p O grupo de pesquisa do professor Matsuyama Hideto no Centro de Pesquisa para Tecnologia de Membranas e Filmes da Universidade de Kobe desenvolveu com sucesso uma nova membrana de dessalinização. Eles conseguiram isso laminando um material de carbono bidimensional na superfície de uma membrana de polímero porosa. p As membranas de dessalinização são usadas para produzir água doce a partir da água do mar. A fim de resolver o problema mundial de recursos insuficientes de água doce, os pesquisadores estão se esforçando para desenvolver membranas de dessalinização que não só sejam permeadas por água mais rapidamente do que as atualmente em uso, mas também removem o sal de forma eficiente, para que seja mais eficaz, sistemas de dessalinização de baixa energia podem ser implementados.

p Neste estudo de pesquisa, nanofolhas de óxido de grafeno, que são um tipo de nanomaterial bidimensional, foram empilhados sobre a superfície de uma membrana porosa após receberem um tratamento de redução química, permitindo que uma camada de membrana de dessalinização de aproximadamente 50 nanômetros (nm) seja desenvolvida. A membrana desenvolvida tem potencial para realizar uma dessalinização altamente eficiente, pois é possível controlar as lacunas entre suas nanofolhas e a carga nas superfícies das nanofolhas. Espera-se que esta pesquisa contribua para a aplicação e implementação de membranas de dessalinização futurísticas.

p Os resultados da pesquisa foram publicados em Journal of Materials Chemistry A em 18 de novembro, 2020.

p Pontos principais

• Os pesquisadores desenvolveram com sucesso uma nova membrana de dessalinização usando nanofolhas bidimensionais.
• O tratamento de redução química das nanofolhas de óxido de grafeno reforçou o empilhamento π- π entre as nanofolhas.
• O empilhamento π-π melhorou a estabilidade da membrana laminada da nanofolha e tornou possível manipular a lacuna entre cada camada.
• Moléculas planas baseadas em porfirina com grupos carregados e um sistema π conjugado foram introduzidos entre as nanofolhas. Isso resultou em repulsão eletrostática entre o óxido de grafeno e a carga negativa do composto planar, permitindo aos pesquisadores controlar o movimento dos ânions dentro dos nanocanais.
• A membrana laminada com nanofolhas desenvolvida através desta pesquisa foi capaz de rejeitar a permeação de cloreto de sódio (NaCl) em 95%. No futuro, os resultados dessas pesquisas podem contribuir para a criação de novos, tecnologias de membrana de alto desempenho para dessalinização.

p Antecedentes de Pesquisa

p 97,5% da água da Terra é água do mar e apenas 2,5% é água doce. Dentro desta porcentagem, apenas 0,01% dos recursos de água doce podem ser facilmente tratados para serem utilizados pela humanidade. Contudo, a população humana continua a aumentar a cada ano. Consequentemente, foi previsto que dentro de vários anos, dois terços da população mundial terão acesso insuficiente à água doce. A escassez mundial de água é um dos problemas mais graves que a humanidade enfrenta. Portanto, tecnologias que podem obter os recursos necessários convertendo a abundante água do mar da Terra em água doce são fundamentais.

p Métodos de evaporação têm sido usados ​​para converter água do mar em água doce, no entanto, eles requerem grandes quantidades de energia para evaporar a água do mar e remover o sal (dessalinização). Por outro lado, os métodos de separação por membrana fornecem uma alternativa de baixa energia; eles permitem que a água doce seja produzida filtrando a água do mar e removendo o sal. Métodos de produção de água doce a partir da água do mar usando membranas foram implementados, no entanto, com as membranas de dessalinização desenvolvidas até agora, há sempre uma compensação entre a velocidade de permeação e a capacidade de dessalinização. Portanto, é vital desenvolver uma membrana de dessalinização revolucionária a partir de novos materiais, a fim de resolver esse trade-off e tornar possível dessalinizar a água do mar com uma taxa de eficiência mais elevada.

p Metodologia de Pesquisa

p Esta equipe de pesquisa desenvolveu uma membrana de dessalinização altamente funcional, laminando a membrana com um material de carbono bidimensional com a espessura aproximada de um átomo de carbono. Esses materiais de carbono 2-D eram nanofolhas de óxido de grafeno que foram quimicamente reduzidas para dar a elas uma interação π-π reforçada.

p Ao aplicar revestimentos de nanofolha com intercalação de moléculas planas à base de porfirina (com grupos carregados e um sistema π conjugado) à superfície de uma membrana porosa, o grupo de pesquisa foi capaz de construir uma camada de membrana de dessalinização ultrafina com aproximadamente 50 nm de espessura.

p Esta camada demonstrou alta funcionalidade de bloqueio de íons porque o tamanho dos nanocanais (as lacunas entre cada nanofolha) pode ser controlado dentro de 1 nm. Além disso, as lacunas entre os nanocanais na membrana laminada com nanofolhas demonstraram estabilidade à água contínua devido ao forte empilhamento π- π entre as folhas, sugerindo a possibilidade de que possa ser utilizado por um longo período de tempo. Além disso, não houve perda de funcionalidade de dessalinização, mesmo sob uma pressão de 20 bar.

p Os pesquisadores revelaram que a transferência de íons dentro da membrana laminada da nanofolha desenvolvida foi efetivamente suprimida por repulsão eletrostática na superfície da nanofolha. Esta repulsão eletrostática foi altamente eficaz quando a largura dos nanocanais foi devidamente controlada. Para o material de nanofolha usado neste estudo, a largura dos nanocanais pode ser confinada pelo controle do processo de redução química e da razão de intercalação das moléculas planas à base de porfirina.

p O NaCl é o principal componente dos íons da água do mar e é particularmente difícil impedi-lo de permear a membrana. Contudo, uma membrana laminada com nanofolhas produzida em condições ideais foi capaz de bloquear cerca de 95% do NaCl.

p Desenvolvimentos Futuros

p A membrana laminada de nanofolha 2-D desenvolvida através desta pesquisa foi produzida regulando a redução da folha de grafeno oxidada e a razão de intercalação de moléculas planas, o que, por sua vez, permitiu que o espaço entre as camadas intermediárias entre as nanofolhas e o efeito de repulsão eletrostática fossem controlados. Além das membranas de dessalinização, esta técnica também pode ser aplicada ao desenvolvimento de várias membranas de separação de eletrólitos.

p As tecnologias de dessalinização de baixa energia usando membranas de separação são indispensáveis ​​para reduzir a escassez de água. Espera-se que a tecnologia contribua para resolver a questão do esgotamento dos recursos hídricos em todo o mundo. Próximo, a equipe de pesquisa tentará melhorar ainda mais a alta funcionalidade da membrana desenvolvida, para que possa ser implementado.