p Menos de 1 por cento da água da Terra é potável. Remover sal e outros minerais de nossa maior fonte de água disponível - água do mar - pode ajudar a satisfazer uma crescente população global sedenta por água doce para beber, agricultura, transporte, aquecimento, refrigeração e indústria. Mas a dessalinização é um processo que consome muita energia, que diz respeito a quem pretende expandir a sua aplicação. p Agora, uma equipe de experimentalistas liderada pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia demonstrou uma tecnologia de dessalinização com eficiência energética que usa uma membrana porosa feita de grafeno fino - um favo de mel de carbono com um átomo de espessura. Os resultados foram publicados na edição online antecipada de 23 de março da Nature Nanotechnology .

p "Nosso trabalho é uma prova de princípio que demonstra como você pode dessalinizar água salgada usando sistemas autônomos, grafeno poroso, "disse Shannon Mark Mahurin da Divisão de Ciências Químicas do ORNL, que co-liderou o estudo com Ivan Vlassiouk na Divisão de Ciência de Energia e Transporte do ORNL.

p "É um grande avanço, "disse Vlassiouk, apontando que uma grande quantidade de água viaja através da membrana porosa de grafeno. "O fluxo através das atuais membranas de grafeno foi pelo menos uma ordem de magnitude maior do que através das membranas poliméricas de osmose reversa de última geração."

p Os métodos atuais para purificar a água incluem destilação e osmose reversa. Destilação, ou aquecer uma mistura para extrair componentes voláteis que condensam, requer uma quantidade significativa de energia. Osmose Inversa, um processo mais eficiente em termos de energia que, no entanto, requer uma boa quantidade de energia, é a base para a tecnologia ORNL.

p Fazer poros no grafeno é a chave. Sem esses buracos, a água não pode viajar de um lado a outro da membrana. As moléculas de água são simplesmente grandes demais para caber na malha fina do grafeno. Mas faça buracos na malha do tamanho certo, e as moléculas de água podem penetrar. Íons de sal, em contraste, são maiores do que as moléculas de água e não podem atravessar a membrana. A membrana porosa permite osmose, ou passagem de um fluido através de uma membrana semipermeável para uma solução na qual o solvente está mais concentrado. "Se você tem água salgada de um lado de uma membrana porosa e água doce do outro, uma pressão osmótica tende a trazer a água de volta para o lado da água salgada. Mas se você superar isso, e você inverte isso, e você empurra a água do lado da água salgada para o lado da água doce - esse é o processo de osmose reversa, "Mahurin explicou.

p Hoje, os filtros de osmose reversa são normalmente polímeros. Um filtro é fino e fica em um suporte. É necessária uma pressão significativa para empurrar a água do lado da água salgada para o lado da água doce. "Se você puder tornar a membrana mais porosa e mais fina, você pode aumentar o fluxo através da membrana e reduzir os requisitos de pressão, dentro dos limites, "Mahurin disse." Tudo isso serve para reduzir a quantidade de energia necessária para conduzir o processo. "

p O grafeno para o resgate O grafeno tem apenas um átomo de espessura, ainda flexível e forte. Suas estabilidades mecânicas e químicas o tornam promissor em membranas para separações. Uma membrana de grafeno porosa pode ser mais permeável do que uma membrana de polímero, portanto, a água separada se moveria mais rápido através da membrana nas mesmas condições, os cientistas raciocinaram. "Se pudermos usar esta única camada de grafeno, poderíamos então aumentar o fluxo e reduzir a área da membrana para realizar o mesmo processo de purificação, "Mahurin disse.

p Para fazer grafeno para a membrana, os pesquisadores fizeram o metano fluir através de uma fornalha tubular a 1, 000 graus C sobre uma folha de cobre que catalisou sua decomposição em carbono e hidrogênio. O vapor químico depositou átomos de carbono que se automontaram em hexágonos adjacentes para formar uma folha de um átomo de espessura.

p Os pesquisadores transferiram a membrana de grafeno para um suporte de nitreto de silício com um orifício do tamanho de um micrômetro. Em seguida, a equipe expôs o grafeno a um plasma de oxigênio que eliminou os átomos de carbono da rede de arame em nanoescala do grafeno para criar poros. Quanto mais tempo a membrana de grafeno foi exposta ao plasma, quanto maiores os poros que se formaram, e mais feito.

p A membrana preparada separou duas soluções de água - água salgada de um lado, fresco do outro. O chip de nitreto de silício segurou a membrana de grafeno no lugar enquanto a água fluía de uma câmara para a outra. A membrana permitiu o transporte rápido de água através da membrana e rejeitou quase 100 por cento dos íons de sal, por exemplo., átomos de sódio carregados positivamente e átomos de cloreto carregados negativamente.

p Para descobrir o melhor tamanho de poro para dessalinização, os pesquisadores contaram com o Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), um DOE Office of Science User Facility em ORNL. Lá, Imagem de microscopia eletrônica de transmissão de varredura com correção de aberração (STEM), liderado por Raymond Unocic, permitido para imagens de resolução de átomo de grafeno, que os cientistas usaram para correlacionar a porosidade da membrana de grafeno com as propriedades de transporte. Eles determinaram que o tamanho de poro ideal para a dessalinização eficaz era de 0,5 a 1 nanômetro, Mahurin disse.

p Eles também descobriram que a densidade ideal de poros para dessalinização era de um poro para cada 100 nanômetros quadrados. "Quanto mais poros você consegue, o melhor, até certo ponto até que você comece a degradar qualquer estabilidade mecânica, "Mahurin disse.

p Vlassiouk disse que fazer as membranas porosas de grafeno usadas no experimento é viável em escala industrial, e outros métodos de produção dos poros podem ser explorados. "Várias abordagens foram tentadas, incluindo irradiação com elétrons e íons, mas nenhum deles funcionou. Até aqui, a abordagem de plasma de oxigênio funcionou melhor, Ele se preocupa mais com os gremlins que infestam as membranas de osmose reversa de hoje - crescimentos nas superfícies das membranas que as obstruem (chamados de "biofouling") e garantem a estabilidade mecânica de uma membrana sob pressão.