Tecnologia revolucionária pode combater a escassez global de água e problemas de energia
Uma colaboração internacional liderada por pesquisadores da Universidade de Kobe (Japão), desenvolveu com sucesso uma membrana fotocatalítica laminada em nanofolha (*1) que demonstra excelente permeabilidade à água e atividade fotocatalítica. As propriedades fotocatalíticas da membrana facilitam a limpeza, pois irradiar a membrana com luz reduz com sucesso a incrustação (*2). Eles desenvolveram esta membrana laminando nanomateriais 2D (nanofolhas (*3)) em um suporte poroso.
Essa tecnologia revolucionária de membrana pode ser aplicada à purificação de água e, portanto, tem o potencial de contribuir para lidar com questões ambientais e energéticas globais, ajudando a garantir o abastecimento seguro de água potável e energia limpa. Espera-se que isso acelere o movimento em direção a sociedades sustentáveis e neutras em carbono.
Este desenvolvimento foi feito por um grupo de pesquisa da Escola de Pós-Graduação em Ciência, Tecnologia e Inovação da Universidade de Kobe/Centro de Pesquisa em Tecnologia de Membranas e Filmes (Professor Associado NAKAGAWA Keizo, Professor YOSHIOKA Tomohisa e Professor MATSUYAMA Hideto) em colaboração com o Professor TACHIKAWA Takashi da Universidade do Centro de Pesquisa em Fotociência Molecular da Universidade de Kobe, Professor Associado Chechia Hu da Universidade Nacional de Ciência e Tecnologia de Taiwan e Professor Shik Chi Edman Tsang da Universidade de Oxford.
Os resultados foram publicados pela primeira vez no ‘Chemical Engineering Journal‘ em 7 de abril de 2022.
Pontos Principais
- Os pesquisadores desenvolveram com sucesso uma nova membrana fotocatalítica laminada em nanofolha que demonstra excelente permeabilidade e atividade fotocatalítica.
- A sinergia dos materiais de nanofolhas melhorou muito a permeabilidade à água e a atividade fotocatalítica.
- A propriedade fotocatalítica reduz o entupimento da membrana (incrustação).
- Os pesquisadores propõem a aplicação dessa membrana em um processo de purificação de água por meio de energia limpa (luz).
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Histórico da Pesquisa
O acesso adequado à água em muitas regiões do mundo, está se tornando um problema crescente em face da mudança climática global, aumento acentuado da população e crescimento econômico dos países em desenvolvimento. Foi relatado que dois terços da população mundial sofrerão escassez de água até 2025. Para evitar essa grave escassez, a adoção generalizada de tecnologias de reciclagem e purificação de água, bem como o uso eficiente de tecnologias de produção de água (por exemplo, dessalinização da água do mar), são cruciais.
O método de filtração por membrana é atualmente usado em 900 plantas de purificação de água porque fornece água de boa qualidade de forma contínua e estável. No entanto, existe o problema da incrustação da membrana, onde a membrana, que separa e remove os contaminantes da água, fica entupida. Quando ocorre a incrustação da membrana, não é mais possível obter a quantidade necessária de água tratada. Portanto, é necessário lavar ou substituir a membrana. Para resolver este problema, muitas pesquisas tem sido realizadas sobre vários métodos de prevenção de incrustações, no entanto, ainda não foi encontrada uma solução satisfatória.
Foi proposto um método que requer menos energia e com baixo impacto ambiental. Isso envolve a introdução de um material fotocatalítico (como a titânia) na membrana e a remoção de poluentes por meio de fotocatálise. No entanto, além de ser capaz de tratar a água, tal membrana também deve demonstrar capacidade de resposta à luz visível e alta atividade fotocatalítica. Isso exige que o projetista considere o projeto da membrana sob várias perspectivas, incluindo o material e a estrutura da membrana.
Este grupo de pesquisa desenvolveu anteriormente uma membrana de nanofiltração, que funciona utilizando canais 2D entre suas camadas de nanofolhas. Eles desenvolveram esta membrana laminando nanofolhas de niobato (*4) (um tipo de nanofolha de óxido metálico, com cada folha tendo cerca de um nanômetro de espessura e algumas centenas de nanômetros de largura) em uma membrana de suporte porosa, que criou os canais 2D entre as nanofolhas.
Neste estudo, eles descobriram que adicionar nanofolhas de nitreto de carbono (que tem capacidade de resposta à luz visível) à membrana em camadas de nanofolhas de niobato, deu à membrana maior permeabilidade à água enquanto aumentava muito a atividade fotocatalítica. Além disso, as propriedades fotocatalíticas da membrana corrigiram completamente a questão de a permeabilidade da membrana ser reduzida devido à incrustação.
Metodologia de Pesquisa
As membranas laminadas de nanofolhas podem ser formadas por simples filtração a vácuo de materiais de nanofolhas (soluções coloidais) sobre membranas de suporte de polímero. Neste estudo, o grupo de pesquisa produziu uma membrana laminada em nanofolha ultrafina com cerca de 100 nanômetros de espessura (Figura 1a). As medições de difração de raios-X e fracionamento de peso molecular revelaram que a introdução de nanofolhas de nitreto de carbono (*5) em uma membrana laminada de nanofolha de niobato poderia controlar o diâmetro dos nanocanais entre as camadas.
