Uma equipe de pesquisadores do CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research Institute (CSMCRI), do Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN), da Nanyang Technological University em Singapura e do S N Bose National Centre for Basic Sciences desenvolveu um novo tipo de membrana de filtração altamente precisa. O estudo, publicado no Journal of the American Chemical Society, descreve uma tecnologia que pode ajudar indústrias a reduzir o consumo de energia e aumentar drasticamente a reutilização de água.
Muitas atividades industriais dependem da separação de diferentes substâncias umas das outras. Esses processos de separação são essenciais para tarefas como purificação de medicamentos, tratamento de corantes têxteis e produção de alimentos. No entanto, eles também estão entre as operações mais intensivas em energia na manufatura, representando cerca de 40% a 50% do consumo global de energia industrial. A maioria das instalações ainda depende de abordagens tradicionais como destilação e evaporação. Embora eficazes, esses métodos exigem grandes quantidades de energia e contribuem significativamente para as emissões de carbono. A filtração baseada em membranas é geralmente considerada uma alternativa mais limpa, mas as membranas poliméricas convencionais geralmente contêm poros de tamanho irregular. Com o tempo, esses poros podem mudar de forma ou degradar, reduzindo o desempenho e limitando sua utilidade em ambientes industriais exigentes.
"Para superar essas limitações, projetamos uma nova classe de membranas cristalinas ultra-seletivas chamadas 'POMbranes', que contêm poros com cerca de um nanômetro de largura, milhares de vezes mais finos que um fio de cabelo humano", disse a Dra. Shilpi Kushwaha, Cientista Sênior do CSMCRI. As novas membranas se inspiram em sistemas biológicos como as aquaporinas, que regulam o movimento de moléculas através de canais de tamanho preciso. Para alcançar esse nível de controle, os pesquisadores usaram clusters de poli-oxometalato (POM). Cada cluster contém uma abertura natural que tem exatamente 1 nanômetro de largura e permanece permanentemente estável. De acordo com a Sra. Priyanka Dobariya, pesquisadora do CSMCRI e co-primeira autora do artigo, "Esses POMs são minúsculos clusters metálicos em forma de coroa que têm um buraco perfeito e permanente em seu centro que não muda nem perde a forma, que é o maior obstáculo com os filtros plásticos tradicionais".
Criar uma membrana prática exigiu organizar bilhões dessas pequenas estruturas em forma de anel em uma camada contínua e sem defeitos. Para isso, os pesquisadores anexaram cadeias químicas flexíveis aos clusters de POM. Quando os clusters modificados foram colocados na água, eles naturalmente se espalharam e se organizaram em um filme ultrafino de grande área. Ao alterar o comprimento das cadeias anexadas, a equipe conseguiu controlar quão próximos os clusters se agrupavam. "Isso forçou as moléculas a atravessar a membrana através do único caminho aberto, os buracos de um nanômetro embutidos em cada cluster, permitindo que a membrana atuasse como uma peneira de alta tecnologia", acrescentou o Dr. Raghavan Ranganathan, Professor Associado do Departamento de Engenharia de Materiais do IITGN. O Dr. Ranganathan e o Sr. Vinay Thakur, doutorando no IITGN e co-primeiro autor do artigo, também realizaram simulações em nível molecular que revelaram como as membranas desempenham sua função de filtragem.
Testes mostraram que as membranas podiam distinguir entre moléculas que diferem em apenas 100-200 Daltons, um nível de precisão extremamente difícil de alcançar com membranas poliméricas convencionais. De acordo com o Dr. Ketan Patel, Cientista Principal do CSMCRI, essa capacidade pode criar novas oportunidades para processos de fabricação mais sustentáveis. "Nossas membranas mostram um desempenho de separação quase dez vezes melhor em comparação com as tecnologias existentes, enquanto permanecem flexíveis, estáveis e escaláveis", disse ele. "Além disso, essas membranas são flexíveis, estáveis em diferentes níveis de acidez (faixas de pH) e podem ser fabricadas em grandes folhas. Essa combinação é essencial se as membranas forem amplamente adotadas na indústria."
A tecnologia pode revolucionar setores como têxtil e farmacêutico, onde a separação precisa é crucial. Embora ainda haja desafios para a implementação em larga escala, os pesquisadores estão otimistas. "É como ter um filtro de café que só deixa passar a bebida, mas bloqueia até as partículas de açúcar", brincou um dos cientistas.