p Com a intensificação da seca na Califórnia, o estado acelerou a construção de usinas de dessalinização. No entanto, devido aos altos custos de construção e operação, bem como as preocupações ambientais, não é provável que vejamos a água do mar recuperada representar mais do que uma pequena fração das reservas de água limpa da América por algum tempo. Além de outros custos, a imensa quantidade de energia necessária para produzir água limpa a partir da água do mar continua a fazer da dessalinização uma solução de nicho em muitas partes do mundo. p Quando Jeffrey Grossman, professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (DMSE) do MIT, começou a investigar se novos materiais poderiam reduzir o custo de dessalinização, ele ficou surpreso ao descobrir como pouco dinheiro para pesquisa e desenvolvimento estava sendo aplicado ao problema.

p "Um bilhão de pessoas em todo o mundo não têm acesso regular à água potável, e isso deve mais do que dobrar nos próximos 25 anos, "Grossman diz." A água dessalinizada custa cinco a dez vezes mais do que a água municipal regular, no entanto, não estamos investindo dinheiro suficiente em pesquisa. Se não tivermos energia limpa, teremos sérios problemas, mas se não tivermos água, morreremos. "

p No Grupo Grossman, que explora o desenvolvimento de novos materiais para lidar com problemas de energia limpa e água, uma possível solução pode estar à mão. O laboratório de Grossman demonstrou fortes resultados, mostrando que novos filtros feitos de grafeno podem melhorar muito a eficiência energética das usinas de dessalinização, ao mesmo tempo em que reduzem também outros custos.

p Grafeno, que resulta do corte de uma camada de grafite com a espessura de um átomo, está emergindo cada vez mais como uma espécie de material maravilhoso. The Grossman Group, por exemplo, também está pensando em usá-lo como uma alternativa mais barata ao silício para a fabricação de células solares.

p "Nunca foi um momento mais emocionante para ser um cientista de materiais, "diz Grossman." Quando você olha para tecnologia limpa ou filtragem de água, você descobre que o gargalo de conversão de energia se origina do material. Agora podemos projetar materiais em quase toda a escala do átomo, de quase qualquer maneira que quisermos, personalizar materiais de maneiras que antes eram impossíveis. Há uma convergência emergente em que estamos enfrentando problemas extremamente urgentes que só podem ser resolvidos com o desenvolvimento de novos materiais. "

p Filtros de grafeno:até 50 por cento menos energia

p Isolado pela primeira vez em 2003, o grafeno tem uma eletricidade diferente, óptico, e propriedades mecânicas do que a grafite. "É mais forte que o aço, e possui propriedades de peneiramento exclusivas, "Grossman diz. Com apenas um átomo de espessura, há muito menos perda de fricção quando você empurra a água do mar através de um filtro de grafeno perfurado em comparação com os filtros de plástico de poliamida que têm sido usados ​​nos últimos 50 anos, ele diz.

p "Nós mostramos que os filtros de grafeno perfurados podem lidar com as pressões de água das usinas de dessalinização, oferecendo uma permeabilidade centenas de vezes melhor, "Grossman explica." O processo de bombear água do mar por meio de filtros representa cerca de metade dos custos operacionais de uma usina de dessalinização. Com grafeno, poderíamos usar até 50% menos energia. "

p Outra vantagem é que os filtros de grafeno não ficam obstruídos com o crescimento biológico quase na mesma taxa que ocorre com os filtros de poliamida. As usinas de dessalinização geralmente funcionam com eficiência reduzida devido à necessidade de limpar os filtros com frequência. Além disso, o cloro usado para limpar os filtros reduz a integridade estrutural da poliamida, exigindo substituição frequente. Por comparação, o grafeno é resistente aos efeitos prejudiciais do cloro.

p De acordo com Grossman, você pode facilmente substituir os filtros de poliamida por filtros de grafeno nas fábricas existentes. Como filtros de poliamida, filtros de grafeno podem ser montados em suportes robustos de polissulfona, que têm orifícios maiores que filtram as partículas.

p Ainda, desafios significativos permanecem na redução de custos. O Grupo Grossman fez um bom progresso na criação de grandes volumes de grafeno a um custo razoavelmente baixo. Um desafio mais sério, Contudo, está fazendo furos uniformes de maneira econômica no grafeno de uma maneira altamente escalonável.

