No experimento, os pesquisadores primeiro revestiram por imersão uma membrana polimérica hidrofóbica em ácido tânico (TA), um polifenol comum. Então, a membrana revestida por imersão TA seca é carregada no reator de deposição de camada atômica (ALD) para revestimento com dióxido de titânio usando os precursores tetracloreto de titânio e água (TiCl4 e H2O). As membranas revestidas exibem incrustação mínima no tratamento de óleo em água. Crédito:Laboratório Nacional de Argonne
Muitos processos industriais dependem de membranas finas que podem limpar a água, por exemplo, filtrando as impurezas. Nos últimos anos, uma técnica chamada deposição de camada atômica (ALD) foi usada para ajustar essas membranas para um melhor desempenho, mas há um obstáculo:muitos deles são feitos de materiais que não são compatíveis com ALD, um processo que usa vapores químicos alternados para criar camadas muito finas em uma superfície.
Um novo método desenvolvido por uma equipe que inclui pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) torna a ALD possível em quase qualquer membrana. Os pesquisadores descobriram uma solução surpreendentemente simples:mergulhar as membranas em ácido tânico primeiro. As moléculas do ácido aderem à superfície da membrana, fornecer locais de nucleação - ou pontos onde um revestimento ALD pode se firmar e crescer.
A capacidade de usar esta técnica em materiais de membrana tipicamente resistentes permite uma variedade de melhorias potenciais que podem melhorar a funcionalidade e durabilidade - ou criar propriedades totalmente novas. O trabalho é detalhado no artigo "Deposição de camada atômica sensibilizada com polifenol para hidrofilização de interface de membrana, "que foi publicado recentemente no jornal Materiais Funcionais Avançados .
Muitas membranas comerciais são feitas de plásticos comuns, como polipropileno e polietileno, que são baratos e relativamente resistentes. Mas quando usado para tratar água, essas membranas à base de polímero tendem a causar problemas. Suas superfícies são propensas a sujar, onde contaminantes se acumulam em seus poros e reduzem a eficácia.
Com ALD, um processo comum na indústria de semicondutores, as membranas podem ser alteradas para resistir à incrustação ou assumir outras propriedades desejáveis. As moléculas depositadas na superfície podem tecer seu caminho através da rede tortuosa de poros de uma membrana para encontrar todas as superfícies internas, criando um revestimento excepcionalmente uniforme.
Uma imagem mostra a alimentação de óleo cru em água em seu estado inicial e o permeado limpo que sai após passar pela membrana tratada com ALD, um processo que foi executado três vezes sucessivas. A membrana foi simplesmente enxaguada com água após cada ciclo de filtração. Crédito:Laboratório Nacional de Argonne
"ALD, em princípio, é ótimo, "disse Seth Querido, co-autor do estudo e diretor do Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia de Materiais Avançados para Sistemas de Energia-Água (AMEWS) da Argonne. "O desafio é que a maioria dos polímeros usados para fazer membranas não são passíveis de revestimento com ALD."
No estudo, O pré-tratamento com ácido tânico permitiu que uma membrana de polímero resistente à água fosse revestida com dióxido de titânio, transformando sua superfície para se tornar hidrofílica (amante da água). A camada de atração de água cria um tampão protetor contra incrustações.
O centro AMEWS, que é financiado pelo Office of Science do DOE, apoiou o trabalho como parte de um esforço mais amplo para entender e controlar o que acontece na interface entre a água e os materiais sólidos. Essa compreensão é a chave para melhorar a forma como processamos e usamos a água.
No passado, Os pesquisadores de Argonne exploraram o fato de que alguns polímeros são inóspitos para ALD criando uma membrana "Janus" de duas faces, com um revestimento de óxido metálico completo no topo da membrana e nenhum no outro lado. Este último estudo é a primeira vez que os cientistas foram capazes de sensibilizar completa e uniformemente uma membrana para ALD usando um pré-tratamento não destrutivo.
Argonne está desenvolvendo métodos para aumentar o ALD e outros recursos de engenharia de interface para que esses métodos possam ser avaliados para grandes, aplicações industriais. "Atualmente, usamos reatores em escala de laboratório para esses estudos de pesquisa, mas estamos construindo ferramentas para processamento ALD eficiente de substratos de grandes áreas. Isso permitirá o teste em escala piloto de nossos materiais ALD, "disse Jeffrey Elam, um químico sênior da Argonne e co-autor do estudo.
O novo método poderia funcionar não apenas com ácido tânico, mas com qualquer polifenol líquido e também com qualquer membrana de polímero, o que abre um vasto número de possibilidades além da prova de conceito descrita no artigo. Além de revestimentos que atraem ou resistentes à água, ALD pode ser usado para criar materiais quimicamente reativos ou eletricamente condutores.
"Há toda uma biblioteca de coisas que você pode fazer com ALD, "Darling disse." Esta técnica agora abre aquela biblioteca para membranas de polímero. "
