Em muitas regiões do mundo, as águas subterrâneas estão contaminadas com arsênico de origem natural. A substância nociva, pode ser filtrada da água com a ajuda de ferro. Pela primeira vez, os pesquisadores da Eawag (Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology) tornaram visível exatamente o que acontece nesse processo em um novo tipo de configuração experimental.
Quando o ferro metálico corrói, ou seja, enferruja, formam-se óxidos de ferro que podem ligar fortemente poluentes como o arsênico. Filtros de água simples e baratos são baseados neste princípio, que as pessoas nas regiões afetadas da África e Ásia podem usar para tratar água potável contaminada com arsênico. Pó de ferro, limalha de ferro ou pregos de ferro são usados, muitas vezes em combinação com areia. Muita pesquisa foi feita nos últimos anos sobre a eficiência desses métodos de filtragem, inclusive na Eawag em Bangladesh. “Estudos anteriores sobre este tópico têm uma desvantagem, no entanto”, diz Andreas Voegelin, chefe do grupo de Geoquímica Ambiental Molecular do departamento de Recursos Hídricos e Água Potável da Eawag. “As reações entre arsênio e ferro são geralmente investigadas em suspensões nas quais o material filtrante está boiando na água. No entanto, os resultados não mostram quais processos ocorrem no espaço poroso, ou seja, as cavidades entre as partículas sólidas individuais de um filtro. Os pesquisadores estavam particularmente interessados em como a remoção de arsênico é influenciada pela operação periódica de um filtro de água, ou seja, quando se alternam o fluxo e o acúmulo de água.
Os pesquisadores puderam usar o experimento para mostrar quando e onde o arsênico e outros elementos da água estavam ligados ao ferro. (Foto: Eawag)
Os grupos de trabalho de Andreas Voegelin, Joaquin Jimenez-Martinez, Stephan Hug e Michael Berg queriam explorar essa questão em um experimento conjunto que combinasse todos os seus conhecimentos. O engenheiro ambiental Jonas Wielinski, que fez doutorado na Eawag, assumiu as tarefas desafiadoras e desenvolveu uma configuração experimental que reproduz as condições em um filtro de arsênico da melhor maneira possível e as torna visíveis. “Nosso objetivo era observar e entender os processos geoquímicos no espaço poroso entre partículas de ferro e grãos de areia na escala de micrômetros”, diz Wielinski, que agora é pesquisador de pós-doutorado na Universidade Carnegie Mellon, nos EUA.
A montagem experimental consistiu, da esquerda para a direita, de uma bomba, um microscópio óptico sob o qual foi colocado o modelo do filtro, um coletor de frações para análise da água filtrada e a tela na qual as imagens do microscópio podiam ser observadas. (Foto: Eawag)
Filtros em miniatura sob o microscópio
Sob um microscópio óptico no laboratório de micro fluídos de Jimenez-Martinez, Wielinski examinou um filtro de arsênico em miniatura: um canal de apenas 250 micrômetros de profundidade e 45 milímetros de comprimento, preenchido alternadamente com tiras de areia de quartzo e grãos de ferro. Os pesquisadores adicionaram arsênico e outros elementos à água usada para executar o modelo de filtro em concentrações típicas de águas subterrâneas em Bangladesh. A bomba conectada ao filtro bombeou água pelo sistema por doze horas de cada vez, seguida por um intervalo de doze horas, durante o qual a água repousava no filtro. Wielinski amostrava regularmente a água filtrada durante o experimento, que durou várias semanas para determinar a remoção do arsênico. Com o microscópio óptico, ele tirava automaticamente uma foto do modelo do filtro a cada 30 minutos. Reproduzidas em movimento rápido, essas imagens mostram em detalhes como o ferro metálico se corrói e como os óxidos de ferro recém-formados mudam de cor em ciclos de verde-preto para laranja-vermelho e marrom quando a água está fluindo e vice-versa quando a água é parada. Essas mudanças de cor são consequência dos processos de corrosão, no decorrer dos quais vários óxidos de ferro são formados e transformados ciclicamente.
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Vídeo: Reproduzidas em movimento rápido, as imagens do microscópio óptico mostram como os grãos de ferro mudam de cor no decorrer do processo de corrosão, dependendo se a água está fluindo ou se acumulando. Nos locais marcados M1-M6 marcados em verde, os pesquisadores observaram as transformações cíclicas dos óxidos de ferro, transporte de partículas e a formação de bolhas de gás.
A alternância entre o fluxo e o acúmulo de água favorece a filtração
Após o término do experimento, o modelo do filtro foi analisado por microscopia de raios X para determinar o tipo e a distribuição dos óxidos de ferro e do arsênico ligados a eles. Ao combinar esses resultados com as mudanças de cor observadas no microscópio óptico, os pesquisadores puderam entender em detalhes a dinâmica de formação e transformação dos óxidos de ferro no filtro e seu efeito na remoção de arsênico.
“Com esta nova configuração experimental, conseguimos demonstrar visualmente como a distribuição dos grãos de areia de ferro e quartzo e o fluxo de água através do filtro influenciam a sequência espacial e temporal da remoção de arsênico”, diz Wielinski. Em particular, a alternância entre o fluxo de água e o acúmulo de água teve um efeito positivo no desempenho do filtro. “Uma percepção que é útil na otimização desses filtros”, observa e acrescenta: “A configuração desenvolvida neste estudo também tem grande potencial para pesquisar outros processos biogeoquímicos em meios porosos, como aquíferos subterrâneos ou solos.
Publicação Original
Wielinski, J.; Jimenez-Martinez, J.; Göttlicher, J.; Steininger, R.; Mangold, S.; Hug, S. J.; Berg, M.; Voegelin, A. (2022) Spatiotemporal mineral phase evolution and arsenic retention in microfluidic models of zerovalent iron-based water treatment, Environmental Science and Technology, 56(19), 13696-13708, doi:10.1021/acs.est.2c02189, Institutional Repository
Fonte: Eawag (Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology) e Isabel Plana
Adaptado por Digital Water
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