Filtrando e tratando água, tanto para consumo humano quanto para limpar águas residuais industriais e municipais, responde por cerca de 13% de toda a eletricidade consumida nos EUA a cada ano e libera cerca de 290 milhões de toneladas métricas de CO ₂ na atmosfera anualmente - aproximadamente o equivalente ao peso combinado de cada ser humano na Terra.

Um dos métodos mais comuns de processamento de água é a passagem por uma membrana com poros dimensionados para filtrar partículas maiores do que as moléculas de água. Contudo, essas membranas são suscetíveis a "incrustações, "ou entupimento pelos próprios materiais que eles são projetados para filtrar, necessitando de mais eletricidade para forçar a água através de uma membrana parcialmente obstruída e substituição frequente da membrana, ambos aumentam os custos do tratamento de água.

Uma nova pesquisa do Wyss Institute for Biologicamente Inspired Engineering da Harvard University e de colaboradores da Northeastern University e da University of Waterloo demonstra que as membranas de entrada de líquido (LGMs) de Wyss filtram as partículas de nanoargila para fora da água com eficiência duas vezes maior, quase três vezes mais tempo para falta, e uma redução na pressão necessária para filtração sobre membranas convencionais, oferecendo uma solução que poderia reduzir o custo e o consumo de eletricidade de processos industriais de alto impacto, como perfuração de petróleo e gás. O estudo é relatado em Materiais APL .

"Este é o primeiro estudo a demonstrar que os LGMs podem alcançar filtração sustentada em configurações semelhantes às encontradas na indústria pesada, e fornece uma visão de como os LGMs resistem a diferentes tipos de incrustação, o que pode levar ao seu uso em uma variedade de configurações de processamento de água, "disse o primeiro autor Jack Alvarenga, um cientista pesquisador no Instituto Wyss.

LGMs imitam o uso da natureza de poros cheios de líquido para controlar o movimento de líquidos, gases e partículas através de filtros biológicos usando a menor quantidade possível de energia, muito parecido com as pequenas aberturas dos estômatos nas folhas das plantas, permitem a passagem de gases. Cada LGM é revestido com um líquido que atua como uma porta reversível, preenchendo e selando seus poros no estado "fechado". Quando a pressão é aplicada à membrana, o líquido dentro dos poros é puxado para os lados, criando aberto, poros revestidos de líquido que podem ser ajustados para permitir a passagem de líquidos ou gases específicos, e resistir a incrustações devido à superfície escorregadia da camada de líquido. O uso de poros revestidos de fluido também permite a separação de um composto alvo de uma mistura de diferentes substâncias, que é comum no processamento de líquidos industriais.

A equipe de pesquisa decidiu testar seus LGMs em uma suspensão de argila de bentonita em água, como tal, as soluções de "nanoargila" imitam as águas residuais produzidas pelas atividades de perfuração na indústria de petróleo e gás. Eles infundiram discos de 25 mm de uma membrana de filtro padrão com perfluoropoliéter, um tipo de lubrificante líquido que tem sido usado na indústria aeroespacial por mais de 30 anos, para convertê-los em LGMs. Eles então colocaram as membranas sob pressão para puxar a água através dos poros, mas deixaram as partículas de nanoargila para trás, e comparou o desempenho de membranas não tratadas com LGMs.

As membranas não tratadas exibiam sinais de incrustação de nanoargila muito mais rapidamente do que os LGMs, e os LGMs foram capazes de filtrar a água três vezes mais do que as membranas padrão antes de exigir um procedimento de "retrolavagem" para remover as partículas que se acumularam na membrana. A retrolavagem menos frequente pode se traduzir em uma redução no uso de produtos químicos de limpeza e energia necessária para bombear a água de retrolavagem, e melhorar a taxa de filtração em ambientes de tratamento de água industrial.

Embora os LGMs tenham eventualmente sofrido incrustações, eles exibiram uma redução de 60% na quantidade de nanoargila que se acumulou em sua estrutura durante a filtração, que é conhecido como "incrustação irreversível" porque não é removido por retrolavagem. Essa vantagem dá aos LGMs uma vida útil mais longa e torna mais do filtrado recuperável para usos alternativos. Adicionalmente, os LGMs exigiram 16% menos pressão para iniciar o processo de filtração, refletindo mais economia de energia.

"Os LGMs têm potencial para uso em indústrias tão diversas como processamento de alimentos e bebidas, fabricação biofarmacêutica, têxteis, papel, polpa, químico, e petroquímica, e poderia oferecer melhorias no uso de energia e eficiência em uma ampla faixa de aplicações industriais, "disse a autora correspondente Joanna Aizenberg, Ph.D., que é membro do corpo docente fundador do Wyss Institute e Amy Smith Berylson Professor de Ciências de Materiais na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard.

As próximas etapas da equipe para a pesquisa incluem estudos-piloto em larga escala com parceiros da indústria, operação de longo prazo dos LGMs, e filtrar misturas de substâncias ainda mais complexas. Esses estudos fornecerão uma visão sobre a viabilidade comercial de LGMs para diferentes aplicações, e quanto tempo durariam em vários casos de uso.

"O conceito de usar um líquido para ajudar a filtrar outros líquidos, embora talvez não seja óbvio para nós, é predominante na natureza. É maravilhoso ver como alavancar a inovação da natureza dessa maneira pode potencialmente levar a uma enorme economia de energia, "disse o Diretor Fundador da Wyss, Donald Ingber, M.D., Ph.D., que também é o professor Judah Folkman de Biologia Vascular na Harvard Medical School e do Programa de Biologia Vascular no Hospital Infantil de Boston, bem como Professor de Bioengenharia no SEAS.