Pela primeira vez, uma equipe de pesquisadores da Stony Brook University e do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) revelou a estrutura molecular das membranas usadas na osmose reversa. A pesquisa é relatada em um artigo publicado recentemente em Letras Macro ACS , um jornal da American Chemical Society (ACS).

A osmose reversa é o principal método de conversão de água salobra ou água do mar em água potável ou potável, e é usado para fazer cerca de 25, 000 milhões de galões de água doce por dia em todo o mundo, de acordo com a International Water Association.

"A maior parte da água da terra está nos oceanos e apenas três por cento é água doce, portanto, a purificação da água é uma ferramenta essencial para satisfazer a crescente demanda por água potável, "disse o cientista sênior do Brookhaven Lab Benjamin Ocko." A osmose reversa não é uma tecnologia nova; Contudo, a estrutura molecular de muitos dos filmes de polímero muito finos que servem como camada de barreira nas membranas de osmose reversa, apesar de sua importância, não era conhecido anteriormente. "

A fina camada de barreira de polímero usada na membrana de osmose reversa é semipermeável. Pequenas moléculas, como a água, podem cruzar de um lado para o outro da membrana, mas outras moléculas, como sódio hidratado ou íons de cloreto, não pode cruzar a camada de barreira. Essa característica é o que permite que essas membranas filtrem o sal do soro fisiológico para fazer água potável. Durante um processo comercial de osmose reversa, a água salgada é pressurizada para forçar a água doce através da membrana.

Uma vez que a água do mar deve ser pressionada através da membrana, o consumo de energia das instalações de osmose reversa é alto. Para fazer 100 litros de água doce com osmose reversa, o custo da energia é de cerca de um quilowatt-hora, o equivalente a acender uma lâmpada de 100 watts por 10 horas.

"Mesmo pequenas melhorias no desempenho das membranas de filtração resultariam em uma enorme economia de energia e custos globalmente, "disse Benjamin S. Hsiao, distinto professor da Stony Brook University. "Portanto, estamos olhando para as membranas em um nível molecular. Queremos descobrir como a estrutura molecular contribui para membranas altamente eficientes e usar esse conhecimento para projetar membranas aprimoradas. "

Para essas medições, a equipe fez um filme fino de polímero bem definido na interface óleo / água usando um método chamado polimerização interfacial, que é semelhante ao processo industrial. Como um epóxi de duas partes, um dos componentes moleculares é adicionado à água e o outro é adicionado ao óleo. Na interface, onde a água e o óleo se tocam - como a interface entre o óleo e o vinagre no molho para salada - os dois componentes moleculares reagem um com o outro e criam uma película de polímero muito fina.

"O filme fino resultante tem apenas um milésimo da espessura de um cabelo humano. Também é estruturalmente semelhante à fina camada de barreira nas membranas de osmose reversa comerciais, mas é muito mais suave, "disse Francisco Medellin-Rodriguez, professor da Universidade Autônoma de San Luis Potosi, no México. "Para estudar esses filmes finos, precisamos de raios-x ultrabright, bem como ferramentas analíticas e de simulação avançadas. "

Usando raios-x ultrabright da National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), um DOE Office of Science User Facility em Brookhaven, os pesquisadores estão começando a desvendar a relação entre a estrutura molecular das membranas e sua eficácia.

De acordo com Qinyi Fu, um estudante de pós-graduação da Stony Brook University e principal autor do estudo, "Para resolver a estrutura molecular das membranas, a equipe estudou os padrões de espalhamento de raios-x usando uma técnica chamada espalhamento de raios-X de grande angular com incidência rasante nas linhas de feixe de dispersão de materiais complexos (CMS) e interfaces de matéria macia (SMI) do NSLS-II. "

Nesta técnica, os raios X atingem a membrana em um pequeno ângulo e se espalham pela superfície. Eles são então capturados por um detector que registra o chamado padrão de espalhamento dos raios X que é específico da estrutura molecular da membrana.

"No padrão de dispersão, somos capazes de identificar motivos de empacotamento molecular:como as moléculas vizinhas no polímero estão organizadas umas em relação às outras. Um é o motivo paralelo e o segundo é o motivo perpendicular, "disse Ocko." Embora os dois motivos da embalagem estejam presentes, o motivo de empacotamento perpendicular está melhor correlacionado com as propriedades de filtração ideais. "

Hsiao acrescentou, "Nossas descobertas também mostram que a estrutura molecular é preferencialmente orientada em relação à superfície da membrana. Isso é bastante intrigante e pode estar relacionado à forma como as vias de água na membrana são orientadas."

Mais recentemente, a equipe começou a estudar membranas de osmose reversa que são fabricadas para sistemas comerciais de purificação de água. Os produtos químicos usados ​​para preparar essas membranas são os mesmos que foram usados ​​para fazer filmes de membrana nas interfaces óleo / água.

“Os processos comerciais são protegidos por segredos comerciais corporativos e as condições precisas de fabricação não são conhecidas, "Disse Ocko." Apesar disso, nossos resultados mostram que as membranas comerciais exibem propriedades estruturais semelhantes às das membranas modelo preparadas em nosso laboratório na interface óleo / água, incluindo os motivos paralelos e perpendiculares e orientação molecular preferencial. "

Ao estudar muitos materiais de membrana e comparar suas propriedades estruturais determinadas por raios-X com suas características de filtração, os cientistas esperam desenvolver uma relação estrutura-função detalhada.

"Esperamos que isso ajude o desenvolvimento de membranas com maior eficiência energética para as futuras gerações de sistemas de filtração de água, "Hsiao disse.