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Garantir que uma população global crescente tenha acesso à água potável exigirá novos métodos de tratamento de água. Um desses métodos de última geração envolve uma forma de ferro chamada ferrato, que cria menos subprodutos tóxicos do que produtos químicos como o cloro e é potencialmente mais barato e fácil de implantar do que sistemas complexos de tratamento com ozônio.
Para que o ferrato funcione melhor, no entanto, ele precisa ser combinado com outros compostos ou excitado pela energia da luz. Agora, usando uma técnica que envolve laser ultrarrápido e pulsos de raios X, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Rhode Island revelou novos detalhes sobre a reação química que ocorre quando o ferrato é exposto à luz visível e ultravioleta. As descobertas, publicadas no Jornal da Sociedade Química Americanapoderia ajudar os pesquisadores a otimizar seu uso em aplicações de tratamento de água.
“A ativação da luz do ferrato realmente nunca foi investigada em detalhes”, disse Dugan Hayes, professor assistente de química da URI e autor correspondente do estudo. “Neste estudo, fomos capazes de revelar algumas dessas propriedades fotofísicas pela primeira vez”.
O ferrato é um oxidante, o que significa que pode quebrar os contaminantes roubando seus elétrons. Por si só, o ferrato é um oxidante bastante forte. Mas quando excitado pela luz, produz um oxidante ainda mais poderoso conhecido como Fe(V) (ou ferro-5+). Antes desse novo estudo, no entanto, não se sabia quanta energia era necessária para produzir Fe(V) e em que quantidades ele poderia ser produzido.
Para descobrir essas coisas, Cali Antolini, um Ph.D. estudante no laboratório de Hayes, liderou experimentos usando espectroscopia de absorção transiente, uma técnica que investiga reações fotoquímicas usando pulsos de laser ultrarrápidos. Um pulso inicial inicia uma reação, enquanto os pulsos subseqüentes sondam as etapas da reação à medida que ocorrem. A velocidade dos pulsos – da ordem de alguns quadrilionésimos de segundo – fornece aos pesquisadores um registro detalhado até mesmo dos produtos de reação de vida mais curta.
Antolini realizou experimentos usando pulsos de luz ultravioleta e visível usando as instalações da URI. Ela realizou experimentos semelhantes usando raios-X no Argonne National Laboratory’s Advanced Photon Source em Chicago, onde Antolini trabalha como parte de um programa de pesquisa estudantil do Departamento de Energia.
O trabalho mostrou que a taxa de conversão do ferrato para o altamente reativo Fe(V) foi de cerca de 15%. Isso é mais ou menos semelhante à produção radical de sistemas de purificação de ozônio. A pesquisa também produziu resultados surpreendentes relacionados ao tipo de luz necessária para produzir as espécies de ferro mais reativas. A equipe descobriu que uma gama de comprimentos de onda de luz, estendendo-se do espectro ultravioleta quase até o visível, deveria ser capaz de produzir Fe(V). Essa é uma descoberta importante por duas razões, dizem os pesquisadores. A luz visível requer menos energia para produzir essa luz ultravioleta, o que poderia tornar a excitação do ferrato mais eficiente em termos de energia do que se supunha anteriormente. Além disso, a luz visível se espalha menos em águas turvas, o que significa que Fe(V) pode ser produzido em uma ampla variedade de condições de água.
Os resultados são encorajadores para Joseph Goodwill, professor assistente de engenharia civil e ambiental da URI e coautor do estudo. Parte de seu programa de pesquisa é encontrar maneiras de preencher a “lacuna de água limpa” entre grandes sistemas urbanos de tratamento de água e pequenos sistemas rurais.
Sistemas de purificação baseados em ferrato são uma opção promissora para sistemas menores, onde sistemas de ozônio caros e elaborados não são práticos, diz Goodwill. O ferrato também tem o potencial de diminuir a dependência de produtos químicos agressivos, como o cloro, e pode até eliminar contaminantes teimosos que o cloro não consegue remover. Isso inclui substâncias per/polifluoroalquil (PFAS), uma classe de produtos químicos cada vez mais encontrados em poços e sistemas de água nos EUA. Mas antes que os sistemas de ferrato possam ser amplamente implantados, os cientistas precisam de uma melhor compreensão da química do ferrato.
“A formação de oxidantes poderosos a partir do ferrato tem sido difícil de entender mecanicamente, e isso bloqueou a otimização do processo e a implementação em larga escala em aplicações de tratamento de água”, disse Goodwill. “Os resultados apresentados neste artigo melhoram nossa compreensão fundamental do sistema de ferrato, o que abre portas para aplicações.”
Os pesquisadores estão esperançosos de que essas novas descobertas sobre como funciona a fotoquímica do ferrato ajudem a expandir o uso do tratamento de água à base de ferro.
A pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA (DE-SC0019429 e DE-AC02-06CH11357) e pela National Science Foundation (2046383).
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