A indústria há muito que depende de processos que consomem muita energia, como a destilação e a cristalização, para separar moléculas que, em última análise, servem como ingredientes em medicamentos, produtos químicos e outros produtos.



Nas últimas décadas, tem havido um impulso para substituir estes processos por membranas, que são potencialmente uma alternativa de baixo custo e ecológica. Infelizmente, a maioria das membranas é feita de polímeros que se degradam durante o uso, tornando-as impraticáveis.

Para resolver este problema, uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade de Buffalo criou uma membrana nova e mais resistente que pode suportar ambientes agressivos – altas temperaturas, alta pressão e solventes químicos complexos – associados a processos de separação industrial.

Feito de um material inorgânico chamado óxido metálico dopado com carbono, ele é descrito em um estudo publicado em 7 de setembro na Science. .

"Os processos de separação de moléculas - seja para dessalinização de água, produção de medicamentos ou fertilizantes - usam uma quantidade incrível de energia", diz o autor correspondente do estudo, Miao Yu, Ph.D., Professor de Inovação SUNY Empire no Departamento de Química. e Engenharia Biológica na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade de Buffalo.

"O que desenvolvemos é uma técnica para fabricar facilmente membranas fortes e livres de defeitos que possuem nanoporos rígidos que podem ser controlados com precisão para permitir a passagem de moléculas de tamanhos diferentes", acrescenta Yu, membro do corpo docente do UB RENEW Institute.

Os primeiros autores do estudo são Bratin Sengupta, Ph.D. estudante no laboratório de Yu, e Qiaobei Dong, Ph.D., que estudou com Yu e agora trabalha na GTI Energy.

Inspirado em semicondutores

Para criar a membrana, a equipe de pesquisa inspirou-se em duas técnicas de fabricação comuns, mas não relacionadas.

A primeira é a deposição de camadas moleculares, que envolve camadas de filmes finos de materiais e está mais frequentemente associada à produção de semicondutores. A segunda técnica é a polimerização interfacial, que é um método de combinação de produtos químicos comumente usado para criar células de combustível, sensores químicos e outros componentes eletrônicos.

"Esses métodos não são novos", diz Sengupta, "no entanto, a maneira como os aplicamos é, e essa é a chave para a criação de nossas novas membranas nanoporosas."

Em experimentos, os pesquisadores fundiram dois reagentes de baixo custo – etilenoglicol líquido e tetracloreto de titânio gasoso – em um suporte à base de alumínio. Em poucos minutos, a reação criou uma película fina.

Para criar os nanoporos, eles aplicaram calor ao filme. O calor queima o carbono, criando pequenos buracos microscópicos por onde as moléculas passam. O tamanho dos nanoporos pode variar de 0,6 a 1,2 nanômetros de diâmetro – conforme determinado pelo ambiente do gás de calcinação, bem como pela quantidade e duração do calor.

O método permite que os pesquisadores evitem um problema incômodo – pequenos buracos se fundindo em outros maiores, tornando-os mais porosos do que o pretendido – com a criação de membranas à base de polímeros.

Potencial para reduzir a pegada de carbono

A nova membrana pode suportar temperaturas de até 140°C (284°F) e pressões de até 30 atmosferas quando exposta a solventes orgânicos. Esses atributos são fundamentais porque permitem que a membrana separe moléculas em altas temperaturas (para que a maioria das membranas poliméricas funcionem, a temperatura dos solventes deve ser reduzida, o que é caro do ponto de vista energético).

“Deste ponto de vista, a nossa membrana tem o potencial de reduzir a pegada de carbono de muitos processos industriais”, diz Yu.

Para demonstrar a eficácia da membrana, a equipe mostrou que ela poderia separar o boscalid, um fungicida usado para proteger as plantações, de seu catalisador e reagente inicial. Todo o processo ocorreu a 194°F.

A equipe está planejando experimentos adicionais para provar que a membrana é capaz de ser ampliada para produtos comerciais. Além disso, Yu planeja abrir uma empresa para aumentar a viabilidade comercial da tecnologia.

Mais informações: Bratin Sengupta et al, Nanofilmes interfaciais de óxido metálico dopados com carbono para separação ultrarrápida e precisa de moléculas, Ciência (2023). DOI:10.1126/science.adh2404
Informações do diário: Ciência

Fornecido pela Universidade de Buffalo