Uma equipe de pesquisadores do CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research Institute (CSMCRI), do Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN), da Nanyang Technological University de Cingapura e do SN Bose National Center for Basic Sciences desenvolveu um novo tipo de membrana de filtração altamente precisa. Pesquisa, publicada Jornal da Sociedade Química AmericanaDescreve uma tecnologia que pode ajudar as indústrias a reduzir o uso de energia e aumentar drasticamente a reutilização de água.
Muitos processos industriais dependem da separação de diferentes substâncias umas das outras. Esses processos de separação são essenciais para tarefas como refino de medicamentos, tratamento de corantes têxteis e produção de alimentos. No entanto, estão entre as atividades de produção com utilização mais intensiva de energia, representando cerca de 40% a 50% do consumo global de energia industrial.
A maioria das instalações ainda depende de métodos tradicionais, como destilação e evaporação. Embora eficazes, estes métodos requerem grandes quantidades de energia e contribuem significativamente para as emissões de carbono. A filtração baseada em membrana é geralmente considerada uma alternativa mais limpa, mas as membranas poliméricas convencionais geralmente apresentam poros de tamanhos desiguais. Com o tempo, esses poros podem mudar de forma ou degradar-se, reduzindo o desempenho e limitando a sua utilidade em ambientes industriais exigentes.
POMembranas inspiradas na natureza com poros de um nanômetro
“Para resolver essas limitações, projetamos uma nova classe de membranas cristalinas ultrasseletivas chamadas” POmbranas “, que contêm poros com cerca de um nanômetro de largura, mil vezes mais finos que um fio de cabelo humano”, disse o cientista sênior do CSMCRI, Dr. Shilpi Kushwaha.
As novas membranas inspiram-se em sistemas biológicos como as aquaporinas, que regulam o movimento das moléculas através de canais de formato preciso. Para atingir esse nível de controle, os pesquisadores usaram clusters de polioxometalato (POM). Cada cluster tem uma abertura natural com exatamente 1 nanômetro de largura e permanentemente estável.
De acordo com Priyanka Dobaria, pesquisadora do CSMCRI e coautora do artigo, “Esses POMs são pequenos aglomerados de metal em forma de coroa com um orifício perfeito e permanente no centro que não muda nem perde a forma, que é o maior obstáculo com filtros de plástico tradicionais.”
Fabricação de uma peneira molecular ultrafina
Construir uma membrana prática requer bilhões dessas minúsculas estruturas em forma de anel, dispostas em camadas contínuas e sem defeitos. Para conseguir isso, os pesquisadores anexaram cadeias químicas flexíveis aos clusters POM.
Quando os aglomerados modificados são colocados na água, eles se dispersam naturalmente e se organizam em um filme ultrassimples de grande área. Ao variar o comprimento das cadeias anexadas, a equipe foi capaz de controlar o quão próximos os clusters estavam agrupados.
“Isso forçou as moléculas a cruzar a membrana através da única passagem aberta, um poro de um nanômetro criado em cada aglomerado, permitindo que a membrana agisse como uma peneira de alta tecnologia”, acrescentou o Dr. Raghavan Ranganathan, professor associado de engenharia de materiais no IITGN.
Ranganathan e Sri Vinay Thakur, doutorando no IITGN e coautor do artigo, também realizaram simulações em nível molecular que revelaram como as membranas desempenham sua função de filtragem.
Desempenho de separação cerca de dez vezes melhor
Experimentos mostraram que as membranas podem distinguir entre moléculas separadas por apenas 100-200 daltons, um nível de precisão que é extremamente difícil de alcançar com membranas poliméricas convencionais.
De acordo com o Dr. Ketan Patel, Cientista Chefe do CSMCRI, esta capacidade poderia criar novas oportunidades para processos de produção mais sustentáveis.
“Nossa membrana apresenta desempenho de separação quase dez vezes melhor do que as tecnologias existentes, ao mesmo tempo que permanece flexível, estável e escalável”, disse ele.
“Além disso, essas membranas são flexíveis, estáveis em diferentes níveis de acidez (faixas de pH) e podem ser fabricadas em folhas grandes. Essa combinação é essencial para que essas membranas sejam amplamente adotadas na indústria.”
Benefícios potenciais para a reciclagem de têxteis e água
A tecnologia poderá ser particularmente valiosa para as indústrias têxtil e farmacêutica da Índia, que desempenham papéis importantes na economia do país.
O setor têxtil e de vestuário da Índia contribui com mais de 2,3% do PIB e representa cerca de 13% da produção industrial. O mercado interno está actualmente avaliado em 160-225 mil milhões de dólares e espera-se que se expanda para 250-350 mil milhões de dólares até 2030.
As operações de tingimento e acabamento têxtil geram grandes quantidades de águas residuais contaminadas, o que representa desafios contínuos na remoção de corantes e na reutilização de água. As novas membranas podem remover seletivamente as moléculas de corante, ao mesmo tempo que permitem a reciclagem da água, reduzindo tanto a procura de água doce como o desperdício químico. Este benefício é particularmente importante à medida que o mercado de tratamento de águas residuais da Índia continua a crescer.
Aplicações na fabricação farmacêutica
As membranas também podem beneficiar a fabricação farmacêutica, onde separações altamente precisas são essenciais para a qualidade do produto e a eficiência da fabricação.
“Processos como purificação de medicamentos e recuperação de solventes consomem muita energia e são sensíveis à qualidade”, observou Sri Vinay Tagore. “Membranas de alta seletividade como essas podem reduzir o consumo de energia e, ao mesmo tempo, manter os padrões rigorosos exigidos na produção farmacêutica.”
Uma tecnologia de plataforma para fabricação sustentável
Os pesquisadores descrevem as novas POMembranes como uma tecnologia de plataforma versátil. Sua estrutura ajustável, alta seletividade e capacidade de resistir a ambientes químicos agressivos os tornam adequados para uma ampla gama de tarefas de separação industrial, desde o tratamento de águas residuais até a produção química avançada.
À medida que as indústrias procuram cada vez mais tecnologias que combinem eficiência, durabilidade e sustentabilidade, as membranas de engenharia molecular podem tornar-se uma parte importante dos sistemas de produção da próxima geração. Ao aplicar um princípio comumente encontrado na biologia, o controle preciso em escala molecular, e adaptá-lo a uma tecnologia de materiais escalonável, os pesquisadores mostraram como o design inspirado na natureza pode ajudar a resolver grandes desafios industriais.
