Artigo em destaque: Membranas de aerogel como filtros para descontaminar as águas.



O artigo científico de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Bacterial Nanocellulose/MoS2 Hybrid Aerogels as Bifunctional Adsorbent/Photocatalyst Membranes for in-Flow Water Decontamination. Elias P. Ferreira-Neto, Sajjad Ullah, Thais C.A. da Silva, Rafael R. Domeneguetti, Amanda P. Perissinotto, Fábio S. de Vicente, Ubirajara P. Rodrigues-Filho, and Sidney J. L. Ribeiro. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 37, 41627–41643.

Membranas de aerogel como filtros para descontaminar as águas

box ptUma equipe de cientistas de universidades brasileiras desenvolveu um novo material capaz de descontaminar águas, eliminando, simultaneamente, poluentes orgânicos (como tintas) e inorgânicos (como metais pesados). O material se apresenta em forma de uma membrana com potencial para ser usada como filtro ativo: à medida que a água passa através da membrana, os poluentes são adsorvidos e degradados.  O material pode ser reutilizado várias vezes, sem perder as suas propriedades.

A membrana é formada por uma rede tridimensional de nanofibras de celulose, revestidas com nanofolhas de dissulfeto de molibdênio (MoS2). Cada um dos materiais cumpre sua função no filtro. O dissulfeto de molibdênio é o principal responsável por adsorver os poluentes e degradá-los por meio de fotocatálise [veja box]. Já a nanocelulose funciona, principalmente, como suporte dos fotocatalisadores. Em primeiro lugar, ela permite a construção de uma membrana macroscópica, facilmente manuseável. Além disso, a sua estrutura de nanofibras entrelaçadas de superfície rugosa oferece uma área superficial muito grande para conter os fotocatalisadores. Finalmente, a flexibilidade e resistência da nanocelulose permitem que a membrana aguente a pressão do fluxo de água.

“Apesar de diversos fotocatalisadores excelentes terem sido desenvolvidos anteriormente, uma das desvantagens é a difícil separação e recuperação dos materiais nanométricos, por isso a ideia de fazer membranas”, diz Elias Ferreira-Neto, bolsista de pós-doutorado no Laboratório de Materiais Fotônicos, do Instituto de Química da UNESP Araraquara. “Este trabalho é um primeiro passo na área”, completa Elias, autor correspondente do artigo que reporta o desenvolvimento das membranas, recentemente publicado na Applied Materials & Interfaces (fator de impacto = 8,758).

Produção das membranas: do hidrogel bacteriano até o aerogel híbrido

Imagem de microscopia eletrônica de varredura mostra a estrutura do aerogel, com as nanofibras de celulose bacteriana revestidas com nanofolhas de MoS2.
Imagem de microscopia eletrônica de varredura mostra a estrutura do aerogel, com as nanofibras de celulose bacteriana revestidas com nanofolhas de MoS2.

A “receita” desenvolvida pela equipe científica brasileira para produzir as membranas envolve várias etapas e requer o domínio de diferentes processos de síntese de materiais.

No primeiro passo, bactérias de uma cepa não patogênica, colocadas em um meio adequado, realizam um processo metabólico que gera, como subproduto, um hidrogel de nanocelulose bacteriana. Altamente poroso, esse material é composto por 1% de nanofibras de celulose entrelaçadas e, entre elas, 99% de água. O hidrogel é então lavado com o objetivo de eliminar impurezas.

Depois disso, a superfície das nanofibras é revestida com nanofolhas de dissulfeto de molibdênio de estrutura controlada, regularmente distribuídas na superfície das nanofibras.  Finalmente, esse hidrogel híbrido é transformado em aerogel por meio de um processo de secagem controlada, que substitui a água dos poros por ar. O resultado final é uma membrana de aerogel composto por nanocelulose bacteriana e dissulfeto de molibdênio.

Testes de descontaminação

Esquema ilustrativo do funcionamento do reator usado nos testes de descontaminação de águas.
Esquema ilustrativo do funcionamento do reator usado nos testes de descontaminação de águas.

Para verificar a capacidade das novas membranas de remover poluentes orgânicos e inorgânicos presentes na água, os pesquisadores construíram um pequeno fotorreator. Nesse aparelho, a água contaminada passa através da membrana, que é iluminada para gerar o efeito fotocatalítico. Nos testes, os cientistas utilizaram um poluente orgânico (o azul de metileno, composto usado como tinta e como fármaco) e um contaminante inorgânico (o cromo hexavalente, composto tóxico e cancerígeno, ainda usado em várias indústrias).

Ao medir a presença dos contaminantes na água após a filtragem, os pesquisadores constataram que a membrana foi capaz de eliminar aproximadamente 96% da tinta e 88% do metal pesado depois de 120 minutos de circulação no reator. “A eficiência que conseguimos fica na faixa de materiais fotocatalíticos de dissulfeto de molibdênio na forma nanoparticulada, o que é excelente, tendo em vista que, no material suportado, a área de superfície ativa exposta à luz é muito menor”, diz Elias. Entretanto, para tornar as membranas aptas para aplicações reais, fora do laboratório, os cientistas pretendem aumentar ainda mais essa eficiência. “A modificação dos materiais preparados com outras nanoestruturas fotocatalíticas, como dióxido de titânio (TiO2) e vanadato de bismuto (BiVO4), poderá aumentar muito a eficiência dos materiais já obtidos”, comenta Elias. Além disso, a equipe planeja testar a ação das membranas com relação a outros compostos orgânicos e inorgânicos que poluem as águas, tais como fármacos, pesticidas e outros metais pesados.

Expertises agregadas

Totalmente realizado no Brasil, mais precisamente no estado de São Paulo, o trabalho agregou a expertise em materiais baseados em celulose bacteriana do grupo liderado pelo professor Sidney Ribeiro (Instituto de Química da UNESP Araraquara), e a experiência em fotocatálise do grupo conduzido pelo professor Ubirajara Rodrigues Filho (Instituto de Química de São Carlos – USP). A pesquisa também envolveu a colaboração do professor Fábio Simões de Vicente, do Departamento de Física da UNESP Rio Claro, para a caracterização da porosidade e das propriedades texturais dos materiais.

O estudo faz parte do projeto de pós-doutorado de Elias Ferreira-Neto, financiado pela FAPESP. Em seu doutorado, sob orientação do professor Ubirajara, e durante o estágio de pesquisa no exterior realizado junto a um pesquisador especialista em aerogéis, Elias adquiriu muita experiência no desenvolvimento de nanopartículas e aerogéis inorgânicos para fotocatálise. Nesses trabalhos, ele identificou o grande potencial desses materiais como fotocatalisadores, bem como sua principal limitação, a baixa resistência mecânica e, particularmente, a baixa resistência à pressão capilar em meio líquido.

No contexto do pós-doutorado de Elias, a colaboração entre grupos de pesquisa brasileiros permitiu superar essa limitação mediante o desenvolvimento de aerogéis híbridos que combinam as excelentes propriedades mecânicas do suporte de celulose com as propriedades fotocatalíticas e adsortivas das nanofolhas de MoS2.

autores
Os autores do artigo. A partir da esquerda: Elias Ferreira-Neto, Sajjad Ullah, Thais da Silva, Rafael Domeneguetti, Amanda Perissinotto, Fábio de Vicente, Ubirajara Rodrigues Filho e Sidney Ribeiro.

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