Crescendo em Seattle, Allyson McGaughey, USC Viterbi School of Engineering Ph.D. 21, nunca se deparou com a realidade diária da seca. No deserto cada vez mais quente e seco de Los Angeles, no entanto, a escassez de água foi exposta – aumentando a urgência de encontrar soluções alternativas de água.
Em pesquisa publicada no Journal of Membrane Science , McGaughey, em coordenação com Amy Childress, USC Viterbi Gabilan Distinguished Professor, revelou novos insights sobre a melhor forma de projetar processos de purificação de água - por exemplo, tratamento de águas residuais em uma instalação de tratamento de água - usando destilação por membrana (MD). MD é um processo que separa o sal da água usando uma membrana fina, seca e porosa. Diferenças moderadas de temperatura levam a água a passar de um lado para o outro.

Para entender isso melhor, pense em um coador de espaguete, mas com furos muito, muito menores. Um fluxo de água derramado através do filtro será "limpo" de certos materiais na água que são grandes demais para passar pelos orifícios do filtro (como os poros de uma membrana), deixando um fluxo "limpo" do outro lado do filtro. Ainda assim, qualquer coisa menor do que esses buracos – como o sal dissolvido na água do macarrão – ainda pode passar. Para purificar ainda mais, e se pudéssemos coletar apenas o vapor, ou vapor de água puro? Agora, imagine um coador que permita que apenas vapor, não água líquida, passe pelos orifícios. Então, mesmo os sais dissolvidos não conseguem passar. Ao usar uma membrana muito hidrofóbica (que tem medo de água) que faz exatamente isso, o MD pode ser usado para extrair água pura e dessalinizada de córregos contaminados.

O sucesso da destilação da membrana, disseram os pesquisadores, depende em grande parte dos projetos de membrana que podem reduzir ou eliminar a umidade acumulada na membrana. Se uma membrana ficar molhada, disseram os pesquisadores, ela pode perder sua eficácia, comprometendo a qualidade da água tratada. Para esse fim, McGaughey, agora pós-doutorando na Universidade de Princeton, estudou a melhor forma de projetar membranas para que não se tornem excessivamente úmidas e tratem com sucesso a água, eliminando sal e contaminantes e criando um fluxo de saída de alta qualidade ou puro.

Entre suas principais descobertas, disse McGaughey, estão que reduzir o tamanho dos poros da membrana ou aumentar a espessura da própria membrana pode aumentar a resistência à água e retardar ou impedir a contaminação do fluxo de água purificada.

As membranas são tipicamente feitas de um material sintético hidrofóbico ou resistente à água com poros de 0,1 a 0,5 micrômetros pequenos. McGaughey disse que, embora outros processos sejam tipicamente mais eficientes em termos energéticos do que a destilação por membrana - por exemplo, um processo chamado osmose reversa - no caso de correntes de água mais salgadas, esses processos mais típicos exigem uma quantidade formidável de pressão para forçar as moléculas de água através da membrana . Assim, tornando-os menos práticos para o tratamento de riachos muito salgados.

Por outro lado, a destilação por membrana permite que a água mais salgada seja purificada com mais eficiência do que com osmose reversa e permite que os cientistas purifiquem águas residuais mais salgadas que geralmente são descartadas porque não podem ser limpas com eficiência pelos processos tradicionais de tratamento de água.

O problema, disse McGaughey, é que as membranas que filtram as águas residuais podem ficar excessivamente molhadas. "Na osmose reversa, usamos membranas densas que não são porosas, de modo que apenas as moléculas de água passam, mas na destilação da membrana há buracos nas membranas que podem permitir a contaminação se ficarem molhadas", disse ela.

Otimização da destilação da membrana para aumentar a resistência à água das membranas

A dessalinização é inerentemente um processo caro e de uso intensivo de energia devido às propriedades químicas do sal e da água. O sal se dissolve facilmente na água, fazendo ligações que são muito difíceis de quebrar, disseram os pesquisadores.

"Se tivéssemos escolha, não estaríamos dessalinizando", disse McGaughey, "mas cada vez mais precisamos dessa água".

Com a destilação por membrana, McGaughey disse que uma corrente salgada aquecida é colocada de um lado de uma membrana seca e uma corrente de água fria e pura do outro. A diferença de temperatura entre as duas correntes é a força motriz que move a água de um lado para o outro. Para separar a água pura do sal e de outros contaminantes, as moléculas de água na corrente salgada mudam de um líquido para um gás de vapor devido ao calor.

Dentro dos poros da membrana seca, há um pequeno espaço de ar que permite a coleta de vapor, que ocorre quando a água salgada é aquecida e evapora, passando pela membrana deixando o sal para trás. Como o espaço de ar é pequeno, não é necessário muito calor para transformar a água salgada em vapor, o que significa que você pode usar a energia solar para aquecer o líquido salgado. O vapor representa a água purificada ou destilado, que do outro lado da membrana é resfriada — pela água fria — e volta à forma líquida.

A resistência da membrana à água líquida, ou resistência à umectação, é fundamental para garantir que o fluxo de destilado seja realmente purificado em vez de contaminado. Quando a membrana se molha, a água líquida se mistura das águas residuais, ou corrente salina, na corrente de água purificada, criando uma saída de qualidade inferior – talvez até uma saída de água que não atenderia aos padrões de potabilidade.

Tentar descobrir como uma membrana perde sua resistência à umectação em um nível fundamental e como isso pode ser evitado através da hidrofobicidade do material da membrana e do tamanho dos poros é fundamental, disseram os pesquisadores.

"Temos membranas que funcionam agora, mas quando você atinge salinidades extremamente altas e obtém precipitação de sal na superfície da membrana, isso ainda é um grande desafio", disse McGaughey.

Desafios emergentes no abastecimento de água

"Gerenciar fluxos de resíduos de alta salinidade é um grande desafio - por exemplo, fluxos de resíduos industriais", disse McGaughey.

"Ela [a destilação por membrana] nunca será mais eficiente em termos energéticos do que a osmose reversa, mas pode usar energia térmica solar ou calor 'residual' de baixo grau, o que significa que pode contar com energia verde. Isso significa menos emissões de carbono do que a eletricidade usamos para conduzir a osmose reversa e também pode atingir fluxos de salinidade mais altos", disse ela.

Em vez de qualquer processo único ser uma solução independente, McGaughey disse que a destilação por membrana pode ser um complemento para a osmose reversa, por exemplo, algo que você pode usar a jusante (mais adiante no processo de tratamento de água), após um tratamento de osmose reversa.

"A destilação por membrana pode ser usada no fluxo de água salgada rejeitado que sai da osmose reversa para maximizar o uso da água disponível", disse ela.

McGaughey também disse que a destilação por membrana também pode ter aplicações em regiões rurais e não eletrificadas.