membrana, mas nanoparta­culas incorporadas que podem ser ajustadas para absorver a­ons meta¡licos específicos - ouro ou ura¢nio, por exemplo. A membrana pode incorporar um aºnico tipo de nanoparta­cula ajustada, se o metal for recuperado, ou vários tipos diferentes, cada um ajustado para absorver um metal ou composto ia´nico diferente, se vários contaminantes precisarem ser removidos em uma etapa.

A membrana polimanãrica atada com nanoparta­culas émuito esta¡vel em águae em altas temperaturas, o que não éverdade para muitos outros tipos de absorvedores, incluindo a maioria das estruturas metal-orga¢nicas (MOFs), quando incorporadas em membranas.

Os pesquisadores esperam poder ajustar as nanoparta­culas para remover outros tipos de produtos químicos ta³xicos, incluindo um contaminante comum das a¡guas subterra¢neas: PFAS, ou substâncias polifluoroalqua­licas, que são encontradas em pla¡sticos. O novo processo, que eles chamam de eletrodia¡lise por captura de a­ons, também pode potencialmente remover isãotopos radioativos de efluentes de usinas nucleares.

Em seu estudo, a ser publicado esta semana na revista Science , Uliana e o autor saªnior Jeffrey Long, professor de química da UC Berkeley, demonstram que as membranas de pola­mero são altamente eficazes quando incorporadas em sistemas de eletrodia¡lise baseados em membrana - onde uma voltagem elanãtrica impulsiona a­ons atravanãs da membrana para remover sal e metais - e dia¡lise por difusão, que éusada principalmente no processamento qua­mico.

"A eletrodia¡lise éum manãtodo conhecido para fazer a dessalinização, e aqui estamos fazendo isso de uma forma que incorpora essas novaspartículas no material da membrana e captura a­ons ta³xicos direcionados ou solutos neutros, como o boro", disse Long. "Então, enquanto vocêdirige a­ons atravanãs desta membrana, vocêtambém estãodescontaminando a águapara, digamos, mercaºrio. Mas essas membranas também podem ser altamente seletivas para remover outros metais, como cobre e ferro, em alta capacidade."

A escassez de águaestãose tornando comum em todo o mundo, incluindo na Califórnia e no oeste americano, agravada pelasmudanças climáticas e pelo crescimento populacional. As comunidades costeiras estãocada vez mais instalando usinas para dessalinizar a águado oceano, mas as comunidades do interior também estãoprocurando maneiras de transformar fontes contaminadas - a¡guas subterra¢neas, escoamento agra­cola e resíduos industriais - em águalimpa e segura para plantações, casas e fa¡bricas.

Embora a osmose reversa e a eletrodia¡lise funcionem bem para remover o sal de fontes de águade alta salinidade, como a águado mar, a salmoura concentrada deixada para trás pode ter altos na­veis de metais, incluindo ca¡dmio, cromo, mercaºrio, chumbo, cobre, zinco, ouro e ura¢nio.

Mas o oceano estãose tornando cada vez mais polua­do pelo escoamento da indústria e da agricultura, e ainda mais polua­do pelas fontes do interior.

"Isso seria especialmente útil para as áreas que tem baixos na­veis de contaminantes que ainda são ta³xicos nesses na­veis baixos, bem como diferentes locais de a¡guas residuais que tem muitos tipos de a­ons ta³xicos em seus fluxos", disse Long.

A maioria dos processos de dessalinização remove o sal - que existe em grande parte como a­ons de sãodio e cloro na água- usando uma membrana de osmose reversa, que permite a passagem da a¡gua, mas não dos a­ons, ou um pola­mero de troca ia´nica, que permite a passagem dos a­ons, mas não da a¡gua. A nova tecnologia apenas adiciona nanoparta­culas porosas, cada uma com cerca de 200 nana´metros de dia¢metro, que capturam a­ons específicos enquanto permitem a passagem de sãodio, cloro e outras moléculas carregadas não direcionadas.

Longos projeta e estuda materiais porosos que podem ser decorados com moléculas exclusivas que capturam compostos direcionados de fluxos de la­quidos ou gases: dia³xido de carbono das emissaµes de usinas de energia, por exemplo. As nanoparta­culas usadas nessas membranas polimanãricas são chamadas de estruturas aroma¡ticas porosas, ou PAFs, que são redes tridimensionais de a¡tomos de carbono ligados por compostos feitos de maºltiplas moléculas em forma de anel - grupos químicos chamados de compostos aroma¡ticos. A estrutura interna estãorelacionada a  de um diamante, mas com a ligação entre os a¡tomos de carbono alongada pelo ligante aroma¡tico para criar muito espaço interno. Va¡rias moléculas podem ser anexadas aos ligantes aroma¡ticos para capturar produtos químicos específicos.

Para capturar o mercaºrio, por exemplo, são anexados compostos de enxofre chamados tia³is, que são conhecidos por se ligarem fortemente ao mercaºrio. Grupos de enxofre metilados adicionados permitem a captura de cobre e grupos contendo oxigaªnio e ferro de captura de enxofre. As nanoparta­culas alteradas representam cerca de 20% do peso da membrana, mas, por serem muito porosas, respondem por cerca de 45% do volume.

Os ca¡lculos sugerem que um quilograma da membrana polimanãrica poderia retirar essencialmente todo o mercaºrio de 35.000 litros de águacontendo 5 partes por milha£o (ppm) do metal, antes de requerer a regeneração da membrana.

Uliana mostrou em seus experimentos que o a¡cido ba³rico, um composto de boro ta³xico para as plantações, pode ser removido por essas membranas, embora com dia¡lise por difusão que depende de um gradiente de concentração para conduzir o produto qua­mico - que não éia´nico, como os metais - atravanãs a membrana a ser capturada pelas nanoparta­culas de PAF.

“Tentamos diferentes tipos de águade alta salinidade - por exemplo, águasubterra¢nea, águaresidual industrial e também águasalobra - e o manãtodo funciona para cada uma delas”, disse ele. "Parece ser versa¡til para diferentes fontes de a¡gua; esse foi um dos princa­pios de design que quera­amos colocar nisso."

Uliana também demonstrou que as membranas podem ser reutilizadas muitas vezes - pelo menos 10, mas provavelmente mais - sem perder sua capacidade de absorver metais ia´nicos. E as membranas contendo PAFs ajustados para absorver metais liberam facilmente seus metais absorvidos para captura e reutilização.

"a‰ uma tecnologia em que, dependendo de quais são suas impurezas ta³xicas, vocêpode personalizar a membrana para lidar com esse tipo de a¡gua", acrescentou Long. "Vocaª pode ter problemas com chumbo, digamos, em Michigan, ou ferro e arsaªnico em Bangladesh. Então, vocêdireciona as membranas para fontes de águacontaminada especa­ficas . Esses materiais realmente as derrubam a na­veis muitas vezes incomensura¡veis."