Membranas de nanotubos de carbono alinhados verticalmente (VaCNT) podem ser usadas para limpar ou dessalinizar água em alta vazão e baixa pressão. Recentemente, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) e parceiros realizaram experimentos de adsorção de hormônios esteróides para estudar a interação de forças nos pequenos poros.



Eles descobriram que VaCNT com geometria de poro específica e estrutura de superfície de poro são adequados para uso como membranas altamente seletivas. O estudo deles foi publicado na Nature Communications .

A água potável é de vital importância para todas as pessoas em todo o mundo. As membranas são utilizadas para remover com eficiência micropoluentes, como hormônios esteróides, prejudiciais à saúde e ao meio ambiente. Um material de membrana muito promissor é feito de nanotubos de carbono alinhados verticalmente (VaCNT).

"Este material é incrível - com pequenos poros de 1,7 a 3,3 nanômetros de diâmetro, uma forma cilíndrica quase perfeita e pequena torção", diz a professora Andrea Iris Schäfer, que dirige o Instituto de Tecnologia Avançada de Membranas (IAMT) do KIT. "Os nanotubos devem ter um efeito altamente adsorvente, mas apenas um atrito muito baixo." Atualmente, os poros são demasiado grandes para uma retenção eficaz, mas poros mais pequenos ainda não são tecnicamente viáveis.

Interação de forças

Em experimentos com micropoluentes esteróides, os pesquisadores da IAMT estudaram por que as membranas VaCNT são filtros de água perfeitos. Eles usaram membranas produzidas pelo Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) em Livermore (Califórnia). A descoberta:A baixa adsorção de VaCNT, ou seja, a deposição na superfície, é desejável para membranas altamente seletivas direcionadas a substâncias especiais.

O estudo revela que a adsorção em nanoporos de membrana não depende apenas da superfície de adsorção e da transferência de massa limitada, mas também da interação de forças hidrodinâmicas, fricção e forças de atração e repulsão na interface líquido-parede. Nanoporos altamente permeáveis ​​à água exibem baixa interação devido ao pequeno atrito e à alta vazão.

"Quando as moléculas não são retidas devido ao seu tamanho, a interação com o material muitas vezes determinará o que acontece. As moléculas saltarão através da membrana semelhante a um alpinista escalando uma parede. Isso é muito mais fácil quando há muitos bons apoios para escalar, " Schäfer explica. Estudos como o realizado pela IAMT ajudam a projetar especificamente a geometria dos poros e a estrutura da superfície dos poros.

Dez anos para transformar a ideia em um experimento

As membranas foram desenvolvidas pelo Dr. Francesco Fornasiero e sua equipe do LLNL. Os experimentos com os micropoluentes foram realizados e avaliados utilizando instrumentos analíticos de última geração do IAMT. “Demorou cerca de 10 anos para transformar a ideia em um experimento bem-sucedido que despertou o amplo interesse da comunidade de tecnologia de membranas”, diz Schäfer.

A produção de tais membranas quase perfeitas é extremamente difícil. Em áreas maiores, de alguns centímetros quadrados, a probabilidade de defeitos é muito alta. E os defeitos influenciariam os resultados. Nos últimos anos, o LLNL conseguiu produzir membranas em áreas maiores. Paralelamente, os pesquisadores da IAMT construíram sistemas de filtragem muito pequenos para experimentos de retenção de vestígios de poluentes em dois centímetros quadrados.

"Reduzir a escala é extremamente difícil. Conseguir isso juntos é um grande sucesso", diz Schäfer. “Agora estamos aguardando o desenvolvimento de membranas com poros ainda menores”.

O estudo foi o primeiro a focar na interação de forças hidrodinâmicas, fricção e forças de atração e repulsão. Ele fornece resultados básicos com relação ao processamento de água. Estes podem beneficiar os processos de ultra e nanofiltração controlados por nanoporos.

Mais informações: Minh N. Nguyen et al, Interação das forças que governam a adsorção de micropoluentes do hormônio esteróide em nanoporos de membrana de nanotubos de carbono alinhados verticalmente, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44883-2
Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Karlsruhe