Novo material de filtragem pode remover produtos químicos de longa duração da água

Membranas baseadas em seda natural e celulose podem remover muitos contaminantes, incluindo “produtos químicos eternos” e metais pesados.

A contaminação da água pelos produtos químicos usados ​​na tecnologia atual é um problema que cresce rapidamente no mundo todo. Um estudo recente dos Centros de Controle de Doenças dos EUA descobriu que 98% das pessoas testadas tinham níveis detectáveis ​​de PFAS, uma família de compostos particularmente duradouros, também conhecidos como “produtos químicos eternos”, na corrente sanguínea.

Um novo material de filtragem desenvolvido por pesquisadores do MIT pode fornecer uma solução baseada na natureza para esse problema persistente de contaminação. O material, baseado em seda natural e celulose, pode remover uma grande variedade desses produtos químicos persistentes, bem como metais pesados. E suas propriedades antimicrobianas podem ajudar a evitar que os filtros sujem.

Os resultados são descritos no periódico ACS Nano em um artigo do pós-doutorado do MIT Yilin Zhang, do professor de engenharia civil e ambiental Benedetto Marelli e de outros quatro do MIT.

Os produtos químicos PFAS estão presentes em uma ampla gama de produtos, incluindo cosméticos, embalagens de alimentos, roupas resistentes à água, espumas de combate a incêndio e revestimentos antiaderentes para utensílios de cozinha. Um estudo recente identificou 57.000 locais contaminados por esses produtos químicos somente nos EUA. A Agência de Proteção Ambiental dos EUA estimou que a remediação de PFAS custará US$ 1,5 bilhão por ano, a fim de atender às novas regulamentações que exigem a limitação do composto a menos de 7 partes por trilhão na água potável.

A contaminação por PFAS e compostos similares “é realmente um grande problema, e as soluções atuais podem resolver esse problema apenas parcialmente de forma muito eficiente ou econômica”, diz Zhang. “É por isso que criamos essa solução totalmente natural, baseada em proteína e celulose”, diz ele.

“Chegamos ao projeto por acaso”, observa Marelli. A tecnologia inicial que tornou o material de filtragem possível foi desenvolvida por seu grupo para um propósito completamente não relacionado – como uma maneira de fazer um sistema de rotulagem para combater a disseminação de sementes falsificadas, que geralmente são de qualidade inferior. Sua equipe criou uma maneira de processar proteínas de seda em cristais nanométricos uniformes, ou “nanofibrilas”, por meio de um método de drop-casting à base de água, ambientalmente benigno, em temperatura ambiente.

Zhang sugeriu que seu novo material nanofibrilar poderia ser eficaz na filtragem de contaminantes, mas as tentativas iniciais com as nanofibrilas de seda sozinhas não funcionaram. A equipe decidiu tentar adicionar outro material: celulose, que é abundantemente disponível e pode ser obtida de resíduos de polpa de madeira agrícola. Os pesquisadores usaram um método de automontagem no qual a proteína fibroína de seda é suspensa em água e então modelada em nanofibrilas inserindo “sementes” de nanocristais de celulose. Isso faz com que as moléculas de seda previamente desordenadas se alinhem ao longo das sementes, formando a base de um material híbrido com novas propriedades distintas.

Ao integrar celulose às fibrilas à base de seda que puderam ser formadas em uma membrana fina e, então, ajustar a carga elétrica da celulose, os pesquisadores produziram um material altamente eficaz na remoção de contaminantes em testes de laboratório.

A carga elétrica da celulose, eles descobriram, também lhe deu fortes propriedades antimicrobianas. Esta é uma vantagem significativa, já que uma das principais causas de falha em membranas de filtração é a incrustação por bactérias e fungos. As propriedades antimicrobianas deste material devem reduzir muito esse problema de incrustação, dizem os pesquisadores.

“Esses materiais podem realmente competir com os materiais padrões atuais em filtragem de água quando se trata de extrair íons metálicos e esses contaminantes emergentes, e eles também podem superar alguns deles atualmente”, diz Marelli. Em testes de laboratório, os materiais foram capazes de extrair ordens de magnitude a mais de contaminantes da água do que os materiais padrões usados ​​atualmente, carvão ativado ou carvão ativado granular.

Embora o novo trabalho sirva como uma prova de princípio, Marelli diz que a equipe planeja continuar trabalhando para melhorar o material, especialmente em termos de durabilidade e disponibilidade de materiais de origem. Embora as proteínas de seda usadas possam estar disponíveis como um subproduto da indústria têxtil de seda, se esse material fosse ampliado para atender às necessidades globais de filtragem de água, o suprimento poderia ser insuficiente. Além disso, materiais proteicos alternativos podem acabar desempenhando a mesma função a um custo menor.

Inicialmente, o material provavelmente seria usado como um filtro de ponto de uso, algo que poderia ser conectado a uma torneira de cozinha, diz Zhang. Eventualmente, ele poderia ser ampliado para fornecer filtragem para suprimentos de água municipais, mas somente após testes demonstrarem que isso não representaria nenhum risco de introdução de contaminação no suprimento de água. Mas uma grande vantagem do material, ele diz, é que tanto a seda quanto os constituintes de celulose são considerados substâncias de qualidade alimentar, então qualquer contaminação é improvável.

“A maioria dos materiais normais disponíveis hoje está se concentrando em uma classe de contaminantes ou resolvendo problemas únicos”, diz Zhang. “Acho que estamos entre os primeiros a abordar todos esses simultaneamente.”

“O que eu amo nessa abordagem é que ela está usando apenas materiais cultivados naturalmente, como seda e celulose, para combater a poluição”, diz Hannes Schniepp, professor de ciência aplicada no College of William and Mary, que não estava associado a esse trabalho. “Em abordagens concorrentes, materiais sintéticos são usados ​​- o que geralmente requer apenas mais química para combater alguns dos resultados adversos que a química produziu. [This work] quebra esse ciclo! … Se isso puder ser produzido em massa de uma forma economicamente viável, isso realmente poderá ter um grande impacto.”

A equipe de pesquisa incluiu os pós-doutorados do MIT Hui Sun e Meng Li, o estudante de pós-graduação Maxwell Kalinowski e o recém-formado Yunteng Cao PhD '22, agora pós-doutorado na Universidade de Yale.

Artigo: “Montagem direcionada de nanofibrilas de polissacarídeos proteicos para fabricar membranas para remediação de contaminantes emergentes”