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Os engenheiros da Northwestern University desenvolveram uma nova esponja que pode remover metais – incluindo metais pesados tóxicos como chumbo e metais críticos como cobalto – de água contaminada, deixando para trás água potável e segura.
Em experimentos de prova de conceito, os pesquisadores testaram sua nova esponja em uma amostra altamente contaminada de água da torneira, contendo mais de 1 parte por milhão de chumbo. Com um uso, a esponja filtrada leva a níveis abaixo do detectável.
Depois de usar a esponja, os pesquisadores também conseguiram recuperar metais com sucesso e reutilizá-la em vários ciclos. A nova esponja é promissora para uso futuro como uma ferramenta barata e fácil de usar em filtros de água domésticos ou esforços de remediação ambiental em larga escala.
O estudo foi publicado na noite de ontem (10 de maio) na revista ACS ES&T Água. O documento descreve a nova pesquisa e estabelece regras de design para otimizar plataformas semelhantes para remover – e recuperar – outras toxinas de metais pesados, incluindo cádmio, arsênico, cobalto e cromo.
“A presença de metais pesados no abastecimento de água é um enorme desafio de saúde pública para todo o mundo”, disse Vinayak Dravid, da Northwestern, autor sênior do estudo. “É um problema gigantesco que requer soluções que possam ser implantadas de maneira fácil, eficaz e barata. É aí que entra nossa esponja. Ela pode remover a poluição e ser usada repetidamente.”
Dravid é o professor Abraham Harris de ciência e engenharia de materiais na Northwestern’s McCormick School of Engineering e diretor de iniciativas globais no International Institute for Nanotechnology.
Enxugando derramamentos
O projeto se baseia no trabalho anterior de Dravid para desenvolver esponjas altamente porosas para vários aspectos da remediação ambiental. Em maio de 2020, sua equipe apresentou uma nova esponja projetada para limpar derramamentos de óleo. A esponja revestida com nanopartículas, que agora está sendo comercializada pela spinoff da Northwestern MFNS Tech, oferece uma alternativa mais eficiente, econômica, ecológica e reutilizável às abordagens atuais para derramamentos de óleo.
Mas Dravid sabia que não era o suficiente.
“Quando há um derramamento de óleo, você pode remover o óleo”, disse ele. “Mas também há metais pesados tóxicos – como mercúrio, cádmio, enxofre e chumbo – nesses derramamentos. Então, mesmo quando você remove o óleo, algumas das outras toxinas podem permanecer.
Enxague e repita
Para enfrentar esse aspecto da questão, a equipe de Dravid, novamente, voltou-se para esponjas revestidas com uma camada ultrafina de nanopartículas. Depois de testar muitos tipos diferentes de nanopartículas, a equipe descobriu que um revestimento de goethita dopado com manganês funcionava melhor. As nanopartículas de goethita dopadas com manganês não são apenas baratas, facilmente disponíveis e não tóxicas para humanos, mas também têm as propriedades necessárias para remediar seletivamente metais pesados.
“Você quer um material com uma área de superfície alta, para que haja mais espaço para os íons de chumbo aderirem a ele”, disse Benjamin Shindel, Ph.D. estudante no laboratório de Dravid e primeiro autor do artigo. “Essas nanopartículas têm áreas de alta superfície e locais de superfície reativos abundantes para adsorção e são estáveis, de modo que podem ser reutilizadas muitas vezes.”
A equipe sintetizou pastas de nanopartículas de goetita dopadas com manganês, bem como várias outras composições de nanopartículas, e revestiu esponjas de celulose disponíveis comercialmente com essas pastas. Em seguida, eles enxaguaram as esponjas revestidas com água para remover quaisquer partículas soltas. Os revestimentos finais mediam apenas dezenas de nanômetros de espessura.
Quando submersa em água contaminada, a esponja revestida com nanopartículas efetivamente sequestrou íons de chumbo. A Food and Drug Administration dos EUA exige que a água potável engarrafada esteja abaixo de 5 partes por bilhão de chumbo. Em testes de filtração, a esponja reduziu a quantidade de chumbo para aproximadamente 2 partes por bilhão, tornando-a segura para beber.
“Estamos muito felizes com isso”, disse Shindel. “É claro que esse desempenho pode variar com base em vários fatores. Por exemplo, se você tiver uma esponja grande em um pequeno volume de água, ela terá um desempenho melhor do que uma esponja minúscula em um lago enorme.”
A recuperação ignora a mineração
A partir daí, a equipe enxaguou a esponja com água levemente acidificada, que Shindel comparou a “ter a mesma acidez da limonada”. A solução ácida fez com que a esponja liberasse os íons de chumbo e ficasse pronta para outro uso. Embora o desempenho da esponja tenha diminuído após o primeiro uso, ela recuperou mais de 90% dos íons durante os ciclos de uso subsequentes.
Essa capacidade de coletar e recuperar metais pesados é particularmente valiosa para a remoção de metais críticos e raros, como o cobalto, de fontes de água. Um ingrediente comum em baterias de íon-lítio, o cobalto é energeticamente caro para a mineração e acompanhado por uma longa lista de custos ambientais e humanos.
Se os pesquisadores pudessem desenvolver uma esponja que removesse seletivamente metais raros, incluindo cobalto, da água, esses metais poderiam ser reciclados em produtos como baterias.
“Para tecnologias de energia renovável, como baterias e células de combustível, há necessidade de recuperação de metal”, disse Dravid. “Caso contrário, não há cobalto suficiente no mundo para o número crescente de baterias. Devemos encontrar maneiras de recuperar metais de soluções muito diluídas. Caso contrário, torna-se venenoso e tóxico, apenas parado na água. Podemos também fazer algo valioso com ele.”
Escala padronizada
Como parte do estudo, Dravid e sua equipe definiram novas regras de design para ajudar outros a desenvolver ferramentas para atingir metais específicos, incluindo o cobalto. Especificamente, eles identificaram quais nanopartículas de baixo custo e não tóxicas também têm áreas de alta superfície e afinidades para aderir a íons metálicos. Eles estudaram o desempenho de revestimentos de óxidos de manganês, ferro, alumínio e zinco na adsorção de chumbo. Em seguida, eles estabeleceram relações entre as estruturas dessas nanopartículas e suas propriedades adsortivas.
Chamada Nanomaterial Sponge Coatings for Heavy Metals (ou “Nano-SCHeMe”), a plataforma de remediação ambiental pode ajudar outros pesquisadores a diferenciar quais nanomateriais são mais adequados para aplicações específicas.
“Eu li muita literatura que compara diferentes revestimentos e adsorventes”, disse Caroline Harms, estudante de graduação no laboratório de Dravid e co-autora do artigo. “Há realmente uma falta de padronização no campo. Ao analisar diferentes tipos de nanopartículas, desenvolvemos uma escala comparativa que realmente funciona para todos eles. Isso pode ter muitas implicações no avanço do campo.”
Dravid e sua equipe imaginam que sua esponja poderia ser usada em filtros de água comerciais, para limpeza ambiental ou como uma etapa adicional em instalações de recuperação e tratamento de água.
“Este trabalho pode ser pertinente para questões de qualidade da água local e globalmente”, disse Shindel. “Queremos ver isso no mundo, onde possa causar um impacto real.”
Dravid e Northwestern têm interesses financeiros (ações, royalties) na MFNS Tech.
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