A indústria de celulose e papel dos EUA usa grandes quantidades de água para produzir polpa de celulose de árvores. A água que sai do processo de polpação contém vários subprodutos orgânicos e produtos químicos inorgânicos. Para reutilizar a água e os produtos químicos, as fábricas de papel contam com evaporadores alimentados a vapor que fervem a água e a separam dos produtos químicos.

A separação da água por evaporadores é eficaz, mas usa grandes quantidades de energia. Isso é significativo, visto que os Estados Unidos são atualmente o segundo maior produtor mundial de papel e papelão. Estima-se que as cerca de 100 fábricas de papel do país usem cerca de 0,2 quads (um quad é um quatrilhão de BTUs) de energia por ano para reciclagem de água, tornando-o um dos processos químicos mais intensivos em energia. Todo o consumo de energia industrial nos Estados Unidos em 2019 totalizou 26,4 quads, de acordo com o Laboratório Nacional Lawrence Livermore.

Uma alternativa é implantar membranas de filtração com eficiência energética para reciclar a água residual da polpação. Mas as membranas de polímero convencionais - disponíveis comercialmente nas últimas décadas - não podem resistir à operação nas condições adversas e altas concentrações de produtos químicos encontrados em efluentes de polpação e muitas outras aplicações industriais.

Pesquisadores do Georgia Institute of Technology descobriram um método para projetar membranas feitas de óxido de grafeno (GO), um material quimicamente resistente à base de carbono, para que possam funcionar com eficácia em aplicações industriais.

“GO tem características notáveis ​​que permitem que a água passe por ele muito mais rápido do que através das membranas convencionais, "disse Sankar Nair, professor, Simmons Faculty Fellow, e cadeira associada de Extensão da Indústria na Escola de Engenharia Química e Biomolecular da Georgia Tech. "Mas uma questão antiga tem sido como fazer as membranas GO funcionarem em condições realistas com altas concentrações de produtos químicos para que possam se tornar industrialmente relevantes."

Usando novas técnicas de fabricação, os pesquisadores podem controlar a microestrutura das membranas GO de uma forma que lhes permite continuar filtrando a água com eficácia, mesmo em concentrações químicas mais altas.

A pesquisa, apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA-RAPID Institute, um consórcio industrial de empresas de produtos florestais, e Renewable Bioproducts Institute da Georgia Tech, foi relatado recentemente no jornal Sustentabilidade da Natureza . Muitas indústrias que usam grandes quantidades de água em seus processos de produção podem se beneficiar com o uso dessas membranas de nanofiltração GO.

Nair, seus colegas Meisha Shofner e Scott Sinquefield, e sua equipe de pesquisa começou este trabalho há cinco anos. Eles sabiam que as membranas GO há muito eram reconhecidas por seu grande potencial em dessalinização, mas apenas em um ambiente de laboratório. "Ninguém demonstrou com credibilidade que essas membranas podem funcionar em fluxos de água industrial e condições operacionais realistas, "Nair disse." Novos tipos de estruturas GO eram necessários que exibissem alto desempenho de filtração e estabilidade mecânica, ao mesmo tempo que retinham a excelente estabilidade química associada aos materiais GO. "

Para criar essas novas estruturas, a equipe concebeu a ideia de prensar grandes moléculas de corante aromático entre as folhas GO. Pesquisadores Zhongzhen Wang, Chen Ma, e Chunyan Xu descobriram que essas moléculas se ligam fortemente às folhas GO de várias maneiras, incluindo empilhar uma molécula sobre outra. O resultado foi a criação de espaços de "galeria" entre as folhas GO, com as moléculas de corante atuando como "pilares". As moléculas de água filtram facilmente através dos espaços estreitos entre os pilares, enquanto os produtos químicos presentes na água são seletivamente bloqueados com base em seu tamanho e forma. Os pesquisadores puderam ajustar a microestrutura da membrana vertical e lateralmente, permitindo-lhes controlar a altura da galeria e a quantidade de espaço entre os pilares.

A equipe então testou as membranas de nanofiltração GO com vários fluxos de água contendo produtos químicos dissolvidos e mostrou a capacidade das membranas de rejeitar produtos químicos por tamanho e forma, mesmo em altas concentrações. Em última análise, eles expandiram suas novas membranas GO para folhas de até 4 pés de comprimento e demonstraram sua operação por mais de 750 horas em um fluxo de alimentação real derivado de uma fábrica de papel.

Nair expressou entusiasmo pelo potencial da nanofiltração de membrana GO para gerar economia de custos no uso de energia da fábrica de papel, o que poderia melhorar a sustentabilidade do setor. "Essas membranas podem economizar para a indústria de papel mais de 30% em custos de energia de separação de água, " ele disse.