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, de Cingapura, e do SN Bose National Center for Basic Sciences desenvolveu uma nova membrana de filtração de alta precisão. A pesquisa foi publicada em Jornal da Sociedade Química Americanadescreve uma tecnologia que poderia ajudar a indústria 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 críticos para tarefas como purificação de medicamentos, processamento de corantes têxteis e produção de alimentos. No entanto, são também uma das indústrias que mais consomem energia na indústria transformadora, representando aproximadamente 40% a 50% do consumo global de energia industrial.
A maioria das instalações ainda depende de métodos tradicionais, como destilação e evaporação. Embora eficazes, estes métodos requerem grandes quantidades de energia e aumentam significativamente as emissões de carbono. A filtração baseada em membrana é frequentemente considerada uma alternativa mais limpa, mas as membranas poliméricas tradicionais geralmente contêm poros de tamanhos desiguais. Com o tempo, estes poros podem mudar de forma ou degradar-se, reduzindo o desempenho e limitando a sua utilização em ambientes industriais agressivos.
Membrana POM inspirada na natureza com poros de um nanômetro
“Para resolver essas limitações, projetamos uma nova classe de membranas cristalinas superseletivas, chamadas ‘POMbranas’, com poros de cerca de um nanômetro de largura, milhares de vezes mais finos que um fio de cabelo humano”, disse o cientista sênior do CSMCRI, Dr. Shilpi Kushwaha.
A nova membrana inspira-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.
“Esses POMs são pequenos aglomerados de metal em forma de coroa com um orifício permanente e perfeito em seu centro que não muda nem se deforma, o que é o maior obstáculo para os filtros de plástico tradicionais”, disse a Sra. Priyanka Dobariya, pesquisadora do CSMCRI e co-autora do artigo.
Construção de peneiras moleculares ultrafinas
Fazer filmes práticos requer organizar bilhões de pequenas estruturas semelhantes a anéis em camadas contínuas e sem defeitos. Para conseguir isso, os pesquisadores anexaram cadeias químicas flexíveis aos clusters POM.
Quando os aglomerados modificados são colocados na água, eles se desdobram naturalmente e se organizam em filmes ultrafinos de grandes áreas. Ao variar o comprimento das cadeias de conexão, a equipe conseguiu controlar o quão firmemente os clusters estavam agrupados.
Raghavan Ranganathan, professor associado do Departamento de Engenharia de Materiais, IITGN, acrescentou:”Isso força as moléculas a passarem através da membrana através do único caminho aberto, o poro de um nanômetro embutido em cada cluster, permitindo que a membrana atue como uma peneira de alta tecnologia. “
Ranganathan e Vinay Thakur, doutorando no IITGN e co-autor do artigo, também conduziram simulações em nível molecular para revelar como a membrana desempenha sua função de filtração.
O desempenho de separação melhorou quase dez vezes
Testes mostraram que a membrana pode distinguir entre moléculas que diferem em apenas 100-200 daltons, um nível de precisão que é extremamente difícil de alcançar com membranas poliméricas tradicionais.
Ketan Patel, cientista-chefe do CSMCRI, disse que esta capacidade poderia criar novas oportunidades para processos de fabricação mais sustentáveis.
“Em comparação com as tecnologias existentes, nossa membrana melhora o desempenho de separação quase dez vezes, mantendo a flexibilidade, estabilidade e escalabilidade”, disse ele.
“Além disso, essas membranas são flexíveis e estáveis em diferentes níveis de acidez (faixa de pH) e podem ser produzidas em folhas grandes. Essa combinação é crítica para que essas membranas sejam amplamente adotadas na indústria.”
Benefícios potenciais da reciclagem de têxteis e água
A tecnologia é particularmente valiosa para as indústrias têxtil e farmacêutica da Índia, que desempenham um papel importante na economia indiana.
A indústria têxtil e de vestuário da Índia contribui com mais de 2,3% do PIB e é responsável por cerca de 13% da produção industrial. O valor atual do mercado interno é de 16 a 225 mil milhões de dólares e espera-se que aumente para 250 a 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 um desafio constante. A nova membrana remove seletivamente as moléculas de corante enquanto permite que a água seja reciclada, reduzindo a necessidade de água doce e o desperdício de produtos químicos. Esta vantagem é particularmente importante à medida que o mercado indiano de tratamento de águas residuais continua a crescer.
Aplicação na fabricação farmacêutica
A membrana também poderia beneficiar a produção farmacêutica, onde separações de alta precisão 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”, ressalta o Sr. Vinay Thakur. “Membranas altamente seletivas como estas podem reduzir o consumo de energia, mantendo os rigorosos padrões exigidos para a produção farmacêutica.”
Tecnologia de plataforma para fabricação sustentável
Os pesquisadores descrevem os novos POMbranes como uma plataforma tecnológica multifuncional. 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 um componente importante dos sistemas de produção da próxima geração. Ao aplicar princípios comuns em biologia, controlo preciso à escala molecular e aplicá-los a tecnologias de materiais escaláveis, os investigadores mostram como o design inspirado na natureza pode ajudar a resolver grandes desafios industriais.
