Uma colaboração internacional liderada por pesquisadores da Universidade de Kobe desenvolveu com sucesso uma membrana fotocatalítica laminada em nanofolha que demonstra excelente permeabilidade à água e atividade fotocatalítica. As propriedades fotocatalíticas da membrana facilitam a limpeza, pois irradiar a membrana com luz reduz com sucesso a incrustação. Eles desenvolveram essa membrana laminando nanomateriais 2D (nanofolhas) em um suporte poroso.
Essa revolucionária tecnologia de membrana pode ser aplicada à purificação de água e, portanto, tem o potencial de contribuir para lidar com questões ambientais e energéticas globais, ajudando a garantir o abastecimento seguro de água potável e energia limpa. Espera-se que isso acelere o movimento em direção a sociedades sustentáveis ​​e neutras em carbono.

Este desenvolvimento foi feito por um grupo de pesquisa da Escola de Pós-Graduação em Ciência, Tecnologia e Inovação da Universidade de Kobe/Centro de Pesquisa em Tecnologia de Membranas e Filmes (Professor Associado NAKAGAWA Keizo, Professor YOSHIOKA Tomohisa e Professor MATSUYAMA Hideto) em colaboração com o Professor TACHIKAWA Takashi da Universidade de Kobe Centro de Pesquisa em Fotociência Molecular, Professor Associado Chechia Hu da Universidade Nacional de Ciência e Tecnologia de Taiwan e Professor Shik Chi Edman Tsang da Universidade de Oxford.

Os resultados foram publicados pela primeira vez no Chemical Engineering Journal em 7 de abril de 2022.

O acesso adequado à água em muitas regiões do mundo está se tornando um problema crescente diante das mudanças climáticas globais e do aumento acentuado da população e do crescimento econômico dos países em desenvolvimento. Foi relatado que dois terços da população mundial sofrerá escassez de água até 2025. Para evitar essa grave escassez de água, a adoção generalizada de tecnologias de reciclagem e purificação de água, bem como o uso eficiente de tecnologias de produção de água (por exemplo, dessalinização da água do mar), são cruciais.

O método de filtração por membrana é atualmente usado em 900 plantas de purificação de água porque fornece água de boa qualidade de forma contínua e estável. No entanto, existe o problema da incrustação da membrana, onde a membrana, que separa e remove os contaminantes da água, fica entupida. Quando ocorre a incrustação da membrana, não é mais possível obter a quantidade necessária de água tratada. Portanto, é necessário lavar ou substituir a membrana. Para resolver este problema, muita pesquisa foi realizada em vários métodos de prevenção de incrustações, no entanto, uma solução suficiente ainda não foi encontrada.

Foi proposto um método que requer menos energia e tem um baixo impacto ambiental. Isso envolve a introdução de um material fotocatalítico (como a titânia) na membrana e a remoção de poluentes por meio de fotocatálise. No entanto, além de ser capaz de tratar a água, tal membrana também deve demonstrar responsividade à luz visível e alta atividade fotocatalítica. Isso exige que o projetista considere o design da membrana de várias perspectivas, incluindo o material e a estrutura da membrana.

Este grupo de pesquisa desenvolveu anteriormente uma membrana de nanofiltração, que funciona utilizando canais 2D entre suas camadas de nanofolhas. Eles desenvolveram essa membrana laminando nanofolhas de niobato (um tipo de nanofolha de óxido metálico, com cada folha tendo cerca de um nanômetro de espessura e algumas centenas de nanômetros de largura) em uma membrana de suporte porosa, que criou os canais 2D entre as nanofolhas.

Neste estudo, eles descobriram que a adição de nanofolhas de nitreto de carbono (que tem capacidade de resposta à luz visível) à membrana em camadas de nanofolhas de niobato deu à membrana maior permeabilidade à água enquanto aumentava muito a atividade fotocatalítica. Além disso, as propriedades fotocatalíticas da membrana corrigiram completamente a questão da permeabilidade da membrana ser reduzida devido à incrustação.

As membranas laminadas em nanofolhas podem ser formadas por simples filtração a vácuo de materiais de nanofolhas (soluções coloidais) em membranas de suporte de polímero. Neste estudo, o grupo de pesquisa produziu uma membrana laminada em nanofolha ultrafina com cerca de 100 nanômetros de espessura (Figura 1a). As medições de difração de raios X e fracionamento de peso molecular revelaram que a introdução de nanofolhas de nitreto de carbono em uma membrana laminada de nanofolhas de niobato poderia controlar o diâmetro dos nanocanais entre as camadas.

Em termos de funcionalidade da membrana, a membrana de nanofiltração laminada com uma proporção de 74:25 de niobato (HNB₃ O₈ ) nanofolha em nitreto de carbono (g-C₃ N₄ ) a nanofolha manteve seu desempenho de separação enquanto demonstrava um aumento de 8 vezes na permeabilidade à água (Figura 1b). Em termos de desempenho fotocatalítico, a integração de nanofolhas de nitreto de carbono permitiu a absorção de luz visível. Além disso, essa combinação de nanofolhas melhorou muito a capacidade da membrana de fotodegradar corantes catiônicos (rodamina B) (Figura 1c).

Quando a membrana composta desenvolvida é utilizada como membrana de separação, as nanofolhas de niobato dão a estrutura da membrana laminada, enquanto o nitreto de carbono é introduzido entre essas camadas e atua como espaçador. Consequentemente, os canais na membrana laminada se expandem, aumentando muito a taxa de permeação de água (lado esquerdo da Figura 2a). Controlar a estrutura do canal desta forma permite que 90% de um corante (com peso molecular de aproximadamente 1000) seja separado da água.

A funcionalidade fotocatalítica da membrana é a seguinte:as nanofolhas de nitreto de carbono funcionam como fotocatalisadores que absorvem a luz visível e as nanofolhas de niobato atuam como promotores catalíticos. Além disso, o grupo de pesquisa revelou que controlar adequadamente a estrutura da banda permitiu que os elétrons se movessem com eficiência, resultando em um aumento dramático na atividade fotocatalítica (lado direito da Figura 2a). Usando esses resultados como base, os pesquisadores aplicaram a membrana à purificação da água e conduziram um experimento de incrustação de membrana usando albumina sérica bovina (BSA) como incrustante. A incrustação de BSA reduziu a velocidade de permeação de água da membrana para 1/5 de seu desempenho normal. No entanto, os pesquisadores conseguiram restaurar completamente sua permeabilidade irradiando a membrana de nanofolha composta (Figura 2b).

Ao entrelaçar diferentes tipos de nanofolhas para formar nanocanais 2D, os pesquisadores desenvolveram com sucesso uma membrana que demonstra excelente permeabilidade à água e atividade fotocatalítica. Espera-se que melhorias adicionais possam ser feitas na funcionalidade da membrana e na ação fotocatalítica, alterando o tipo de nanofolha para controlar com mais precisão a formação de nanocanais 2D e a estrutura da banda. Em seguida, os pesquisadores esperam aumentar a área da membrana e desenvolver o processo fotocatalítico, visando a aplicação industrial e prática. + Explorar mais

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