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Descarregados em grandes quantidades por fabricantes de têxteis, cosméticos, tintas, papel e outros, os corantes são altamente tóxicos e podem trazer potenciais agentes cancerígenos para as águas residuais. É uma grande preocupação para o tratamento de águas residuais – mas os investigadores da Faculdade de Engenharia da Universidade Drexel podem ter encontrado uma solução, utilizando um minúsculo nanofilamento.
O líder do estudo, Michel Barsoum, Ph.D., distinto professor universitário da Faculdade de Engenharia, e sua equipe, incluindo pesquisadores da Faculdade de Artes e Ciências de Drexel, descobriram que um material fotocatalisador de óxido de titânio estruturado em lepidocrocita unidimensional tem a capacidade para quebrar dois corantes poluentes comuns – rodamina 6G e cristal violeta – sob o espectro de luz visível. O material também reduziu as concentrações de corante na água em 90% e 64%, respectivamente, em apenas 30 minutos, quando a proporção em massa do catalisador inicial para o corante era de 1 para 1.
“Esta é uma descoberta interessante porque ajuda a resolver um problema que tem sido um verdadeiro desafio para o processo de tratamento de água”, disse Barsoum. “Prevemos que a integração do nosso fotocatalisador de óxido de titânio nos processos atuais poderia melhorar a sua eficácia na remoção destes produtos químicos, bem como reduzir a quantidade de energia necessária para o fazer.”
O processo começa com a adsorção, onde o corante adere à superfície do nanofilamento e, uma vez iluminado, sofre fotocatálise. O corante sensibiliza os nanofilamentos à luz visível. Este processo acelera a degradação, permitindo que o corante se desfaça em subprodutos inofensivos, como dióxido de carbono e água.
O estudo, publicado recentemente na revista Matériadescobriram que a chave para a degradação do corante e o processo de autossensibilização era a capacidade do material de gerar buracos de elétrons e algo chamado “ROS” – hidroxila, superóxido e oxigênio singleto, radicais, bem como “buracos” de elétrons.
Os dois alvos de corante são efluentes comumente encontrados em águas residuais. Efluente, que significa literalmente algo que flui, é diferente do esgoto encontrado nas águas residuais. Os resíduos sólidos podem ser filtrados e removidos antes da purificação da água. O efluente fica suspenso na água, dificultando sua separação e remoção.
A rodamina 6G é um corante derivado de xanteno usado principalmente no processamento de madeira, tingimento de papel, tinta para canetas e cosméticos. O cristal violeta, um corante trifenilmetano, é usado para tingir tintas e têxteis. Esses corantes são solúveis em água e qualquer excesso é descartado como efluente.
As águas residuais são uma grande preocupação ambiental em todo o mundo e a sua existência tem impactos a longo prazo na saúde dos seres humanos, das plantas aquáticas e dos animais. As famílias e a indústria geram cerca de 380 mil milhões de toneladas cúbicas de águas residuais a nível mundial todos os anos. Apenas 24% destes são suficientemente tratados devido aos desafios no tratamento, incluindo o elevado consumo de energia, a existência de produtos químicos residuais, o pessoal dos centros de tratamento e o processamento insuficiente de contaminantes complexos e persistentes, incluindo corantes.
Os métodos mais comuns de tratamento de águas residuais, como sedimentação, oxidação biológica e tratamento químico-físico, são ineficazes na remoção de corantes, segundo os pesquisadores, devido à complexa estrutura molecular dos corantes e à natureza solúvel em água.
A adsorção com materiais argilosos, carvão ativado, óxido de ferro e materiais naturais, como borra de café, também já foi utilizada anteriormente e apresenta alta absorção de corante catiônico, trocando íons ou formando ligações. No entanto, estes materiais simplesmente permitem a separação do corante da água – o corante ainda existe e é simplesmente ligado aos materiais adsorventes nas águas residuais.
Os fotocatalisadores, há muito considerados a chave para a remoção de corantes da água, até agora não produziram uma solução sustentável. De acordo com Barsoum, muitos fotocatalisadores normalmente requerem tratamento com luz UV, que utiliza muita energia. O impacto do novo nanofilamento reside no seu comportamento de auto-sensibilização, o que torna o nanofilamento mais sensível à luz visível.
“A utilização de luz visível – luz que o olho humano pode ver – como o sol ou outras fontes de luz simuladas, poderia reduzir significativamente os custos financeiros e de consumo de energia associados ao tratamento, ao mesmo tempo que continua a ser altamente eficaz na remoção de corantes de águas residuais, eliminando os efluentes tóxicos”, disse Adam Walter, estudante de doutorado no grupo de pesquisa de Barsoum e primeiro autor do artigo, no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. “Isso também representa uma excelente oportunidade para expansão em outros campos, como células solares ou dispositivos ópticos.”
O resultado: água mais limpa sem o uso de toxinas ou energia adicional.
Para realizar o estudo, a equipe utilizou difração de raios X para caracterizar o arranjo dos átomos no nanomaterial. Eles caracterizaram ainda o nanomaterial com microscopia eletrônica de varredura e transmissão, que envia feixes de elétrons ao material para formar uma imagem.
Para monitorar a descoloração do corante, a equipe monitorou a amostra usando espectroscopia ultravioleta-visível e mineralização quantificada por demanda química de oxigênio. O estudo detalha as propriedades estruturais e ópticas dos nanofilamentos, bem como a promessa do material para tratamento de águas residuais devido à sua eficiência de adsorção dos dois corantes testados no estudo.
Uma das descobertas mais importantes do estudo foi a forte evidência de que o nanofilamento é sensibilizado pelo corante, representando uma relação simbiótica entre aditivo e efluente que resultou em água mais limpa e menos tóxica. Uma maneira de pensar sobre isso, disse Walter, é que o corante catalisa sua própria destruição.
Além disso, embora este estudo tenha mostrado provas de que o nanofilamento pode ser aproveitado para melhorar a capacidade de tratamento de água, também serve como primeira prova de que os materiais podem ser sensibilizados, abrindo a porta para outras aplicações em células solares e dispositivos ópticos. No início deste ano, o mesmo nanofilamento foi estudado pela equipa e descobriu-se que aproveita a luz solar para a separação do hidrogénio, o que poderia desbloquear o seu potencial na geração de combustível verde.
“Estamos apenas começando a descobrir as possibilidades deste material”, disse Barsoum. “À medida que entendemos melhor os processos que permitem o seu comportamento, antecipamos a exploração de novas aplicações onde possa melhorar o desempenho da tecnologia que o mundo precisa para avançar em direção a um futuro mais sustentável.”
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