Mais de uma em cada 10 pessoas no mundo não tem acesso básico à água potável, e em 2025, metade da população mundial viverá em áreas com escassez de água, é por isso que o acesso à água potável é um dos Grandes Desafios da Academia Nacional de Engenharia. Engenheiros da Universidade de Washington em St. Louis desenvolveram uma nova tecnologia de membrana que purifica a água e evita a incrustação biológica, ou acúmulo de bactérias e outros microorganismos prejudiciais que reduzem o fluxo de água.

E eles usaram bactérias para construir essas membranas de filtragem.

Srikanth Singamaneni, professor de engenharia mecânica e ciência dos materiais, e Young-Shin Jun, professor de energia, engenharia ambiental e química, e suas equipes combinaram sua experiência para desenvolver uma membrana de ultrafiltração usando óxido de grafeno e nanocelulose bacteriana que eles descobriram ser altamente eficientes, duradouro e amigo do ambiente. Se sua técnica fosse ampliada para um tamanho grande, poderia beneficiar muitos países em desenvolvimento onde a água potável é escassa.

Os resultados de seu trabalho foram publicados como matéria de capa na edição de 2 de janeiro de Ciência e Tecnologia Ambiental .

A bioincrustação é responsável por quase metade de toda a incrustação da membrana e é altamente desafiadora para erradicar completamente. Singamaneni e Jun enfrentam esse desafio juntos há quase cinco anos. Eles desenvolveram anteriormente outras membranas usando nanostars de ouro, mas queria projetar um que usasse materiais mais baratos.

Sua nova membrana começa alimentando a bactéria Gluconacetobacter hansenii com uma substância açucarada para que formem nanofibras de celulose quando na água. A equipe então incorporou flocos de óxido de grafeno (GO) na nanocelulose bacteriana enquanto ela crescia, essencialmente prendendo GO na membrana para torná-lo estável e durável.

Depois que o GO for incorporado, a membrana é tratada com solução básica para matar Gluconacetobacter. Durante este processo, os grupos de oxigênio do GO são eliminados, tornando GO reduzido. Quando a equipe iluminou a membrana com a luz do sol, os flocos GO reduzidos geraram calor imediatamente, que é dissipado na água circundante e na nanocelulose de bactérias.

Ironicamente, a membrana criada a partir de bactérias também pode matar bactérias.

"Se você quiser purificar a água com microorganismos nela, o óxido de grafeno reduzido na membrana pode absorver a luz solar, aquecer a membrana e matar as bactérias, "Singamaneni disse.

Singamaneni e Jun e sua equipe expuseram a membrana à bactéria E. coli, em seguida, iluminou a superfície da membrana. Depois de ser irradiado com luz por apenas 3 minutos, a bactéria E. coli morreu. A equipe determinou que a membrana aqueceu rapidamente acima dos 70 graus Celsius necessários para deteriorar as paredes celulares da bactéria E. coli.

Enquanto as bactérias são mortas, os pesquisadores tinham uma membrana cristalina com fibras de nanocelulose de alta qualidade que eram capazes de filtrar água duas vezes mais rápido do que as membranas de ultrafiltração disponíveis comercialmente sob alta pressão operacional.

Quando eles fizeram o mesmo experimento em uma membrana feita de nanocelulose bacteriana sem o GO reduzido, a bactéria E. coli permaneceu viva.

"É como a impressão 3D com microorganismos, "Disse Jun." Podemos adicionar o que quisermos à nanocelulose da bactéria durante seu crescimento. Nós o observamos em diferentes condições de pH semelhantes ao que encontramos no ambiente, e essas membranas são muito mais estáveis ​​em comparação com as membranas preparadas por filtração a vácuo ou revestimento giratório de óxido de grafeno. "

Embora Singamaneni e Jun reconheçam que a implementação deste processo em sistemas convencionais de osmose reversa é desgastante, eles propõem um sistema de módulo enrolado em espiral, semelhante a um rolo de toalhas. Pode ser equipado com LEDs ou um tipo de nanogerador que aproveita a energia mecânica do fluxo de fluido para produzir luz e calor, o que reduziria o custo geral.