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Nanomateriais sol-gel: uso no tratamento de águas e em atividades industriais

20 de Janeiro de 2020

Água limpa é um bem social e econômico, na medida que é essencial para o crescimento da vida e para a própria sobrevivência humana. Mas, infelizmente, por causa da poluição ambiental gerada pela expansão populacional e seu uso industrial sem sustentabilidade, a água potável tem se tornando cada vez mais escassa. As estimativas são de que, em todo o mundo, mais de 1 bilhão de pessoas viva em constante luta para obtê-la. Quem não consegue água limpa acaba consumindo água contaminada, podendo morrer. E essas mortes podem ocorrer em proporção superior às causadas por guerras e outras violências combinadas.

Uma solução para essa realidade crítica é, sem dúvida, a necessária despoluição dessa água. Os métodos tradicionais, contudo, são caros e complexos. São tratamentos realizados com filtração convencional e por membranas, floculação, coagulação etc. Métodos que, muitas vezes, não são eficientes para a remoção dos contaminantes dispersos na água, sejam eles compostos orgânicos, íons metálicos e não metálicos, na medida em que seus teores não são reduzidos para níveis aceitáveis e podem provocar o aparecimento de diversas doenças graves e muitas mortes.

A ciência tem buscado soluções alternativas eficazes, operacionalmente simples e baratas de tratamento de água. E uma eficiente solução encontrada é o processo de tratamento de água envolvendo o aprisionamento desses contaminantes em nanomateriais (sólidos porosos regeneráveis, reutilizáveis e baratos), tratamento este conhecido por processo de adsorção.

As microesferas porosas hidrogéis de Ni-Agarose confinam as nanopartículas de níquel responsáveis pela adsorção em processos de produção de medicamentos para tratamento de câncer - Divulgação

A qualidade desse processo é muito significativa. A adsorção permite que esses contaminantes sejam atraídos e ligados à superfície do elemento adsorvente (nanomaterial), resultando em maior eficiência de sua captura, imobilização e eliminação. A dessorção posterior permite que esses nanomateriais sejam reutilizados, tornando mais econômico esse processo de tratamento da água e a produção para utilização dessas nanopartículas em alguns setores industriais.

Diante dessa premissa e da urgência por soluções tecnológicas viáveis, o CDTN alcançou resultados expressivos por meio do Laboratório de Tecnologia Sol-Gel (LTSGel), da área de pesquisa de materiais, com a criação de estruturas funcionais e dispositivos de adsorção em uma escala nanométrica (o que corresponde a ser mil vezes menor que um mícron, ou a um milhão de vezes menor que um milímetro). Soluções conhecidas como nanotecnológicas.

Mas, o uso de nanotecnologias traz consigo a dificuldade de obtenção de nanopartículas (1 a 100 nanômetros – nm) com composição uniforme, tanto em forma, quanto em tamanho (ditas monodispersas), confinadas e protegidas quimicamente, para que possam exibir sua grande energia superficial na aplicação projetada, sem que o seu uso se transforme em uma ameaça e fonte de contaminação ambiental.

Para superar esse gargalo, métodos físicos e químicos são utilizados para agregar átomos de um elemento em dimensões nanométricas, confinando-os em estruturas porosas macroscópicas. Resultado de uma ciência multidisciplinar, com a tecnologia Sol-Gel foi possível controlar a agregação dos átomos e construir nanoestruturas com funcionalidades customizadas e inovadoras.

De acordo com o pesquisador do CDTN, Este endereço de email está sendo protegido de spambots. Você precisa do JavaScript ativado para vê-lo., no Laboratório de Tecnologia de Sol-Gel, métodos químicos são utilizados para realizar a hidrólise e a condensação de íons metálicos em dispersões coloidais conhecidas como sol e transformá-las em outro tipo de dispersão coloidal denominada gel, de modo a agregar os íons metálicos no tamanho e na forma desejada. E a tecnologia sol-gel obteve êxito em gerar materiais, estruturas funcionais e dispositivos de uso industrial prático.

Fig. 1 – Visão esquemática de uma estação de tratamento de águas de poços artesianos usando nanomateriais - Divulgação

Uma estrutura funcional, porosa e macroscópica criada no LTSGel do CDTN, na forma de “esfera de água”, foi então apresentada como adsorvente de íons metálicos e não metálicos contaminantes de meios aquosos. Nessas membranas esféricas hidrogéis são confinadas nanopartículas (menores que 20 nm) de ferro e/ou cálcio, alumínio, zircônio, manganês, monodispersas e flutuantes em meio aquoso, sem o risco de que passem pelos poros da membrana polimérica orgânica que as confina.

Um exemplo típico é mostrado na Fig. 1, onde esferas hidrogéis (3.433 ± 63 micrômetros – µm), contendo nanopartículas de Óxido Férrico (Fe2O3), de álcool polivinílico (PVA, polímero muito utilizado na indústria para a produção de cola de madeira, tinta, materiais de construção etc.) e água, têm sido usadas para desfluoretar águas de poços artesianos. Esta figura é uma visão esquemática de uma estação de desfluoretação de águas de poços artesianos prevista no projeto “Desenvolvimento e construção de estação de tratamento de água fluoretada de poço artesiano das comunidades indígenas Lobó e Tikã usando filtros de leitos porosos, estratificados com compósitos nanoestruturados”, apresentado e em estruturação no Distrito Sanitário Especial Indígena de Vilhena, no estado de Rondônia.

