De tóxico a valioso: tratar águas residuais, descobrir um tesouro
Investigadores desenvolvem uma abordagem «2 em 1» para eliminar metais pesados e recuperar elementos de terras raras valiosos da água
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Normalmente, deitamos fora uma lente de câmara partida, auscultadores ou um telemóvel velho que deixou de funcionar e já não tem reparação possível, pois parecem inúteis quando não funcionam. No entanto, estes objetos contêm elementos de terras raras (REEs) que têm aplicações em ímanes, supercondutividade, ótica e baterias, entre outras. Quando esses objetos acabam por ir parar à água, a recuperação dos REEs torna-se difícil.
Por outro lado, as atividades industriais podem introduzir metais tóxicos, como chumbo, cádmio, níquel e manganês, nessa mesma água. O desafio já não é apenas remover esses poluentes metálicos indesejados e nocivos da água, mas também recuperar de forma eficiente os valiosos REEs.
E se uma única estratégia pudesse ajudar a resolver ambas as questões? Num esforço nesse sentido, investigadores do Instituto Indiano de Tecnologia de Gandhinagar (IITGN), da Universidade de Cambridge e da Universidade de Birmingham desenvolveram, em colaboração, um protocolo que utiliza uma classe de materiais altamente porosos denominados estruturas metal-orgânicas (MOFs). Estes materiais conseguem capturar eficientemente metais tóxicos da água, bem como recuperar REEs valiosas de fluxos de resíduos. Publicado na revista *Nature Protocols*, o estudo fornece um quadro para a conceção, caracterização e implementação de MOFs na remediação da água, bem como em aplicações de economia circular de recursos, tendo em conta as condições do mundo real.
Um filtro inteligente
Pense no MOF como uma rede de pesca molecular. Os seus inúmeros poros formam uma vasta superfície de captura, enquanto sítios químicos especialmente concebidos funcionam como anzóis capazes de se fixar a metais específicos. Os investigadores ajustaram esta rede de forma a que esta retivesse preferencialmente os metais que procuravam. É como identificar e selecionar especificamente bolinhas de gude vermelhas e verdes de um balde que contém centenas de bolinhas de gude de diferentes cores.
Alguns MOFs podem ter áreas de superfície internas de até 7 000 metros quadrados por grama. Para contextualizar esse número, um grama pode parecer uma pitada minúscula de pó, mas no seu interior existe uma área de superfície comparável a um campo de futebol inteiro!
Esta enorme superfície interna torna os MOFs atraentes como adsorventes. Em termos simples, funcionam como materiais que retêm substâncias nas suas superfícies. Embora métodos convencionais, como a precipitação, a coagulação e a floculação, possam ser úteis para o tratamento da água, são geralmente sensíveis ao pH, com a remoção ideal limitada a intervalos estreitos. Em termos gerais, a precipitação permite que as impurezas pesadas se depositem, a coagulação faz com que as impurezas se aglutinem e a floculação faz com que pequenos aglomerados de impurezas colidam e cresçam, formando aglomerados maiores que podem ser separados.
Estas abordagens também requerem grandes infraestruturas e geram grandes quantidades de lamas, um resíduo espesso e lamacento que tem de ser posteriormente tratado e eliminado. Outros processos, como o tratamento eletroquímico, têm elevados custos económicos e ambientais.
A adsorção oferece uma alternativa eficaz que é simples de operar, com ampla aplicabilidade e eficácia em baixas concentrações de contaminantes. Uma vez que se centra no grau de afinidade dos metais-alvo com a superfície adaptada, tem o potencial de remover 90 a 99% dos contaminantes, tal como um filtro altamente seletivo! A utilização de abordagens baseadas na adsorção evita também a geração de contaminantes secundários e permite a regeneração e reutilização do material. Neste contexto, os MOFs destacam-se pela sua excecional flexibilidade de conceção na captura e recuperação de metais.
