Óleo e água são notoriamente relutantes em se misturar completamente. Mas separá-los completamente - por exemplo, ao limpar um derramamento de óleo ou purificar água contaminada por fracking - é um processo diabolicamente difícil e ineficiente que frequentemente depende de membranas que tendem a ficar obstruídas, ou "suja".

Uma nova técnica de imagem desenvolvida no MIT pode fornecer uma ferramenta para desenvolver melhores materiais de membrana que podem resistir ou prevenir a incrustação. O novo trabalho está descrito na revista Materiais Aplicados e Interfaces , em um artigo dos alunos de pós-graduação do MIT Yi-Min Lin e Chen Song e do professor de engenharia química Gregory Rutledge.

A limpeza de águas residuais oleosas é necessária em muitas indústrias, incluindo refino de petróleo, processamento de comida, e acabamento de metal, e os resíduos não tratados podem ser prejudiciais aos ecossistemas aquáticos. Os métodos de remoção de contaminantes oleosos variam, dependendo das quantidades relativas de óleo e água e os tamanhos das gotas de óleo. Quando o óleo é emulsificado, o método de limpeza mais eficiente é o uso de membranas que filtram as minúsculas gotículas de óleo, mas essas membranas rapidamente ficam sujas com as gotas e requerem limpeza demorada.

Mas o processo de incrustação é muito difícil de observar, tornando difícil avaliar as vantagens relativas de diferentes materiais e arquiteturas para as próprias membranas. A nova técnica desenvolvida pela equipe do MIT poderia tornar essas avaliações muito mais fáceis de realizar, dizem os pesquisadores.

Essas membranas de filtração "tendem a ser muito difíceis de ver dentro, "Rutledge diz." Há muito esforço para desenvolver novos tipos de membranas, mas quando eles são colocados em serviço, você quer ver como eles interagem com a água contaminada, e eles não se prestam a um exame fácil. Eles geralmente são projetados para embalar o máximo de área de membrana possível, e ser capaz de olhar para dentro é muito difícil. "

A solução que desenvolveram usa microscopia confocal de varredura a laser, uma técnica em que dois lasers são digitalizados em todo o material, e no ponto onde os dois feixes se cruzam, um material marcado com um corante fluorescente brilhará. Em sua abordagem, a equipe introduziu dois corantes fluorescentes, um para marcar o material oleoso no fluido, a outra para marcar as fibras na membrana de filtração. A técnica permite que o material seja escaneado não apenas através da área da membrana, mas também na profundidade do material, camada por camada, para construir uma imagem 3D completa da maneira como as gotículas de óleo são dispersas na membrana, que, neste caso, é composta por uma série de fibras microscópicas.

O método básico tem sido usado em pesquisas biológicas, para observar células e proteínas dentro de uma amostra, Rutledge explica, mas não tem sido muito aplicado ao estudo de materiais de membrana, e nunca com o óleo e as fibras etiquetadas. Nesse caso, os pesquisadores estão observando gotículas que variam em tamanho de cerca de 10 a 20 mícrons (milionésimos de metro), até algumas centenas de nanômetros (bilionésimos de um metro).

Até agora, ele diz, "os métodos para criar imagens de espaços de poros em membranas eram bastante rudimentares." Em geral, as características dos poros foram inferidas medindo taxas de fluxo e mudanças de pressão através do material, não fornecendo informações diretas sobre como o material oleoso realmente se acumula nos poros. Com o novo processo, ele diz, "agora você pode realmente medir a geometria, e construir um modelo tridimensional e caracterizar o material em alguns detalhes. Portanto, a novidade agora é que podemos realmente observar como a separação ocorre nessas membranas. "

Ao fazê-lo, e testando os efeitos usando diferentes materiais e diferentes arranjos das fibras, "isso deve nos dar uma melhor compreensão do que realmente é a incrustação, "Diz Rutledge.

A equipe já demonstrou que a interação entre o óleo e a membrana pode ser muito diferente dependendo do material utilizado. Em alguns casos, o óleo forma pequenas gotículas que gradualmente se aglutinam para formar gotas maiores, enquanto em outros casos o óleo se espalha em uma camada ao longo das fibras, um processo denominado molhar. "A esperança é que, com uma melhor compreensão do mecanismo de incrustação, as pessoas serão capazes de dedicar mais tempo às técnicas que têm mais probabilidade de ter sucesso "em limitar essa incrustação, Rutledge diz.

O novo método de observação tem aplicações claras para engenheiros que tentam projetar melhores sistemas de filtração, ele diz, mas também pode ser usado para pesquisas sobre a ciência básica de como os fluidos mistos interagem. "Agora podemos começar a pensar sobre alguma ciência fundamental sobre a interação entre fluxos líquidos de duas fases e meios porosos, "ele diz." Agora, você pode desenvolver alguns modelos detalhados "do processo.

E as informações detalhadas sobre o desempenho de diferentes estruturas ou substâncias químicas podem facilitar a engenharia de tipos específicos de membranas para diferentes aplicações, dependendo dos tipos de contaminantes a serem removidos, os tamanhos típicos das gotas nesses contaminantes, e assim por diante. "Ao projetar membranas, não é um tamanho único, "ele diz." Potencialmente, você pode ter diferentes tipos de membranas para diferentes efluentes. "

O método também pode ser usado para observar a separação de diferentes tipos de misturas, como partículas sólidas em um líquido, ou uma situação inversa em que o óleo é dominante e a membrana é usada para filtrar as gotas de água, como em um sistema de filtragem de combustível, Rutledge diz.

"Quando eu li seu artigo em profundidade, Fiquei impressionado com a maneira de Greg de usar imagens 3-D para entender o complexo processo de incrustação em membranas usadas para emulsões de óleo-água, "diz William J. Koros, Roberto C. Goizueta Chair for Excellence in Chemical Engineering e GRA Eminent Scholar in Membranes no Georgia Institute of Technology, que não esteve envolvido nesta pesquisa.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.