Membrana nanoestruturada de madeira potencializa a destilação de água

A gente acredita (e torce) que a maioria dos leitores aqui receba água tratada com qualidade, mas é importante lembrar que, lamentavelmente, esse é um privilégio. A escassez de água é um desafio global e, de acordo com a ONU, quase metade da população mundial vive em regiões de escassez potencial por pelo menos 1 mês por ano. O problema é acentuado pelas mudanças climáticas e urbanização sem planejamento. Nesse cenário, técnicas intuitivas como a dessalinização podem ajudar a aliviar o estresse hídrico, extraindo água limpa de uma variedade de fontes salinas ou contaminadas. A ciência e engenharia impulsionam a dessalinização com o objetivo de acelerar o processo e/ou gerar escalabilidade, inclusive usando nanotecnologia.

madeira nanoestruturada
Imagem: Science Advances.

Destilação com membranas:

Durante a dessalinização da água, a destilação por membrana é desafiada pela ineficiência da separação térmica da água dos solutos dissolvidos (que queremos retirar), devido à sua dependência da porosidade da membrana e da condutividade térmica. Além disso, as técnicas existentes, como a osmose reversa, demandam muita energia. Os pesquisadores estão, portanto, interessados ​​em usar fontes de energia renováveis ​​e de baixo custo como uma alternativa de estratégia econômica para vencer esses desafios, ou potencializar o processo de destilação um modo em que não seja necessária tanta energia.

A destilação por membrana é um processo de separação
emergente, baseado em temperatura e pressão de vapor, que utiliza fontes
solares, térmicas ou outras fontes renováveis. Em seu mecanismo de ação, a água
evapora no lado de alimentação quente das células de destilação para se
difundir através de uma membrana hidrofóbica, ou seja, que repele água, para
condensar no lado do permeado frio.

Demanda por membranas com qualidade específica:

Durante a destilação, o transporte de vapor de água pode
levar à transferência de calor por convecção para reduzir o gradiente e
diminuir a força motriz para a transferência de massa através da membrana. Em
engenheirês, o objetivo dos cientistas para uma membrana ideal seria que ela
combinasse um tamanho de poro grande, baixa tortuosidade de poros, baixa
condutividade térmica, alta porosidade, espessura ótima, boa resistência
mecânica, boa relação custo-benefício e baixo impacto ambiental. No entanto, as
membranas existentes feitas de polímeros sintéticos não atendem aos padrões
ideais devido a várias deficiências.

A novidade em nanotecnologia e madeira:

Em um relatório disponibilizado na revista científica Science Advances, um grupo de pesquisadores de departamentos interdisciplinares de engenharia civil, ambiental, arquitetura, ciência dos materiais e engenharia mecânica nos EUA, Noruega e China fabricaram uma membrana de destilação robusta. Feita a partir do quê? Madeira.

O grupo usou uma membrana hidrofóbica nanoestruturada com
alta porosidade e estrutura de poros seguindo uma ordem hierárquica com uma
ampla distribuição de tamanho de poros de nanofibrilas de celulose cristalina,
vasos de xilema e lumina para facilitar o transporte de vapor de água. Parece
aula de botânica do ensino médio, mas estamos falando de madeira, né?

madeira
Imagem: Science Advances.

Ocorre que, com essa organização da estrutura da membrana, em
níveis manométricos, a condutividade térmica foi extremamente baixa na direção
transversal da construção para reduzir a perda de calor condutivo, embora a
alta condutividade térmica ao longo da fibra permitisse uma dissipação térmica
eficiente ao longo da direção axial.

A membrana demonstrou excelente permeabilidade ao vapor
intrínseco e eficiência térmica. As propriedades combinadas de eficiência
térmica, fluxo de água, escalabilidade e sustentabilidade tornaram a “nanomadeira”
recomendável para aplicações de destilação por membrana.

Fonte: Science Advances

 

Biotecnologia: bactérias podem produzir grafeno

A gente já comentou por aqui sobre como o grafeno vem
revolucionando a indústria, da perspectiva dos materiais. Mas a demanda por
esse insumo implica a busca por diferentes formas de produção dele, correto? E
em um contexto em que biotecnologia se apresenta como um excelente recurso, de
forma ousada, a engenharia recorreu às bactérias para a produção de grafeno!

bactérias grafeno
Imagem: onlinelibrary.wiley.com

O desafio da produção de grafeno em larga escala:

O grafeno é um nanomaterial de grande interesse na engenharia devido à sua alta capacidade de conduzir eletricidade, bem como a sua extraordinária força mecânica e flexibilidade. No entanto, o grande obstáculo em adotá-lo para aplicações cotidianas é a sua produção em grande escala, mantendo suas propriedades surpreendentes.

