p (Phys.org) - A modelagem computacional deu aos pesquisadores de materiais uma nova visão sobre as propriedades de uma membrana que purifica a água salgada em água potável. A tecnologia resultante pode ajudar a acelerar os processos de dessalinização ineficientes em uso hoje. p Pesquisadores do Oak Ridge National Laboratory e do Rensselaer Polytechnic Institute usaram simulações de supercomputador no Centro de Inovações Computacionais da RPI para explorar o potencial de purificação de um material híbrido chamado estruturas de óxido de grafeno, ou GOFs, introduzido pela primeira vez em 2010.

p "São basicamente folhas de grafeno oxidado conectadas por ligantes químicos específicos de alguns dos locais de oxidação, "disse Bobby Sumpter do ORNL." Porque é composto principalmente de carbono fortemente ligado, não se decompõe na água e tem boas propriedades mecânicas. É um material empolgante com potencial para inúmeras aplicações. "

p Inicialmente intrigado com as propriedades eletrônicas ajustáveis ​​dos GOFs, Vincent Meunier de Sumpter e RPI logo percebeu que o material poderia ser usado como uma membrana de dessalinização.

p Sistemas de osmose reversa, que representam aproximadamente 40 por cento da capacidade de dessalinização do mundo, gerar água doce aplicando pressão para forçar a água salgada através de uma membrana semipermeável.

p "Um grande problema para a dessalinização é a velocidade - quanta água você consegue empurrar por dia, "disse Meunier, o professor de física da Constelação de Gail e Jeffrey L. Kodosky '70, Tecnologia da Informação, e Empreendedorismo na RPI. "Você pode ter um ótimo material de membrana, mas se você puder tratar apenas um copo de água por dia, isso não será útil ou econômico. "

p Depois de desenvolver modelos computacionais para descrever as interações entre os átomos do material, Sumpter, Adrien Nicolaï de Meunier e RPI decidiram calcular a configuração ideal para uma membrana de dessalinização GOF. Eles usaram computadores de alto desempenho para simular como a espessura da camada, a densidade dos pilares de ligação, e a pressão aplicada afeta o desempenho do material.

p "Há um ponto ideal para a densidade dos ligantes, "Meunier disse." Se você tem uma alta densidade de ligantes, vai ser super seletivo, mas também o tornará mais lento. Você precisa de seletividade e permeabilidade. "

p As simulações revelaram que o ajuste fino da estrutura GOF resulta na capacidade de remover todos os íons da água salgada em uma taxa muito mais rápida - aproximadamente 100 vezes mais rápido do que os materiais usados ​​atualmente como membranas de osmose reversa. O uso de grafeno hidrorrepelente como parte da membrana porosa contribui para o aumento do desempenho.

p “A água está tentando evitar o contato com o grafeno, então você pode projetá-lo de tal forma que você está forçando a água a não ficar perto de uma camada, mas também a não estar perto de outra, "Meunier disse." Este efeito cria canais, que direcionam a água através do sistema muito rapidamente. "

p As simulações mais recentes da equipe focaram na remoção de íons de sal, mas os pesquisadores observam que o material GOF pode ser usado como membranas de filtração para outros contaminantes, como bactérias. Uma vez que os GOFs são feitos com abundância, materiais baratos por meio de um processo de fabricação padrão, os pesquisadores também acreditam que as membranas baseadas em GOF podem ajudar a tornar a dessalinização mais viável economicamente.

p "Acreditamos que seja escalonável, que a indústria de engenharia química poderia potencialmente produzi-lo a granel, "Sumpter disse.

p Os resultados mais recentes da equipe são publicados como "dessalinização de água ajustável em membranas de estrutura de óxido de grafeno" no jornal Físico Química Física Química . O Escritório de Pesquisa Naval e o Escritório de Ciência do Departamento de Energia apoiaram a pesquisa.

p Sumpter acrescenta que o projeto da equipe exemplifica como as colaborações interdisciplinares - combinando a ciência dos materiais, química Física, biofísica e simulação computacional - podem produzir resultados significativos.

p "A compreensão em diferentes disciplinas é fundamental para possibilitar esses exemplos importantes de ciência, "disse ele." Esse é o benefício da nanociência, onde vários campos se reúnem para resolver um problema que é importante para a sociedade. "