p (Phys.org) - Embora os oceanos e mares contenham cerca de 97% da água da Terra, atualmente, apenas uma fração de um por cento do abastecimento de água potável do mundo vem de água salgada dessalinizada. Para aumentar nosso uso de água salgada, As técnicas de dessalinização devem se tornar mais eficientes em termos de energia e menos caras para serem sustentáveis. Em um novo estudo, dois cientistas de materiais do MIT mostraram em simulações que o grafeno nanoporoso pode filtrar o sal da água a uma taxa que é 2-3 ordens de magnitude mais rápida do que a melhor tecnologia de dessalinização comercial de hoje, osmose reversa (RO). Os pesquisadores preveem que a permeabilidade à água superior do grafeno pode levar a técnicas de dessalinização que requerem menos energia e usam módulos menores do que a tecnologia RO, a um custo que dependerá de melhorias futuras nos métodos de fabricação do grafeno. p Os cientistas, David Cohen-Tanugi e Jeffrey C. Grossman do MIT, publicaram seu estudo sobre dessalinização de água usando grafeno nanoporoso de camada única em uma edição recente da Nano Letras .

p “Este trabalho mostra que algumas das desvantagens das técnicas atuais de dessalinização poderiam ser evitadas inventando-se materiais de membrana mais eficientes e direcionados, ”Grossman disse Phys.org . “Em particular, a nanoestruturação personalizada de membranas pode permitir o fluxo real de água (com rejeição total de sal) por meio de exclusão de tamanho, levando a uma permeabilidade muito maior em comparação com a osmose reversa. ”

p Esta não é a primeira vez que pesquisadores investigam o uso de materiais nanoporosos para dessalinização. Em contraste com RO, que usa alta pressão para empurrar lentamente as moléculas de água (mas não os íons de sal) através de uma membrana porosa, os materiais nanoporosos trabalham sob pressões mais baixas e fornecem canais bem definidos que podem filtrar a água salgada a uma taxa mais rápida do que as membranas RO.

p Contudo, esta é a primeira vez que os cientistas exploram o papel potencial do grafeno nanoporoso como um filtro para a dessalinização da água. Grafeno de camada única, que tem apenas um átomo de carbono de espessura, é a membrana fina definitiva, tornando-o vantajoso para a dessalinização de água, uma vez que o fluxo de água através de uma membrana varia inversamente com a espessura da membrana.

p Usando simulações clássicas de dinâmica molecular, Cohen-Tanugi e Grossman examinaram a permeabilidade à água do grafeno nanoporoso com diâmetros de poros diferentes (1,5 a 62 Å ² ) e química de poros. Como experimentos anteriores demonstraram, nanoporos podem ser introduzidos no grafeno por uma variedade de métodos, incluindo perfuração por feixe de íons de hélio e corrosão química. Em suas simulações, os cientistas fortaleceram os nanoporos por passivação, ou blindagem, cada átomo de carbono na borda do poro com átomos de hidrogênio ou grupos hidroxila.

p “Porque os átomos de carbono na borda dos poros seriam bastante reativos sem passivação, de uma forma ou de outra sob condições experimentais realistas, eles provavelmente terão alguma forma de funcionalização química, ”Grossman disse. “Isso pode ser controlado até certo ponto, portanto, queríamos explorar os dois limites das químicas de borda hidrofóbica versus hidrofílica. Se não tivéssemos grupos funcionais (apenas carbono puro), em pouco tempo as moléculas de água se dissociariam na borda dos poros e provavelmente hidrogenariam ou hidroxilariam esses carbonos. ”

p Os cientistas compararam os dois produtos químicos, junto com diferentes tamanhos de poros, de grafeno nanoporoso em suas simulações, executando água salgada com uma salinidade de 72 g / L sobre as membranas, que é cerca de duas vezes a salinidade da água do mar média (cerca de 35 g / L).

p Eles descobriram que, embora os maiores nanoporos possam filtrar a água na taxa mais alta, grandes nanoporos permitiam a passagem de alguns íons de sal. As simulações identificaram uma faixa intermediária de diâmetros de nanoporos onde os nanoporos eram grandes o suficiente para permitir a passagem de moléculas de água, mas pequenos o suficiente para restringir os íons de sal.

p As simulações também mostraram que o grafeno hidroxilado aumenta significativamente a permeabilidade à água, que os cientistas atribuem à natureza hidrofílica dos grupos hidroxila. Desde a, em contraste, os poros hidrogenados são hidrofóbicos, as moléculas de água podem fluir apenas quando em um número limitado de configurações altamente ordenadas. Mas os grupos hidrofílicos permitem que as moléculas de água tenham um maior número de configurações de ligações de hidrogênio dentro dos poros, e essa falta de restrições aumenta o fluxo de água.

p Geral, os resultados mostram que o grafeno nanoporoso pode teoricamente superar as membranas RO em termos de permeabilidade à água, que é expresso em litros de produção por centímetro quadrado de membrana por dia e por unidade de pressão aplicada. Considerando que o RO de alto fluxo tem uma permeabilidade à água de alguns décimos, as simulações mostraram que a permeabilidade à água do grafeno nanoporoso variou de 39 a 66 para configurações de poros que exibiram rejeição total de sal (23,1 Å ² poros hidrogenados e 16,3 Å ² poros hidroxilados). O grafeno com os maiores poros hidroxilados atingiu 129, mas permitiu alguma passagem de íons de sal.

p Os cientistas explicam que existem dois desafios principais enfrentados pelo uso de grafeno nanoporoso para fins de dessalinização. Um é conseguir uma distribuição estreita do tamanho dos poros, embora o rápido progresso experimental na síntese de grafeno poroso altamente ordenado sugira que isso pode ser viável em breve. O outro desafio é a estabilidade mecânica sob pressão aplicada, que poderia ser alcançado usando uma camada de suporte de filme fino, como a usada em materiais RO.

p “Computacionalmente, estamos procurando uma série de outras maneiras potencialmente novas de projetar membranas para dessalinização e descontaminação, ”Grossman disse. “Experimentalmente, estamos atualmente fabricando membranas nanoporosas e esperamos testar seu desempenho de dessalinização nos próximos meses. ” p Copyright 2012 Phys.org
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