Uma equipe de pesquisadores em nanociência, liderados pela bióloga
Dra. Meyer, descreveu seu método para produzir materiais de grafeno usando uma
nova técnica: misturar grafite oxidada com… Bactérias! Segundo a equipe, a
metodologia constitui uma maneira mais eficiente em termos de custo, economia
de tempo e respeito ao meio ambiente, ao ser comparada com os métodos químicos
de produção do grafeno.

grafeno bacterias
Imagem: phys.org

Produção biológica do grafeno:

A fim de produzir maiores quantidades de materiais de
grafeno, a bióloga Meyer e seus colegas começaram com um mero frasco de
grafite. Eles esfoliaram o grafite – derramando as camadas de material – para
produzir o óxido de grafeno, que eles então misturaram com a bactéria Shewanella. Eles deixam o béquer de
bactérias e materiais precursores repousar durante a noite, período em que as
bactérias reduziram o óxido de grafite a um material de grafeno.

As bactérias removeram os grupos de oxigênio do material,
transformando-o em condutível para eletricidade. Basicamente, fizeram o
trabalho.

Aplicações para o grafeno produzido por bactérias:

O material de grafeno produzido por bactérias criado no
laboratório de Meyer é condutor e também é mais fino e mais estável do que o
grafeno produzido quimicamente. Além disso, ele pode ser armazenado por
períodos mais longos.

Essas propriedades tornam o grafeno produzido biologicamente adequado para uma variedade de aplicações, incluindo biossensores de transistores de efeito de campo (FET) e tinta condutora. Os biossensores FET são dispositivos que detectam moléculas biológicas e poderiam ser usados para realizar, por exemplo, monitoramento de glicose em tempo real para diabéticos. Legal, né?

Imagem: graphenea.com

O artigo original está disponível na ChemPubSociety Europe e comentários dos autores podem ser consultados no Phys.org.

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Pesquisadores incrementam a destilação solar com hidrogel

Existe uma demanda para o tratamento de água com baixo custo, principalmente em comunidades vulneráveis. Todos os dias, milhões de pessoas são obrigadas a beber água imprópria para consumo humano. Em muitos casos, os lugares em que o risco associado à água de consumo é maior, são justamente aqueles que não possuem sistema de abastecimento coletivo e, portanto, devem contar com soluções individuais ou em escala domiciliar. A engenharia humanitária presta um grande papel nesse sentido.

tratamento destilação solar
Imagem: advances.sciencemag.org

Destilação solar:

A purificação de água por destilação solar é uma tecnologia promissora para produzir água tratada. Porém, a geração de vapor de água pela energia proveniente da radiação solar é demorada, levando a baixos rendimentos na produção de água sob luz solar natural. Portanto, o desenvolvimento de novos materiais que possam reduzir essa demanda energética para a vaporização da água e acelerar a purificação solar é altamente desejável.

Neste contexto, um grupo de pesquisadores de Ciência dos Materiais e Engenharia Mecânica da Universidade do Texas em Austin desenvolveu um sistema de purificação solar baseado em hidrogel que é aproximadamente 12 vezes melhor do que os sistemas de purificação disponíveis comercialmente.

destilação solar hidrogel
Imagem: advances.sciencemag.org

Uso de hidrogel como incremento:

A equipe criou um material esponjoso feito de dois tipos de hidrogel, sendo um baseado na ligação com a água e o outro voltado para a absorção de luz. Quando a esponja foi colocada em cima da água suja em um alambique solar, forçou a água do interior a evaporar mais rápido do que normalmente, ou seja, potencializando a destilação solar esperada.

O que aconteceu? Bem, a rapidez na evaporação se deveu à camada de água que estava tocando a esponja forjar pontes de hidrogênio mais fracas. Esse esforço alavancou a eficiência da energia solar para 3,2 L/h/m² de água, o que, segundo os pesquisadores, foi mais que o dobro do limite teórico.

quitosana hidrogel
Imagem: advances.sciencemag.org

E tem mais: os pesquisadores melhoraram ainda mais a eficiência da destilação solar por meio da adição de quitosana, um polímero natural, à mistura. Fazendo isso, permitiu-se que a esponja segurasse mais água, acelerando a evaporação. Isso empurrou a eficiência do destilador solar para 3,6 L/h/m², 12 vezes melhor do que as unidades comerciais.

Estaremos atentos à demais avanços e à distribuição e implementação dessa tecnologia de destilação solar melhorada.

Fonte: Science Advances.

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