Uma equipe de pesquisadores do Instituto Central de Pesquisa de Sal e Produtos Químicos Marinhos (CSMCRI) do CSIR, do Instituto Indiano de Tecnologia Gandhinagar (IITGN), da Universidade Tecnológica de Nanyang em Cingapura e do Centro Nacional de Ciências Básicas SN Bose desenvolveu um novo tipo de membrana de filtro de alta precisão. Um estudo publicado em Jornal da Sociedade Química Americanadescreve uma tecnologia que pode ajudar a indústria a reduzir o consumo de energia e aumentar significativamente a reutilização de água.
Muitos tipos de atividade industrial dependem da separação de diferentes substâncias umas das outras. Esses processos de separação são importantes para tarefas como purificação de medicamentos, processamento de corantes têxteis e produção de alimentos. No entanto, também estão entre as operações de produção com maior consumo de energia, representando aproximadamente 40% a 50% do consumo global de energia industrial.
A maioria das instalações ainda depende de abordagens tradicionais, como destilação e evaporação. Apesar da sua eficiência, estes métodos requerem muita energia e contribuem significativamente para as emissões de dióxido de carbono. A filtração por membrana é geralmente considerada uma alternativa mais limpa, mas as membranas poliméricas convencionais geralmente contêm tamanhos de poros diferentes. Com o tempo, esses vapores podem mudar de forma ou deteriorar-se, reduzindo o desempenho e limitando a sua utilidade em ambientes industriais desafiadores.
POMembranas inspiradas na natureza com poros de um nanômetro
“Para resolver essas limitações, criamos uma nova classe de membranas cristalinas ultrasseletivas chamadas ‘POmbranas’, que contêm poros com cerca de um nanômetro de largura, milhares de vezes mais finos que um fio de cabelo humano”, disse o Dr. Shilpi Kushwaha, pesquisador sênior do CSMCRI.
As novas membranas inspiram-se em sistemas biológicos como as aquaporinas, que regulam o movimento das moléculas através de canais de tamanhos precisos. Para atingir esse nível de controle, os pesquisadores usaram clusters de polioxometalato (POM). Cada aglomerado contém um buraco natural com exatamente 1 nanômetro de largura que permanece permanentemente estável.
De acordo com Priyanka Dobaria, pesquisadora do CSMCRI e uma das autoras 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 para os filtros de plástico tradicionais. “
Construção de uma peneira molecular ultrafina
A criação de uma membrana prática exigiu a disposição de bilhões dessas minúsculas estruturas semelhantes a anéis em uma camada contínua e livre de defeitos. Para conseguir isso, os pesquisadores anexaram cadeias químicas flexíveis aos clusters POM.
Quando os aglomerados modificados foram colocados na água, eles se espalharam naturalmente e se organizaram em um filme ultrafino de grande área. Ao variar o comprimento das cadeias anexadas, a equipe foi capaz de controlar o quão firmemente os aglomerados se agrupavam.
“Isso forçou as moléculas a cruzar a membrana através de um único caminho aberto, buracos de um nanômetro embutidos em cada cluster, permitindo que a membrana atuasse como uma peneira de alta tecnologia”, acrescentou o Dr. Raghavan Ranganathan, professor assistente de ciência de materiais no IITGN.
Ranganathan e Vinay Thakur, PhD no IITGN e um dos primeiros autores do artigo, também realizaram simulações em nível molecular que mostraram como as membranas desempenham sua função de filtração.
Desempenho de separação quase dez vezes melhor
Os testes mostraram que as membranas podem distinguir entre moléculas que diferem em apenas 100-200 Daltons, um nível de precisão que é extremamente difícil de alcançar com membranas poliméricas convencionais.
Ketan Patel, cientista-chefe do CSMCRI, essa capacidade poderia criar novas oportunidades para processos de fabricação mais sustentáveis.
“Nossas membranas apresentam desempenho de separação quase dez vezes melhor em comparação com as tecnologias existentes, ao mesmo tempo que permanecem flexíveis, estáveis e escaláveis”, disse ele.
“Além disso, essas membranas são flexíveis, estáveis em diferentes níveis de acidez (faixas de pH) e podem ser produzidas em folhas grandes. Essa combinação é essencial para que as membranas sejam amplamente adotadas na indústria.”
Benefícios potenciais para têxteis e reciclagem de água
A tecnologia poderá ser particularmente valiosa para as indústrias têxtil e farmacêutica da Índia, que desempenham um papel importante na economia do país.
O setor têxtil e de vestuário da Índia é responsável por mais de 2,3% do PIB e por aproximadamente 13% da produção industrial. O mercado interno está agora estimado em 160-225 mil milhões de dólares e espera-se que cresça para 250-350 mil milhões de dólares até 2030.
O tingimento e acabamento têxtil geram grandes quantidades de águas residuais contaminadas, tornando a remoção de corantes e a reutilização de água desafios constantes. As novas membranas podem remover seletivamente moléculas de corante e, ao mesmo tempo, permitir que a água seja reciclada, reduzindo a necessidade de água doce e o desperdício de produtos químicos. Esta vantagem é especialmente importante à medida que o mercado de tratamento de águas residuais na Índia continua a crescer.
Aplicação na produção farmacêutica
As membranas também podem beneficiar a fabricação farmacêutica, onde a separação de alta precisão é crítica para a qualidade do produto e a eficiência da produção.
“Processos como purificação de medicamentos e recuperação de solventes consomem muita energia e são sensíveis à qualidade”, observou o Sr. Vinay Thakur. “Membranas altamente seletivas como essas podem reduzir o consumo de energia e, ao mesmo tempo, manter os padrões exigentes exigidos na fabricação farmacêutica.”
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 moderna.
À medida que a indústria procura 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 à tecnologia de materiais escalonáveis, os pesquisadores demonstraram como o design inspirado na natureza pode ajudar a resolver sérios problemas industriais.
