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Dois terços da superfície da Terra estão inundados com o material, mas a água – especificamente, do tipo limpo e potável – é inacessível a bilhões de pessoas.
Um novo sistema de purificação desenvolvido por pesquisadores do Beckman Institute for Advanced Science and Technology usa uma versão eletrificada da diálise para separar o sal e outras partículas desnecessárias do produto potável. Aplicado com sucesso a águas residuais com expansão planejada para rios e mares, o método economiza dinheiro e gasta 90% menos energia do que seus equivalentes.
O estudo aparece em Cartas de Energia ACS.
Se ao menos retirar o sal da água fosse tão simples quanto agitar um ímã gigante sobre o Pacífico ou peneirar o líquido por uma peneira superfina. Uma vez que o mineral deslocado se dissolve, o processo de separação – batizado de dessalinização nos círculos científicos – torna-se mais caro e usa mais energia.
A dessalinização é ainda mais complicada por impurezas e matéria orgânica (as pequenas partículas que você encontraria suspensas em uma concha de água oceânica não filtrada), cuja remoção estimula a energia e os orçamentos de custo para inchar.
“Precisamos de uma maneira de purificar a água potável que seja de baixo consumo de energia, barata e útil para as comunidades que mais precisam. Vejo nossa solução como uma plataforma para enfrentar as crises de energia e água”, disse Xiao Su, um Beckman pesquisador e professor assistente de engenharia química e biomolecular na Universidade de Illinois Urbana-Champaign.
A água dessalinizada geralmente requer filtração ou evaporação para separar elementos indesejáveis, como sódio, cloreto, matéria orgânica e vários passageiros clandestinos atômicos. O calor, por exemplo, faz bem esse truque – um experimento simples na cozinha mostra que a água fervente com sal faz com que o líquido evapore e o sal permaneça como uma crosta sólida e salgada.
Su e seus colegas adotaram uma abordagem diferente: a eletrodiálise. Assim como a diálise do sangue, que, como um rim, libera sal e outras toxinas de nossas veias, a eletrodiálise remove sais e matéria orgânica das águas residuais para produzir um produto limpo e potável.
A eletrodiálise é uma ferramenta de dessalinização eficaz, mas muitas vezes tem um alto custo de energia. Isso se deve em grande parte à sua principal reação de divisão da água, que separa as moléculas de água em dois componentes: um próton carregado positivamente e um hidróxido carregado negativamente. Como os blocos de construção do sal têm cargas próprias, dividir a água força o movimento do mineral em uma direção designada – como uma mariposa para uma chama de carga oposta ou um pedaço de metal para um ímã.
Em vez de um ímã, porém, a eletrodiálise usa membranas de troca iônica carregadas, assim chamadas porque apenas os íons (átomos com carga elétrica positiva ou negativa) podem passar. As membranas de troca iônica são um dos componentes mais caros da eletrodiálise, pois exigem manutenção diligente e substituição frequente.
Su e seus colegas procuraram purificar a água sem o pedágio de energia da eletrodiálise ou o esforço financeiro das membranas de troca iônica. Então, eles modificaram a abordagem tradicional de duas maneiras principais.
Para economizar energia, os pesquisadores simplificaram o processo de separação de sal com um fenômeno químico chamado reação redox. A palavra redox é um portmanteau das palavras redução (que, em química, descreve a adição de elétrons para criar uma carga negativa) e oxidação (que significa subtrair elétrons para criar uma carga positiva). Fisicamente, desencadear uma reação redox parece adicionar um material especial à base de polímero à água residual antes de ser filtrada e purificada.
Quimicamente, os resultados são transformadores. Em vez de dividir as moléculas de água em fatias carregadas positivamente e negativamente para extrair o sal, a reação redox altera a carga de toda a molécula de água de uma só vez, alcançando o mesmo grau de separação salgada com cerca de 90% menos energia do que a água tradicional. dividindo.
Para agregar economia à eficiência energética, os pesquisadores trocaram as membranas convencionais de troca iônica por membranas de nanofiltração, uma opção mais robusta e menos cara.
Experimentos em uma estação regional de tratamento de água demonstraram que o método dos pesquisadores pode purificar águas residuais com sucesso; os planos futuros incluem a expansão para fontes de água salgada e salobra, como águas subterrâneas e rios.
Devido ao seu baixo consumo de energia, a eletrodiálise de inspiração redox foi projetada para combinar bem com painéis solares. Seu desempenho positivo em climas quentes é útil para aplicações em regiões afetadas pelo clima, “onde a dessalinização de baixo custo e baixa energia é muito necessária”, disse Su.
“A escassez de água é um problema global e não vai mudar em um dia. Mas estamos dando um passo em direção a uma solução que é viável e pode ser ampliada”, disse ele.
Até agora, os pesquisadores testaram seu método em amostras de vários litros. Mas eles estão ansiosos para expandir para um lago maior.
“Temos o polímero certo, temos a membrana certa e temos as condições certas”, disse Su. “A ciência está aí, então o próximo passo é abrir caminho para a implantação desses dispositivos para tratamento de água no mundo real. Acredito que seja o momento certo para isso e estou animado para ver isso acontecer.”
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