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Cientistas produzem membrana que elimina corante e metal cancerígeno da água

Nova tecnologia filtra e degrada substâncias tóxicas em estações de tratamento

Pesquisadores do Instituto de Química de São Carlos (IQSC), da USP, e do Instituto de Química (IQ), da Unesp, em Araraquara, criaram um material capaz de filtrar e degradar, simultaneamente, um tipo de metal cancerígeno e um corante que podem ser encontrados na água e não são identificados pelas estações de tratamento. Com a possibilidade de ser reutilizada várias vezes sem perder a eficácia, a tecnologia se apresenta como uma membrana, composta de celulose bacteriana revestida por uma camada de dissulfeto de molibdênio (MoS2), um metal que não é tóxico.

Foto: Henrique Fontes/ Assessoria de Comunicação do IQSC/USP

Um dos autores, o doutor em Química Elias Paiva Ferreira Neto, detalhou como fizeram esse projeto. “Este trabalho teve origem pela combinação de experiências dos grupos da USP e da Unesp. No grupo do professor Ubirajara Pereira (IQSC-USP), onde realizei meu mestrado e doutorado, há algum tempo, estudamos o desenvolvimento de materiais inorgânicos com a capacidade de degradar poluentes ao serem expostos à luz, um processo conhecido como fotocatálise heterogênea. Um desses materiais é justamente o MoS2, que, em geral, é aplicado apenas na forma de pó nanoparticulado. Isto, na verdade, é uma desvantagem de grande parte dos fotocatalisadores, o que limita sua aplicabilidade, pois há dificuldade na separação e recuperação das nanopartículas após o uso”.

De acordo com Ferreira Neto, o desafio é desenvolver materiais que combinem as propriedades catalíticas, eletrônicas e alta área de superfície dos nanomateriais inorgânicos com a manuseabilidade e resistência mecânica de um material macroscópico tridimensional. Um tipo de material que reúne tais características são os aerogéis, materiais extremamente porosos obtidos pela secagem controlada de géis úmidos. Além de poderem ser obtidos na forma de materiais macroscópicos como monólitos ou membranas, eles possuem estrutura interna constituída de redes tridimensionais de nanoestruturas interconectadas, resultando em altíssima área superficial e excelentes propriedades catalíticas.

“Os materiais puramente inorgânicos, na forma de aerogéis, são excelentes para remoção de poluentes, mas são muito frágeis mecanicamente e só é possível usá-los na forma de pó, o que dificulta a aplicação. A ideia do projeto foi combinar a propriedade destes materiais com flexibilidade de membranas de aerogéis orgânicos, feitos de celulose bacteriana”. Ferreira Neto atua como pesquisador de pós-doutorado em desenvolvimento de novos materiais, com a supervisão do professor Sidney Ribeiro (IQ-Unesp).

Segundo o cientista, seu supervisor tem muita experiência em materiais baseados em celulose bacteriana, um biopolímero formado na forma de hidrogéis com boa resistência mecânica. “Assim, trabalhamos no desenvolvimento de aerogéis híbridos de celulose-MoS2 capazes de serem utilizados como materiais autossuportados para fotocatálise (remoção de poluentes induzida pela irradiação de materiais sólidos) em condição de fluxo com boa capacidade de remoção de poluentes orgânicos e inorgânicos”, completou.

O material é feito de uma membrana de celulose bacteriana produzida por uma cepa não-patogênica de bactérias, que em meio biológico e na presença de açúcares formam essas membranas de hidrogel de celulose, consistindo em nanofibras entrelaçadas de celulose. “Estas membranas são então modificadas crescendo nanofolhas do material inorgânico MoS2 por um processo simples de síntese inorgânica. O material é então seco controladamente para evitar a perda de porosidade”, afirmou. “A membrana de celulose tem poros grandes que permitem a difusão facilitada da água pelos poros. Por outro lado, a camada depositada de nanofolhas de MoS2 tem a capacidade de capturar os poluentes por adsorção e degradá-los sob luz. Então além de remover os contaminantes da água, o material tem a capacidade de degradar os poluentes orgânicos, idealmente convertendo-os a CO2 e água, além de converter o metal tóxico e cancerígeno Cr(VI) em Cr(III), uma forma pouco tóxica do metal.”

A membrana é composta de celulose bacteriana revestida por uma camada de dissulfeto de molibdênio (MoS2), um metal que não é tóxico – Foto: Henrique Fontes/ Assessoria de Comunicação do IQSC/USP

O pesquisador explicou ainda que a membrana pode ser reutilizada várias vezes sem perder a eficácia. “Isso se deve à combinação dos processos de adsorção com os processos de fotocatálise. O material, além de capturar os poluentes, limpa sua superfície ao degradar estes poluentes ao ser expostos à luz. Além disso, possíveis produtos de degradação ainda retidos no material podem ser removidos lavando as membranas com etanol e água, e, assim, estas podem ser empregadas novamente no processo de tratamento da água”, afirmou.

O trabalho é um passo inicial na área, pois é um dos primeiros exemplos de aerogéis híbridos utilizados como membrana fotocatalítica em condição de fluxo, segundo o cientista. “Assim, o trabalho abre uma linha de pesquisa em que tentaremos agora expandir o tipo de fotocatalisadores que podem ser incorporados no material visando aumentar a eficiência de remoção. A eficiência que conseguimos fica na faixa de materiais fotocatalíticos de MoS2 na forma nanoparticulada, o que é excelente, tendo em vista que no material suportado a área de superfície ativa exposta a luz é muito menor. No entanto, para viabilizar esta tecnologia para aplicações reais, diversos estudos ainda têm que ser realizados e a eficiência deve ser ainda aprimorada.”

“Devemos, nos próximos estudos, por exemplo, estudar a degradação de maior gama de poluentes orgânicos e inorgânicos de relevância ambiental e ocorrência em água, tais como metais pesados, fármacos e pesticidas. Adicionalmente, a modificação dos materiais preparados com outras nanoestruturas fotocatalíticas como TiO2 e BiVO4, poderá aumentar muito a eficiência dos materiais já obtidos”, finalizou.