p "Uma planta típica tem dezenas de milhares de membranas, configurados em tubos de dois metros de comprimento, cada um dos quais tem 40 metros quadrados de membrana ativa enrolada, "Grossman diz." Temos que igualar esse volume ao mesmo custo, ou é um não inicial. "

p Fazendo grafeno barato

p A maneira tradicional de fazer grafeno - desde seu primeiro isolamento em 2003, lembre-se - é removê-lo com adesivo. "Você literalmente pega um pedaço de fita adesiva no grafite e descasca, "Grossman explica." Se você continuar fazendo isso, você eventualmente acaba com uma única camada. O problema é que demoraria uma eternidade para retirar grafeno suficiente para uma usina de dessalinização. "

p Outra abordagem é "cultivar" o grafeno aplicando gases superaquecidos na folha de cobre. "O cultivo de grafeno oferece a melhor qualidade, é por isso que a indústria de semicondutores está interessada nisso, "Grossman diz. O processo, Contudo, é muito caro e consome muita energia.

p Em vez de, o Grupo Grossman está usando uma abordagem química muito mais acessível, que produz qualidade suficiente para a criação de membranas de dessalinização. "Felizmente, nosso aplicativo não requer a melhor qualidade, "diz Grossman." Com a técnica química, colocamos grafite em uma solução, e aplicar química de baixa temperatura para quebrar todo o pedaço de grafite em folhas. Podemos obter muito grafeno de forma barata e rápida. "

p Criar poros que bloqueiam o sal, mas permitem a passagem das moléculas de água, é um desafio ainda maior. A razão pela qual a dessalinização é possível em primeiro lugar é que, quando difundida na água, íons de sal se ligam a moléculas de água, criando assim uma entidade maior. Mas a diferença de tamanho em comparação com uma molécula de água livre ainda é frustrantemente pequena.

p "O desafio é encontrar o ponto ideal de cerca de 0,8 nanômetro, "Grossman diz." Se seus poros estão a 1,5 nm, então a água e o sal passarão. Se eles são meio nanômetro, então nada passa. "

p Um buraco de 0,8 nm é "menor do que jamais fomos capazes de fazer de forma controlável com qualquer outro material, "Grossman diz." E precisamos fazer isso em uma área muito grande de forma muito consistente e barata. "

p O Grupo Grossman está buscando três técnicas para fazer membranas de grafeno nanoporosas, todos os quais usam energia química e térmica em vez de processos mecânicos. "Se você tentou usar litografia, levaria anos, "Grossman diz." Nossa primeira abordagem envolve fazer os buracos muito grandes, e, em seguida, preenchendo-os com cuidado. Outro tenta torná-los exatamente do tamanho certo, e a terceira envolve começar com um material sem orifícios e, em seguida, rasgá-lo cuidadosamente. "

p A técnica química para fazer grafeno realmente produz óxido de grafeno, que é considerado indesejável para semicondutores, mas é bom para filtros. Como resultado, os pesquisadores conseguiram evitar a difícil etapa de remover o oxigênio do óxido de grafeno. Na verdade, eles encontraram uma maneira de usar o oxigênio a seu favor.

p "Ao controlar a forma como o oxigênio é ligado à folha de grafeno, podemos usar energia química e térmica para fazer os furos com a ajuda do oxigênio, "Grossman diz.

p Primeiro alvo:água salobra

p Enquanto o Grupo Grossman continua a trabalhar no desafio de fabricar e perfurar folhas de grafeno, Grossman está procurando aproveitar outros benefícios dos filtros de grafeno para ajudar a trazer a tecnologia para o mercado.

p Embora o grafeno deva melhorar a eficiência com água do mar e ainda mais salgada, água mais suja usada no fraturamento hidráulico, provavelmente vai estrear em plantas que limpam água salobra, como os encontrados em estuários. "Acontece que uma maior permeabilidade, mesmo por um fator de dois ou três, faria uma diferença maior com água salobra do que com água do mar, "Grossman diz." Você reduz o consumo de energia em ambos os casos, mas mais ainda para água salobra. "

p Filtros de grafeno também podem permitir a construção de menores, plantas mais baratas. "Com o grafeno, você tem mais opções de como operar a planta, "Grossman diz." Você poderia aplicar as mesmas pressões, mas obter mais água, ou você pode operá-lo em pressões mais baixas e obter a mesma quantidade de água, mas com um custo de energia menor. "

p Grossman observa que pode levar anos ou mesmo décadas para localizar e permitir uma planta em áreas costeiras densamente povoadas. "Muito esforço é gasto em como você vai construir a planta e onde vai encontrar terreno suficiente, "Grossman diz." Ter a opção de construir uma fábrica menor seria uma grande vantagem. " p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.