Uma equipe de pesquisadores do CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research Institute (CSMCRI), do Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN), da Nanyang Technological University em Cingapura e do SN Bose National Center for Basic Sciences desenvolveu um novo tipo de membrana de filtração altamente precisa. O estudo, publicado no Jornal da Sociedade Química Americanadescreve uma tecnologia que poderia ajudar as indústrias a reduzir o uso de energia e aumentar drasticamente a reutilização de água.
Muitas atividades industriais dependem da separação de diferentes substâncias umas das outras. Esses processos de separação são essenciais para tarefas como purificação de medicamentos, tratamento de corantes têxteis e produção de alimentos. No entanto, estão também entre as operações de produção com maior consumo de energia, representando cerca de 40% a 50% do consumo global de energia industrial.
A maioria das instalações ainda depende de abordagens tradicionais, como destilação e evaporação. Embora eficazes, estes métodos requerem grandes quantidades de energia e contribuem significativamente para as emissões de carbono. A filtração baseada em membrana é geralmente considerada uma alternativa mais limpa, mas as membranas poliméricas convencionais geralmente contêm poros de tamanhos irregulares. Com o tempo, esses poros podem mudar de forma ou degradar-se, reduzindo o desempenho e limitando a sua utilidade em ambientes industriais exigentes.
POMbranas inspiradas na natureza com poros de um nanômetro
“Para resolver essas limitações, projetamos uma nova classe de membranas cristalinas ultrasseletivas chamadas” POMbranas “, que contêm poros com cerca de um nanômetro de largura, milhares de vezes mais finos que um fio de cabelo humano”, disse o Dr. Shilpi Kushwaha, Cientista Sênior do CSMCRI.
As novas membranas inspiram-se em sistemas biológicos como as aquaporinas, que regulam o movimento das moléculas através de canais de tamanhos precisos. Para atingir esse nível de controle, os pesquisadores usaram clusters de polioxometalato (POM). Cada cluster contém uma abertura natural com exatamente 1 nanômetro de largura e permanece permanentemente estável.
De acordo com Priyanka Dobariya, pesquisadora do CSMCRI e co-autora do artigo, “Esses POMs são pequenos aglomerados de metal em forma de coroa que têm um buraco permanente e perfeito em seu centro que não muda nem perde a forma, que é o maior obstáculo com os filtros de plástico tradicionais”.
Construindo uma peneira molecular ultrafina
A criação de uma membrana prática exigiu a organização de bilhões dessas minúsculas estruturas semelhantes a anéis em uma camada contínua e livre de defeitos. Para conseguir isso, os pesquisadores anexaram cadeias químicas flexíveis aos clusters POM.
Quando os aglomerados modificados foram colocados na água, eles se espalharam naturalmente e se organizaram em um filme ultrafino de grande área. Ao alterar o comprimento das cadeias anexadas, a equipe foi capaz de controlar o quão próximos os clusters estavam agrupados.
“Isso forçou as moléculas a cruzar a membrana através do único caminho aberto, os buracos de um nanômetro construídos em cada cluster, permitindo que a membrana agisse como uma peneira de alta tecnologia”, acrescentou o Dr. Raghavan Ranganathan, professor associado do Departamento de Engenharia de Materiais do IITGN.
Ranganathan e Vinay Thakur, doutorando no IITGN e co-autor do artigo, também realizaram simulações em nível molecular que revelaram como as membranas desempenham sua função de filtragem.
Desempenho de separação quase dez vezes melhor
Os testes mostraram que as membranas podiam distinguir entre moléculas que diferem em apenas 100-200 Daltons, um nível de precisão que é extremamente difícil de alcançar com membranas poliméricas convencionais.
De acordo com o Dr. Ketan Patel, Cientista Principal do CSMCRI, esta capacidade poderia criar novas oportunidades para processos de fabricação mais sustentáveis.
“Nossas membranas apresentam desempenho de separação quase dez vezes melhor em comparação com as tecnologias existentes, ao mesmo tempo que permanecem flexíveis, estáveis e escaláveis”, disse ele.
“Além disso, essas membranas são flexíveis, estáveis em diferentes níveis de acidez (faixas de pH) e podem ser fabricadas em folhas grandes. Essa combinação é essencial para que as membranas sejam amplamente adotadas na indústria.”
Benefícios potenciais para têxteis e reciclagem de água
A tecnologia poderá ser particularmente valiosa para as indústrias têxtil e farmacêutica da Índia, que desempenham papéis importantes na economia do país.
O setor têxtil e de vestuário da Índia contribui com mais de 2,3% do PIB e representa aproximadamente 13% da produção industrial. O mercado interno está actualmente avaliado em 160-225 mil milhões de dólares e espera-se que se expanda para 250-350 mil milhões de dólares até 2030.
As operações de tingimento e acabamento têxtil geram grandes quantidades de águas residuais contaminadas, tornando a remoção de corantes e a reutilização de água desafios constantes. As novas membranas poderiam remover seletivamente as moléculas de corante e, ao mesmo tempo, permitir a reciclagem da água, reduzindo a demanda por água doce e o desperdício químico. Esta vantagem é especialmente importante à medida que o mercado de tratamento de águas residuais da Índia continua a crescer.
Aplicações na Fabricação Farmacêutica
As membranas também poderiam beneficiar a produção farmacêutica, onde separações altamente precisas são críticas para a qualidade do produto e eficiência de fabricação.
“Processos como purificação de medicamentos e recuperação de solventes consomem muita energia e são sensíveis à qualidade”, observou o Sr. Vinay Thakur. “Membranas altamente seletivas como essas podem reduzir o uso de energia, ao mesmo tempo em que mantêm os padrões rigorosos exigidos na produção farmacêutica.”
Uma tecnologia de plataforma para fabricação sustentável
Os pesquisadores descrevem os novos POMbranes como uma tecnologia de plataforma versátil. Sua estrutura ajustável, alta seletividade e capacidade de resistir a ambientes químicos agressivos os tornam adequados para uma ampla gama de tarefas de separação industrial, desde o tratamento de águas residuais até a fabricação de produtos químicos avançados.
À medida que as indústrias procuram cada vez mais tecnologias que combinem eficiência, durabilidade e sustentabilidade, as membranas de engenharia molecular podem tornar-se uma parte importante dos sistemas de produção da próxima geração. Ao aplicar um princípio comumente encontrado na biologia, o controle preciso em escala molecular, e adaptá-lo a uma tecnologia de materiais escalável, os pesquisadores demonstraram como o design inspirado na natureza pode ajudar a resolver grandes desafios industriais.
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