Em termos de funcionalidade, a membrana de nanofiltração laminada com uma proporção de 74:25 de nanofolha de niobato (HNB3O8) para nanofolha de nitreto de carbono (g-C3N4) manteve seu desempenho de separação, enquanto demonstrava um aumento de 8 vezes na permeabilidade da água (Figura 1b). Em termos de desempenho fotocatalítico, a integração de nanofolhas de nitreto de carbono permitiu a absorção de luz visível. Além disso, essa combinação de nanofolhas melhorou muito a capacidade da membrana de fotodegradar corantes catiônicos (rodamina B) (Figura 1c)
Imagem: Universidade de Kobe
Figura 1.
- a) Imagem de microscópio eletrônico mostrando uma seção transversal da membrana fotocatalítica laminada em nanofolha desenvolvida neste estudo.
(b) Comparação de como diferentes combinações de nanofolhas afetam a velocidade de permeação da água.
(c) Mudanças na taxa constante da reação de fotodegradação da rodamina B dependendo da combinação de nanofolhas (inserção: fotos mostrando a solução de corante antes e depois da fotoirradiação).
Quando a membrana composta desenvolvida é utilizada como membrana de separação, as nanofolhas de niobato dão a membrana laminada sua estrutura, enquanto o nitreto de carbono é introduzido entre essas camadas e atua como espaçador. Consequentemente, os canais na membrana laminada se expandem, aumentando consideravelmente a taxa de permeação de água (lado esquerdo da Figura 2a). Controlar a estrutura do canal desta forma permite que 90% de um corante (com peso molecular de aproximadamente 1000) seja separado da água. A funcionalidade fotocatalítica da membrana é a seguinte: as nanofolhas de nitreto de carbono funcionam como fotocatalisadores que absorvem a luz visível e as nanofolhas de niobato atuam como promotores catalíticos. Além disso, o grupo de pesquisa revelou que controlar adequadamente a estrutura da banda permitiu que os elétrons se movessem com eficiência, resultando em um aumento dramático na atividade fotocatalítica (lado direito da Figura 2a). Usando esses resultados como base, os pesquisadores aplicaram a membrana na purificação da água e conduziram um experimento de incrustação de membrana usando albumina sérica bovina (BSA) como incrustante. A incrustação de BSA reduziu a velocidade de permeação de água da membrana para 1/5 de seu desempenho normal. No entanto, os pesquisadores conseguiram restaurar completamente sua permeabilidade através da irradiação da membrana de nanofolha composta (Figura 2b).
Imagem: Universidade de Kobe
Figura 2.
(a) O projeto da nova membrana fotocatalítica laminada em nanofolha, que usa dois tipos de nanofolha, cada um com funções diferentes.
(b) Mudanças na velocidade relativa de permeação da água de membrana fotocatalítica antes e depois da fotoirradiação. A albumina de soro bovino (BSA) foi usada como incrustante. O desempenho de duas membranas diferentes foi comparado: uma membrana laminada com nanofolha de niobato (HNb3O 8) e uma membrana laminada com nanofolha composta de niobato/nitreto de carbono (HNb3O8 /g-C3N4).
Mais Pesquisas
Ao entrelaçar diferentes tipos de nanofolhas para formar nanocanais 2D, os pesquisadores desenvolveram com sucesso uma membrana que demonstra excelente permeabilidade à água e atividade fotocatalítica. Espera-se que melhorias adicionais, possam ser feitas na funcionalidade da membrana e na ação fotocatalítica, alterando o tipo de nanofolha para controlar com mais precisão a formação de nanocanais 2D e a estrutura da banda. Em seguida, os pesquisadores esperam aumentar a área da membrana e desenvolver o processo fotocatalítico, visando a aplicação industrial e prática.
1. Fotocatalisador:
Um material que demonstra catálise (acelera uma reação) quando iluminado pela luz. Elétrons excitados e orificios gerados dentro do fotocatalisador quando este absorve a luz resultam em redução e oxidação, respectivamente. Este estudo utiliza um fotocatalisador para a degradação oxidativa de um composto orgânico.
2. Incrustação:
O fenômeno pelo qual as substâncias a serem separadas (incrustantes) da água aderem e se acumulam na superfície e nos poros da membrana.
3. Nanofolha:
Um material coloidal com uma espessura molecular e um tamanho planar de várias centenas de nanômetros para ordem de mícron. Em outras palavras, uma estrutura 2D extremamente fina que é invisível a olho nu. Estudos relataram vários tipos de nanofolhas, como nanofolhas de óxido metálico (por exemplo, óxido de grafeno).
4. Nanofolha de niobato:
Um tipo de nanofolha de óxido metálico. Cristais de nanofolhas são formados conectando horizontalmente a estrutura octaédrica de NbO6- . É usado como fotocatalisador e como catalisador ácido sólido.
5. Nitreto de Carbono:
Uma família de materiais. Neste estudo, uma estrutura planar composta por átomos de hidrogênio, carbono e nitrogênio (nitreto de carbono grafítico, gC3N4). É um semicondutor com um pequeno bandgap e é um fotocatalisador responsivo à luz visível.
Fonte: Water Online / Universidade de Kobe
Adaptado por Digital Water
