O número de países que sofrem com a escassez de água potável aumentou significativamente nos últimos anos devido ao rápido crescimento populacional, às mudanças climáticas e à intensificação de indústrias como a agricultura.
Como a água do mar representa cerca de 96,7% do total de água disponível na Terra, a dessalinização por osmose reversa da água do mar (SWRO - Sea Water Reverse Osmosis) é atualmente a maneira mais econômica de produzir água potável. No entanto, a SWRO demonstra apenas cerca de 50% de eficiência, devido a limitações técnicas relacionadas a altas pressões osmóticas e ao fenômeno de polarização da concentração. Isso levou uma equipe de cientistas dos Emirados Árabes Unidos (EAU) e da Itália a avaliar uma ferramenta de destilação de membrana fototérmica plasmônica que poderia aumentar radicalmente a eficácia da dessalinização da água do mar.
A destilação por membrana (DM) surgiu como uma potencial alternativa ou técnica complementar à SWRO nos últimos anos. No entanto, os sistemas DM convencionais são afetados negativamente pela polarização da temperatura, o que reduz drasticamente seu desempenho.
Uma opção para aumentar a capacidade de dessalinização poderia ser a destilação por membrana fototérmica (DMF), uma tecnologia de membrana térmica híbrida baseada no uso de membranas hidrofóbicas microporosas. O dispositivo de destilação por membrana fototérmico plasmônico compreende membranas nanoestruturadas avançadas com nanopartículas metálicas (NPs) em matrizes poliméricas. Este novo método é limitado por fenômenos osmóticos e, portanto, pode produzir água dessalinizada com alta eficiência térmica de mais de 85% e um consumo de energia comparativamente baixo. Pesquisadores do Instituto Masdar de Ciência e Tecnologia dos Emirados Árabes Unidos e do Conselho Nacional de Pesquisa da Itália (ITM-CNR) e das universidades italianas da Calábria e Sassari estudaram os efeitos do conteúdo de NP na temperatura da superfície da membrana resultante da polarização fenômeno, para determinar a influência da excitação plasmônica fototérmica na função DM.1
Preparação e análise de amostras
A água deionizada produzida por um sistema de purificação de água PURELAB® da ELGA LabWater foi usada ao longo da investigação. Nanopartículas de prata (NPs Ag) foram sintetizadas por redução química com citrato de sódio como precursor metálico, e membranas microporosas de folha plana contendo NPs Ag foram preparadas pelo processo de inversão de fase induzida por não solvente. Microscopia eletrônica de varredura e microscopia eletrônica de transmissão foram realizadas para estabelecer a influência das NPs Ag na morfologia superficial e transversal das membranas. Para explorar os efeitos fototérmicos na membrana, uma lâmpada de mercúrio UV de alta pressão foi usada para irradiar uma célula DM de vácuo sem saída dedicada enquanto uma solução era bombeada através da membrana. A temperatura da superfície da membrana foi monitorada com uma sonda durante o experimento. Uma análise de energia comparativa entre o protótipo de vácuo DM e uma configuração padrão de osmose reversa também foi realizada.
Resultados
O fluxo de calor fototérmico foi 1,7 vezes maior para testes com água pura do que o fluxo de calor latente associado à evaporação da água através da membrana, e foi aproximadamente o dobro para uma solução salina. A energia de radiação térmica da lâmpada UV elevou a temperatura da superfície em cerca de 2,5 K nas membranas sem NPs Ag, em comparação com um aumento de 4 K naquelas contendo essas nanopartículas metálicas.
Este estudo demonstrou que os efeitos termoplasmônicos foram promovidos por excitações fototérmicas de NPs Ag incorporadas em membranas microporosas. Isso elevou a temperatura de alimentação na superfície da membrana exposta à irradiação UV e, portanto, inverteu a polarização da temperatura, alcançando uma eficiência de DM não registrada anteriormente.
Aplicações futuras
Apesar dos resultados iniciais promissores, o principal desafio deste novo equipamento DM é o aumento de escala de um micrômetro para uma escala industrial. O consumo de energia é um fator chave a ser considerado na ampliação, e a análise comparativa de energia mostra que essa nova técnica termoplasmônica tem o potencial de reduzir as demandas de energia em 25%, aumentando significativamente o desempenho do sistema DM pré-existente. A capacidade do DMF de operar efetivamente em alta concentração de sal, independentemente das contrapressões osmóticas, pode desempenhar um papel vital na melhoria da qualidade da água e na capacidade de dessalinização, melhorando a sustentabilidade e a produtividade do processo de dessalinização da água do mar.
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Referências
1 Politano, A et ai. 2017. Destilação Fototérmica por Membrana para Dessalinização da Água do Mar. Materiais Avançados 29:10.100