Para além do laboratório
No mundo real, os efluentes industriais — que são resíduos descarregados por instalações de fabrico, mineração e processamento químico em massas de água — contêm não apenas um, mas muitos metais, juntamente com outros contaminantes, como pesticidas, detergentes e poluentes orgânicos.
O protocolo detalha uma metodologia que pode ser utilizada para empregar os MOFs como adsorventes na recuperação e remoção de metais em condições controladas. O protocolo inclui ensaios em cenários complexos do mundo real. Por exemplo, a remoção e a recuperação foram avaliadas utilizando águas residuais alcalinas (pH ~ 8,5), turvas e com elevado teor de impurezas sólidas dissolvidas. O método foi também testado em água do mar artificial e em amostras derivadas de resíduos eletrónicos. O fluxo de trabalho desenvolvido neste estudo pode ser aplicado a adsorventes semelhantes e a outros contaminantes.
«Para mim, o aspeto mais interessante foi observar que o MOF, no nosso protocolo, demonstrou capacidades de adsorção substanciais», afirmou Dhruv Menon (BTech, IITGN). Acrescentou ainda: «As experiências demonstraram que um grama do MOF à base de cobre conseguia capturar quase meio grama de chumbo (490 mg/g) e, aproximadamente, um quarto de grama de cádmio (264 mg/g) e de manganês (226 mg/g). No que diz respeito aos elementos de terras raras, conseguia capturar cerca de um terço de um grama por grama de material (351 mg/g de neodímio, 343 mg/g de ítrio, 335 mg/g de disprósio, 337 mg/g de térbio e 345 mg/g de európio).» O Sr. Menon é atualmente doutorando no Departamento de Engenharia Química e Biotecnologia da Universidade de Cambridge.
Rumo à Sustentabilidade
Conforme explicado pelo Prof. Superb Misra, «Há necessidade de abordagens que possam resolver múltiplos desafios ambientais simultaneamente. O nosso foco centrou-se na otimização do desempenho dos MOFs para os utilizar em aplicações de remediação ambiental. Dito isto, é crucial compreender que as experiências controladas em lotes não conseguem prever totalmente os comportamentos em águas residuais complexas. É necessário ter em conta fatores como a fabricação em grande escala, análises de custos, avaliação do ciclo de vida dos MOFs e ensaios regulamentares», afirmou o Dr. Misra, que é Professor Titular da Cátedra Jibaben Patel no Departamento de Engenharia de Materiais do IITGN e Investigador Principal do Grupo de Bio-Nanomateriais.
Outros membros da equipa envolvidos neste estudo incluíram Prathmesh Bhadane (doutorado pelo IITGN; bolseiro de pós-doutoramento no IIT de Bombaim), Priya Mahato (doutoranda, IITGN), Prateek Goyal (PhD, IITGN), a Dra. Iseult Lynch (professora, Faculdade de Geografia, Ciências da Terra e Ambientais, Universidade de Birmingham) e o Dr. Swaroop Chakraborty (bolseiro do NERC, Universidade de Birmingham).
Esta investigação está em consonância com o Programa de Incentivos à Reciclagem de Minerais Críticos do Governo da Índia, no âmbito da Missão Nacional de Minerais Críticos, que visa desenvolver a capacidade nacional de reciclagem para separar e produzir minerais críticos a partir de fontes secundárias, incluindo volumes crescentes de resíduos eletrónicos e de baterias. O IIT Gandhinagar é parceiro do Centro de Excelência da Missão Nacional de Minerais Críticos, sediado no IIT (ISM) Dhanbad. As conclusões estão também em consonância com a Iniciativa de Segurança Tecnológica Reino Unido-Índia, que envolve a colaboração na extração e recuperação sustentáveis de minerais críticos a partir de fluxos de resíduos em fim de vida. Coincidem igualmente com os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável 6, 9 e 12 das Nações Unidas, centrados na água potável e no saneamento, na indústria e inovação, e no consumo e produção responsáveis.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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