A indústria de celulose e papel dos EUA usa grandes quantidades de água para produzir polpa de celulose de árvores. A água que sai do processo de polpação contém uma série de subprodutos orgânicos e produtos químicos inorgânicos. Para reutilizar a água e os produtos químicos, as fábricas de papel contam com evaporadores alimentados a vapor que fervem a água e a separam dos produtos químicos.

A separação da água por evaporadores é eficaz, mas usa grandes quantidades de energia. Isso é significativo, visto que os Estados Unidos são atualmente o segundo maior produtor mundial de papel e papelão. Estima-se que as aproximadamente 100 fábricas de papel do país usem cerca de 0.2 quads (um quad é um quatrilhão de BTUs) de energia por ano para reciclagem de água, tornando-o um dos processos químicos com maior consumo de energia. Todo o consumo de energia industrial nos Estados Unidos em 2019 totalizou 26.4 quads, de acordo com o Lawrence Livermore National Laboratory.

Uma alternativa é implantar membranas de filtração com eficiência energética para reciclar a água residual da polpação. Mas as membranas de polímero convencionais - disponíveis comercialmente nas últimas décadas - não podem resistir à operação nas condições adversas e altas concentrações de produtos químicos encontrados em águas residuais de polpação e muitas outras aplicações industriais.

Pesquisadores do Georgia Institute of Technology descobriram um método para projetar membranas feitas de óxido de grafeno (GO), um material quimicamente resistente à base de carbono, para que possam funcionar com eficácia em aplicações industriais.

“GO tem características notáveis ​​que permitem que a água passe por ele muito mais rápido do que através das membranas convencionais”, disse Sankar Nair, professor, Simmons Faculty Fellow, e presidente associado para o Industry Outreach na Georgia Tech School of Chemical and Biomolecular Engineering. “Mas uma questão de longa data tem sido como fazer as membranas GO funcionarem em condições realistas com altas concentrações de produtos químicos para que possam se tornar industrialmente relevantes.”

Usando novas técnicas de fabricação, os pesquisadores podem controlar a microestrutura das membranas GO de uma forma que lhes permite continuar a filtrar a água com eficácia, mesmo em concentrações químicas mais altas.

A pesquisa, apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA-RAPID Institute, um consórcio industrial de empresas de produtos florestais, e pelo Renewable Bioproducts Institute da Georgia Tech, foi relatada recentemente no jornal Sustentabilidade da natureza. Muitas indústrias que usam grandes quantidades de água em seus processos de produção podem se beneficiar com o uso dessas membranas de nanofiltração GO.

Nair, seus colegas Meisha Shofner e Scott Sinquefield e sua equipe de pesquisa começaram este trabalho há cinco anos. Eles sabiam que as membranas GO há muito eram reconhecidas por seu grande potencial em dessalinização, mas apenas em um ambiente de laboratório. “Ninguém demonstrou com credibilidade que essas membranas podem funcionar em fluxos de água industrial e condições operacionais realistas”, disse Nair. “Novos tipos de estruturas GO eram necessários que exibiam alto desempenho de filtração e estabilidade mecânica, mantendo a excelente estabilidade química associada aos materiais GO.”

Para criar essas novas estruturas, a equipe concebeu a ideia de colocar grandes moléculas de corante aromático entre as folhas GO. Os pesquisadores Zhongzhen Wang, Chen Ma e Chunyan Xu descobriram que essas moléculas se ligam fortemente às folhas GO de várias maneiras, incluindo o empilhamento de uma molécula sobre a outra. O resultado foi a criação de espaços de “galeria” entre as folhas GO, com as moléculas do corante atuando como “pilares”. As moléculas de água filtram-se facilmente nos espaços estreitos entre os pilares, enquanto os produtos químicos presentes na água são seletivamente bloqueados com base em seu tamanho e forma. Os pesquisadores puderam ajustar a microestrutura da membrana vertical e lateralmente, permitindo-lhes controlar a altura da galeria e a quantidade de espaço entre os pilares.

A equipe então testou as membranas de nanofiltração GO com vários fluxos de água contendo produtos químicos dissolvidos e mostrou a capacidade das membranas de rejeitar produtos químicos por tamanho e forma, mesmo em altas concentrações. Por fim, eles expandiram suas novas membranas GO para folhas de até 4 pés de comprimento e demonstraram sua operação por mais de 750 horas em um fluxo de alimentação real derivado de uma fábrica de papel.

Nair expressou entusiasmo pelo potencial da nanofiltração de membrana GO para gerar economia de custos no uso de energia da fábrica de papel, o que poderia melhorar a sustentabilidade do setor. “Essas membranas podem economizar para a indústria de papel mais de 30% em custos de energia de separação de água”, disse ele.

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Georgia Tech continua a trabalhar com seus parceiros industriais para aplicar a tecnologia de membrana GO para aplicações de celulose e papel.

Este trabalho é apoiado pelo Instituto de Desenvolvimento de Intensificação de Processo (RAPID) do Departamento de Energia (DOE) dos EUA (# DE-EE007888-5-5), um consórcio industrial que compreende Georgia-Pacific, International Paper, SAPPI e WestRock, e o Instituto de Bioprodutos Renováveis ​​da Georgia Tech. Quaisquer opiniões, descobertas e conclusões ou recomendações expressas neste material são de responsabilidade dos autores e não refletem necessariamente as opiniões das organizações patrocinadoras.

CITAÇÃO: Zhongzhen Wang, et al., "Graphene Oxide Nanofiltration Membranes for Desalination under Realistic Conditions". (Sustentabilidade da natureza, 2021) https: //doi.org /10.1038 /s41893-020-00674-3.