É conveniente ressaltar que excesso de flúor proveniente da ingestão de água não tratada tem provocado fluorose dentária e esqueletal, uma doença que corrói os dentes e a autoestima das pessoas, bem como pode causar câncer nos ossos. Destaque-se que apenas sete mililitros de esferas hidrogéis são necessários para desfluoretar três litros de águas de poços artesianos contaminados, o que viabiliza a construção de uma estação de desfluoretação compacta e funcional. Ou seja, cerca de 250 litros de esferas hidrogéis pode tratar 100.000 litros de água fluoretada por mês. Estas esferas hidrogéis são reutilizáveis após a dessorção do flúor.

Outras aplicações – O Laboratório de Tecnologia Sol-Gel do CDTN tem se empenhado, também, em nacionalizar a fabricação do adsorvente utilizado na purificação industrial de proteínas, um insumo importante na fabricação de medicamentos avançados aplicados no tratamento do câncer.

Atualmente, o mercado internacional tem uma limitação para produzir e ofertar nanopartículas de níquel encapsuladas na matriz de agarose em um formato esférico (microesferas de Ni-Agarose) com diâmetro superior a 30 µm. Com diâmetros maiores (3.000 μm, por exemplo), elas são necessárias em processos de purificação de proteínas recombinantes, usadas no desenvolvimento de medicamentos avançados para o tratamento de câncer.

Armindo Santos é o pesquisador responsável pelo Laboratório de Tecnologia Sol-Gel do CDTN - Foto: Antônio Pereira Santiago

Segundo Armindo, no projeto “Síntese e caracterização da membrana de Ni-Agarose esférica e seu uso na purificação de proteínas marcadas com histidina”, em andamento, já se consegue fabricar esferas de Ni-Agarose hidrogéis com diâmetro de 3.231 ± 140 μm.

Além destas no campo da saúde, outras estruturas funcionais adsorventes, com configurações ajustadas à necessidade da indústria, já estão sendo obtidas. Um exemplo é o tratamento de um efluente que a atividade de mineração apresenta, com uma coloração marrom escura, típica de água contaminada por metais (por exemplo, manganês, cádmio e arsênio) e/ou compostos orgânicos. Utilizando uma quantidade mínima de nanopartículas de alumina confinadas já é possível clarificar este rejeito industrial, em uma indicação da elevada eficiência de captura e retenção dos contaminantes por estas nanopartículas.

Outra importante nanoestrutura funcional que está sendo obtida no LTSGel/CDTN, visa nacionalizar a fabricação da matéria-prima para imãs permanentes a partir dos elementos de terras raras Neodímio – Nd e Praseodímio – Pr.

A Companhia de Desenvolvimento de Minas Gerais (Codemge) financia o projeto para a estruturação do Laboratório Fábrica de Ímãs de Terras Raras (LabFabITR), já em instalação em Lagoa Santa (MG). A sustentabilidade deste projeto depende da nacionalização da matéria-prima, principalmente de matéria-prima nanoestruturada.

O projeto “Pesquisa e desenvolvimento da síntese sol-gel de nanopartículas da liga magnética (Nd,Pr)FeB preferencialmente esféricas, quimicamente estáveis, e seu uso na fabricação de ímãs permanentes” tem conseguido soldar nanopartículas de Neodímio-Ferro-Boro, separadas por poros e aglomeradas no formato esférico (aproximadamente 170 µm), quimicamente estabilizadas. Este é um passo importante para viabilizar a produção de imãs permanente nacionais, com configuração complexa, pelo método de impressão 3D, uma proposta muito inovadora para essa indústria.

Celebrando esses resultados de pesquisa e desenvolvimento, o CDTN já monitora o nível de radiação ambiental das suas instalações com dosímetros do estado sólido fabricados no LTSGel. O processo patenteado de obtenção do componente fundamental (pastilha de alumina) destes dosímetros pode viabilizar a nacionalização da sua fabricação.

As pastilhas de alumina foram fabricadas em temperaturas inferiores a 2.000^oC, graças à nanoestruturação e à conformação das nanopartículas de alumina alfa. A 1.675^oC, foi possível obter pastilhas de alumina densas e com defeitos cristalinos intencionais que lhes garante excelente resposta termoluminescente e a aplicação correspondente. Interessante observar que este material apresenta excelente propriedade para uso também como dosímetro OSL (sigla em inglês para dosímetros ‘luminescentes opticamente estimulados’), um avanço na tecnologia da dosimetria para proteção radiológica.

Para Armindo Santos, são, portanto, muitos os casos de sucessos do uso de nanomateriais sol-gel no CDTN. “As patentes obtidas e a ampla disponibilização destas tecnologias para o mercado e para a sociedade asseguram que o caminho a trilhar embora longo, é repleto de bons frutos a serem colhidos”, conclui o pesquisador.

Este endereço de email está sendo protegido de spambots. Você precisa do JavaScript ativado para vê-lo. - jornalista

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