Uma fina camada de nitreto de boro hexagonal de nanomaterial 2-D é o ingrediente chave em uma tecnologia econômica desenvolvida pelos engenheiros da Rice University para dessalinizar a salmoura de força industrial.

Mais de 1,8 bilhão de pessoas vivem em países onde a água potável é escassa. Em muitas regiões áridas, a água do mar ou água salgada subterrânea é abundante, mas a dessalinização é cara. Além disso, muitas indústrias pagam altos custos de descarte de águas residuais com altas concentrações de sal que não podem ser tratadas com tecnologias convencionais. Osmose Inversa, a tecnologia de dessalinização mais comum, requer pressão cada vez maior conforme o teor de sal da água aumenta e não pode ser usado para tratar água que é extremamente salgada, ou hipersalina.

Água hipersalina, que pode conter 10 vezes mais sal do que a água do mar, é um desafio cada vez mais importante para muitas indústrias. Alguns poços de petróleo e gás produzem em grandes volumes, por exemplo, e é um subproduto de muitas tecnologias de dessalinização que produzem água doce e salmoura concentrada. O aumento da consciência sobre a água em todas as indústrias também é um motivador, disse Qilin Li do arroz, co-autor correspondente de um estudo sobre a tecnologia de dessalinização de Rice publicado em Nature Nanotechnology .

“Não é apenas a indústria do petróleo, "disse Li, co-diretor do Centro de Tratamento de Água Habilitado para Nanotecnologia com base em arroz (NEWT). "Processo industrial, em geral, produzir efluentes salgados porque a tendência é reutilizar a água. Muitas indústrias estão tentando ter sistemas de água de 'circuito fechado'. Cada vez que você recupera água doce, o sal fica mais concentrado. Eventualmente, a água residual se torna hipersalina e você tem que dessalinizá-la ou pagar para descartá-la. "

A tecnologia convencional para dessalinizar água hipersalina tem altos custos de capital e requer ampla infraestrutura. NEWT, um Centro de Pesquisa de Engenharia (ERC) da National Science Foundation (NSF) com sede na Rice's Brown School of Engineering, está usando os mais recentes avanços em nanotecnologia e ciência dos materiais para criar sistemas descentralizados, tecnologias adequadas para o tratamento de água potável e efluentes industriais de forma mais eficiente.

Uma das tecnologias do NEWT é um sistema de dessalinização fora da rede que usa energia solar e um processo chamado destilação por membrana. Quando a salmoura flui através de um lado de uma membrana porosa, é aquecido na superfície da membrana por um revestimento fototérmico que absorve a luz solar e gera calor. Quando a água doce fria flui através do outro lado da membrana, a diferença de temperatura cria um gradiente de pressão que conduz o vapor de água através da membrana do lado quente para o frio, deixando sais e outros contaminantes não voláteis para trás.

Uma grande diferença de temperatura em cada lado da membrana é a chave para a eficiência da dessalinização da membrana. Na versão da tecnologia movida a energia solar de NEWT, nanopartículas ativadas por luz anexadas à membrana capturam toda a energia necessária do sol, resultando em alta eficiência energética. Li está trabalhando com um parceiro industrial NEWT para desenvolver uma versão da tecnologia que pode ser implantada para fins humanitários. Mas a energia solar não concentrada por si só não é suficiente para a dessalinização de alta taxa de salmoura hipersalina, ela disse.

“A intensidade energética é limitada com a energia solar ambiente, "disse Li, professor de engenharia civil e ambiental. "A entrada de energia é de apenas um quilowatt por metro quadrado, e a taxa de produção de água é lenta para sistemas de grande escala. "

Adicionar calor à superfície da membrana pode produzir melhorias exponenciais no volume de água doce que cada metro quadrado de membrana pode produzir a cada minuto, uma medida conhecida como fluxo. Mas a água salgada é altamente corrosiva, e se torna mais corrosivo quando aquecido. Os elementos de aquecimento metálicos tradicionais são destruídos rapidamente, e muitas alternativas não metálicas se saem um pouco melhor ou têm condutividade insuficiente.

"Estávamos realmente procurando um material que fosse altamente condutor elétrico e também suportasse grande densidade de corrente sem ser corroído por esta água altamente salgada, "Li disse.

A solução veio dos co-autores do estudo Jun Lou e Pulickel Ajayan, do Departamento de Ciência de Materiais e NanoEngenharia (MSNE) de Rice. Lou, Ajayan e pesquisadores de pós-doutorado do NEWT e co-autores do estudo Kuichang Zuo e Weipeng Wang, e o coautor do estudo e estudante de graduação Shuai Jia desenvolveu um processo para revestir uma malha fina de aço inoxidável com uma película fina de nitreto de boro hexagonal (hBN).

A combinação do nitreto de boro de resistência química e condutividade térmica tornou sua cerâmica um ativo valioso em equipamentos de alta temperatura, mas hBN, a forma 2-D de espessura de átomo do material, é normalmente cultivado em superfícies planas.

"Esta é a primeira vez que este belo revestimento de hBN foi cultivado em uma superfície irregular, superfície porosa, "Li disse." É um desafio, porque em qualquer lugar você tem um defeito no revestimento hBN, você vai começar a ter corrosão. "

Jia e Wang usaram uma técnica modificada de deposição de vapor químico (CVD) para cultivar dezenas de camadas de hBN em um malha de aço inoxidável disponível comercialmente. A técnica estendeu a pesquisa anterior do Rice sobre o crescimento de materiais 2-D em superfícies curvas, que foi apoiado pelo Center for Atomically Thin Multifunctional Coatings, ou ATOMIC. O ATOMIC Center também é hospedado por Rice e apoiado pelo Programa de Pesquisa Cooperativa da Indústria / Universidade da NSF.

Os pesquisadores mostraram que o revestimento de malha de arame, que tinha apenas cerca de um milionésimo de um metro de espessura, foi suficiente para envolver os fios entrelaçados e protegê-los das forças corrosivas da água hipersalina. O elemento de aquecimento de malha de arame revestido foi anexado a uma membrana de difluoreto de polivinilideno disponível comercialmente que foi enrolada em um módulo de espiral, uma forma de economia de espaço usada em muitos filtros comerciais.

Em testes, os pesquisadores alimentaram o elemento de aquecimento com voltagem em uma frequência doméstica de 50 hertz e densidades de energia de até 50 quilowatts por metro quadrado. Na potência máxima, o sistema produziu um fluxo de mais de 42 quilogramas de água por metro quadrado de membrana por hora - mais de 10 vezes maior do que as tecnologias de destilação por membrana solar ambiente - com uma eficiência energética muito maior do que as tecnologias de destilação por membrana existentes.

Li disse que a equipe está procurando um parceiro da indústria para expandir o processo de revestimento CVD e produzir um protótipo maior para testes de campo em pequena escala.

"Estamos prontos para buscar algumas aplicações comerciais, ", disse ela." A expansão do processo em escala de laboratório para uma grande folha CVD 2-D exigirá suporte externo. "