Cientistas descobrem novo comportamento das membranas de filtração

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/07/2024

Solutos em nanoescala com pequenas diferenças de tamanho podem ser separados por membranas com poros idênticos - se tiverem oportunidades suficientes para passar.
[Imagem: ANL]

Membranas para filtragem

Quando falamos em filtragem, normalmente nos lembramos do processo de limpar a água para que possamos bebê-la em segurança, mas inúmeros processos industriais utilizam filtros e membranas para separar diferentes solutos, que são substâncias dissolvidas em água ou outros fluidos.

"As separações estão no cerne de muitos dos produtos que usamos em nossas vidas cotidianas," disse Seth Darling, do Laboratório Nacional de Argonne, nos EUA. "As membranas são a chave para alcançar separações eficientes."

Apesar dessa onipresença, ainda não sabemos tudo sobre as membranas, mas a equipe do professor Darling acaba de aumentar esse conhecimento.

Acontece que, com o advento da nanotecnologia e com a melhoria dos processos tecnológicos de fabricação, passamos a ser capazes de produzir membranas de qualidade muito superior - por exemplo, membranas com os poros do mesmo tamanho.

E a equipe acaba de descobrir que o comportamento das membranas com poros homogêneos não é o mesmo que as membranas atuais, com seus poros heterogêneos. E quase todas as membranas comerciais são polidispersas, o que significa que os tamanhos dos seus poros não são consistentes. Para essas membranas, é quase impossível fazer uma separação nítida dos materiais, já que diferentes tamanhos de solutos podem passar por diferentes poros.

"Essencialmente, todas as membranas comerciais, todas as membranas que são realmente usadas para qualquer coisa, têm uma ampla variedade de tamanhos de poros - poros pequenos, poros médios e poros grandes," disse Darling.

Micrografia das membranas isoporosas desenvolvidas pela equipe.
[Imagem: Feng Gao et al. - 10.1038/s44221-024-00252-3]

Transporte dificultado

Até agora, os cientistas acreditavam que havia um limite para a nitidez das separações (a diferença entre as partículas que passam e as que são retidas) que poderiam alcançar em nanoescala, não apenas por causa das variações no tamanho dos poros, mas também por um fenômeno chamado transporte restrito, ou transporte dificultado, que emerge quando moléculas ou partículas suspensas no fluido chocam-se com a superfície da membrana e ficam presas nos poros ou nos canais do filtro, impedindo o fluxo livre do permeado.

"Esses solutos mais lentos parecem ser rejeitados pela membrana. Contraintuitivamente, objetos com até metade do tamanho do poro acabarão sendo rejeitados na metade das vezes. Superar a rejeição criada pelo transporte dificultado permitiria uma seletividade sem precedentes nas separações baseadas no tamanho," explicou Darling.

Em busca disso, a equipe se voltou para as propriedades das membranas isoporosas, ou seja, membranas nas quais todos os poros são do mesmo tamanho. "O regime no qual estamos interessados envolve poros de aproximadamente 10 nanômetros de diâmetro. Com uma membrana perfeita e um projeto de processo adequado, acreditamos que poderemos separar solutos com apenas 5% de diferença no tamanho. As membranas atuais não têm chance de extrair isso," disse Darling.

Fabricação das membranas isoporosas de nitreto de silício.
[Imagem: Feng Gao et al. - 10.1038/s44221-024-00252-3]

Múltiplas tentativas de passar pelo poro

O saber vigente estabelecia que cada soluto só tinha uma tentativa de passar por um determinado poro, e que o transporte restrito resultaria na rejeição de um grande número de solutos menores do que o tamanho do poro, impedindo que eles fluíssem para a saída. Contudo, ao estudar as membranas de poros homogêneos, emergiu uma dinâmica que ninguém havia conseguido visualizar usando membranas polidispersas: As partículas fazem inúmeras tentativas de passar pelo mesmo poro. E a equipe espera usar isso para melhorar o processo de filtração.

"Embora possa parecer óbvio para alguns, as pessoas nunca consideraram realmente uma situação em que os solutos pudessem fazer múltiplas tentativas para atravessar uma membrana," comentou Darling. "Dando um tempo mais longo, ou mais provavelmente um projeto de processo melhorado, acreditamos que veremos uma separação clara e nítida exatamente onde o tamanho dos poros corresponde ao tamanho do soluto."

Estes insights aprendidos com as membranas isoporosas podem ser aplicáveis aos materiais de membrana existentes, projetados para aumentar o número de oportunidades para os solutos passarem pelos poros. "Se esses estudos fundamentais puderem ser transferidos com sucesso para separações de membranas industriais, isso poderá ter um impacto tremendo em vários setores da nossa economia," concluiu Darling.

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