Poluição por fosfato em rios, lagos e outras vias navegáveis ​​atingiram níveis perigosos, causando o florescimento de algas que deixam peixes e plantas aquáticas sem oxigênio. Enquanto isso, agricultores em todo o mundo estão aceitando uma reserva cada vez menor de fertilizantes fosfatados que alimentam metade do suprimento mundial de alimentos.

Inspirado pelos muitos corpos d'água próximos de Chicago, uma equipe liderada pela Northwestern University desenvolveu uma maneira de remover e reutilizar repetidamente o fosfato de águas poluídas. Os pesquisadores comparam o desenvolvimento a um "canivete suíço" para remediação da poluição, à medida que adaptam sua membrana para absorver e, posteriormente, liberar outros poluentes.

A pesquisa será publicada durante a semana de 31 de maio no Proceedings of the National Academy of Science .

O fósforo sustenta tanto o sistema alimentar mundial quanto toda a vida na Terra. Todo organismo vivo do planeta exige:o fósforo está nas membranas celulares, o andaime do DNA e em nosso esqueleto. Embora outros elementos-chave como oxigênio e nitrogênio possam ser encontrados na atmosfera, o fósforo não tem análogo. A pequena fração de fósforo utilizável vem da crosta terrestre, o que leva milhares ou mesmo milhões de anos para desaparecer. E nossas minas estão se esgotando.

Um artigo de 2021 no The Atlantic por Julia Rosen citou o ensaio de Isaac Asimov de 1939, em que o escritor e químico americano apelidou o fósforo de "gargalo da vida".

Dada a escassez deste recurso natural não renovável, é tristemente irônico que muitos de nossos lagos estejam sofrendo de um processo conhecido como eutrofização, que ocorre quando muitos nutrientes entram em uma fonte natural de água. À medida que o fosfato e outros minerais se acumulam, vegetação aquática e algas tornam-se muito densas, esgotando o oxigênio da água e, finalmente, matando a vida aquática.

“Costumávamos reutilizar muito mais o fosfato, "disse Stephanie Ribet, o primeiro autor do artigo. "Agora nós apenas puxamos para fora do solo, use-o uma vez e enxágue-o em fontes de água após o uso. Então, é um problema de poluição, um problema de sustentabilidade e um problema de economia circular. "

Ecologistas e engenheiros tradicionalmente desenvolveram táticas para lidar com as crescentes preocupações ambientais e de saúde pública em torno do fosfato, eliminando o fosfato das fontes de água. Só recentemente a ênfase mudou da remoção para a recuperação do fosfato.

"Sempre se pode fazer certas coisas em um ambiente de laboratório, "disse Vinayak Dravid, o autor correspondente do estudo. "Mas há um Diagrama de Venn quando se trata de ampliação, onde você precisa ser capaz de escalar a tecnologia, você deseja que seja eficaz e acessível. Não havia nada naquela interseção dos três antes, mas nossa esponja parece ser uma plataforma que atende a todos esses critérios. "

Dravid é o professor Abraham Harris de Ciência e Engenharia de Materiais na McCormick School of Engineering da Northwestern, o diretor fundador do Centro Experimental de Caracterização Atômica e em Nanoescala da Northwestern University (NUANCE), e diretor do Soft and Hybrid Nanotechnology Experimental Resource (SHyNE). Dravid também atua como diretor de iniciativas globais do Instituto Internacional de Nanotecnologia da Northwestern. Ribet é um Ph.D. aluno do laboratório de Dravid e o primeiro autor do artigo.

A membrana de eliminação e recuperação de fosfato leve (PEARL) da equipe é porosa, substrato flexível (como uma esponja revestida, tecido ou fibras) que sequestra seletivamente até 99% dos íons de fosfato da água poluída. Revestido com nanoestruturas que se ligam ao fosfato, a membrana PEARL pode ser ajustada controlando o pH para absorver ou liberar nutrientes para permitir a recuperação de fosfato e reutilização da membrana por muitos ciclos.

Os métodos atuais para remover o fosfato são baseados em complexos, demorado, métodos de várias etapas. A maioria deles também não recupera o fosfato durante a remoção e, em última análise, gera uma grande quantidade de resíduos físicos. A membrana PEARL fornece um processo simples de uma etapa para remover o fosfato que também o recupera de forma eficiente. Também é reutilizável e não gera resíduos físicos.

Usando amostras do Distrito de Recuperação de Água de Chicago, os pesquisadores testaram sua teoria com a complexidade adicional de amostras reais de água.

"Muitas vezes chamamos isso de 'solução em nanoescala para um problema de gigaton, "Dravid disse." De muitas maneiras, as interações em nanoescala que estudamos têm implicações para a remediação em nível macro. "

A equipe demonstrou que a abordagem à base de esponja é eficaz em escalas, variando de miligramas a quilogramas, sugerindo a promessa de escalar ainda mais.

Esta pesquisa se baseia em um desenvolvimento anterior da mesma equipe - Vikas Nandwana, um membro do grupo Dravid e co-autor do presente estudo foi o primeiro autor - denominado esponja OHM (oleophilic hydrophobic multifunctional) que utilizou a mesma plataforma de esponja para remover e recuperar seletivamente o óleo resultante da contaminação do óleo na água. Ao modificar o revestimento de nanomaterial na membrana, a equipe planeja em seguida usar sua estrutura semelhante a "plug-and-play" para ir atrás de metais pesados. Ribet também disse que vários poluentes podem ser tratados de uma vez, aplicando vários materiais com afinidades personalizadas.

"Este desafio de remediação de água chega tão perto de casa, "Disse Ribet." A bacia ocidental do Lago Erie é uma das principais áreas em que você pensa quando se trata de eutrofização, e fui inspirado por aprender mais sobre os desafios de remediação de água em nosso bairro dos Grandes Lagos. "