Fornecer acesso à água potável é um desafio global premente devido à expansão da industrialização, crescimento da população mundial e contaminação dos recursos de água doce. Segundo as Nações Unidas, no século passado, a demanda global por água cresceu mais que o dobro da taxa de crescimento populacional. A Agência de Proteção Ambiental (EPA) identificou mais de 70.000 corpos d’água apenas nos Estados Unidos que são prejudicados pela poluição. Atualmente, cerca de 4,5 bilhões de pessoas vivem perto de fontes de água deficientes e cerca de 52% da população mundial viverá em uma região com escassez de água até 2050. Os problemas de saúde associados ao consumo de água contaminada são bem conhecidos: surtos de doenças transmitidas pela água que levam a doenças gastrointestinais, complicações reprodutivas e distúrbios neurológicos, entre outros. Mais de 1,5 milhão de pessoas morrem a cada ano de diarréia causada pela ingestão de água não potável. Além disso, superar a atual pandemia de COVID-19 e prevenir futuras requer acesso a água potável para fins de saneamento. Portanto, o desenvolvimento de tecnologias avançadas de purificação de água que fornecem acesso a água segura e limpa para mais da população global, especialmente aqueles em ambientes com poucos recursos, continua sendo um desafio permanente.

O acesso à água potável está sendo prejudicado à medida que a população humana aumenta e a contaminação afeta as fontes de água doce. Os dispositivos atualmente em desenvolvimento que limpam a água suja usando a luz do sol podem produzir apenas alguns galões de água por dia. Mas agora, pesquisadores da ACS Central Science relatam como as esponjas de bucha inspiraram um hidrogel poroso movido a luz solar que poderia potencialmente purificar água suficiente para satisfazer as necessidades diárias de alguém – mesmo quando está nublado.

Anteriormente, os pesquisadores sugeriram que a evaporação impulsionada pela luz solar poderia ser uma forma de baixo consumo de energia para purificar a água, mas essa abordagem não funciona bem quando está nublado. Uma solução poderia ser hidrogéis sensíveis à temperatura, especificamente poli( N-isopropilacrilamida) (PNIPAm), que passam da absorção de água em temperaturas mais baixas para a repelir quando aquecida. No entanto, os géis PNIPAm convencionais não podem gerar água limpa com rapidez suficiente para atender às necessidades diárias das pessoas por causa de seus poros fechados.

Por outro lado, as buchas naturais, que muitas pessoas usam para esfoliar no banho, têm poros grandes, abertos e interligados.

Assim, Rodney Priestley, Xiaohui Xu e seus colegas queriam replicar a estrutura da bucha em um hidrogel baseado em PNIPAm, produzindo um material que poderia absorver rapidamente água à temperatura ambiente e liberar rapidamente água purificada quando aquecida pelos raios do sol em ambientes claros ou nublados. condições.

Os pesquisadores usaram uma mistura de água e etileno glicol como um meio de polimerização diferente para fazer um hidrogel PNIPAm com uma estrutura de poros abertos, semelhante a uma bucha natural.

Em seguida, eles revestiram os poros internos do hidrogel opaco com polidopamina (PDA) e poli(metacrilato de sulfobetaína) (PSMBA) e testaram esse material usando uma luz artificial equivalente à energia do sol.

Ele absorvia água em temperatura ambiente e, quando aquecido pela luz artificial, liberava 70% de sua água armazenada em 10 minutos – uma taxa quatro vezes maior do que a de um gel absorvente relatado anteriormente.

Os pesquisadores dizem que, nesse ritmo, o material tem potencial para atender a demanda diária de uma pessoa.

E sob condições de pouca luz, replicando céus parcialmente nublados, levou de 15 a 20 minutos para o material liberar uma quantidade semelhante de água armazenada.

Por fim, o novo material parecido com bucha foi testado em amostras poluídas com corantes orgânicos, metais pesados, óleo e microplásticos.

Em todos os testes, o gel tornou a água substancialmente mais limpa. Por exemplo, em dois ciclos de tratamento, amostras de água com cerca de 40 partes por milhão (ppm) de cromo foram absorvidas e depois liberadas com menos de 0,07 ppm de cromo — o limite permitido para água potável.

Os pesquisadores dizem que a estrutura única de hidrogel que eles criaram pode ser útil em aplicações adicionais, como administração de medicamentos, sensores inteligentes e separações químicas.

Uma membrana à base de gel de célula aberta preparada usando o efeito de solvência mista com recursos fototérmicos e anti-incrustantes permite a purificação rápida da água de fontes contaminadas

(a) Imagens SEM de hidrogéis L-PNIPAm e C-PNIPAm sintetizados em misturas de EG e água à temperatura ambiente. (b) Transmissão de luz normalizada dependente da temperatura de C-PNIPAm em soluções

Neste estudo, foi desenvolvido L-PNIPAm com uma estrutura única semelhante a bucha usando o efeito de solvência mista, que foi posteriormente modificado com PDA e PSMBA, resultando em um sistema multifuncional de purificação de água: ou seja, LSAG. A característica estrutural da bucha permitiu que o L-PNIPAm tivesse um aumento de 3 vezes na taxa de inchaço, transporte de água ultrarrápido, bem como propriedades mecânicas aprimoradas quando comparado ao C-PNIPAm.

Desempenho de purificação de água do LSAG

(a) Desempenho de purificação de água do LSAG em várias amostras de água contaminada com corante. (b) Fotografias da água contaminada e do tratamento da água gerada pelo LSAG. (c) Concentração de Cr(VI) em água purificada por LSAG. (d) Imagens digitais e microscópicas de uma emulsão de azeite em água estabilizada com SDS e a água purificada por LSAG. (e) Microscópio óptico e imagens TEM (no meio) de uma solução de partículas microplásticas antes e depois do tratamento por LSAG.

Especificamente, apenas aproximadamente 5 minutos foram necessários para liberar aproximadamente 70% da água do L-PNIPAm, demonstrando o papel da estrutura da bucha como um avanço para superar a taxa de resposta lenta inerente. O LSAG tem o potencial de purificar a água de várias fontes contaminadas alimentadas pela luz solar natural. As propriedades anti-incrustantes e de liberação rápida do LSAG o tornam adaptável para operação em ambientes práticos e complexos.

[*] American Chemical Society (ACS).