Em um artigo de revisão recente publicado em Membranaspesquisadores dos Estados Unidos da América e da Coreia apresentaram uma visão geral abrangente do progresso feito pelas membranas nanocompostas à base de carbono para destilação de membrana, discutiram os desafios restantes e delinearam futuras direções de pesquisa.
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Fundo
A destilação por membrana (MD) é uma tecnologia de separação emergente que utiliza membranas hidrofóbicas para separar vapor de líquido, tornando-a eficaz para dessalinização e tratamento de águas residuais. A eficiência da MD é significativamente influenciada pelas propriedades das membranas usadas. O princípio depende da diferença de pressão de vapor através de uma membrana hidrofóbica, permitindo que o vapor de água passe enquanto rejeita água líquida e sais dissolvidos.
As membranas tradicionais frequentemente enfrentam problemas como molhamento, incrustação e estabilidade térmica limitada, o que pode prejudicar seu desempenho. Avanços recentes em nanotecnologia levaram ao desenvolvimento de membranas nanocompostas à base de carbono, que prometem desempenho aprimorado devido às suas características estruturais e funcionais únicas.
Materiais à base de carbono, incluindo nanotubos de carbono (CNTs) e grafeno, ganharam atenção devido à sua excepcional resistência mecânica, condutividade térmica e propriedades hidrofóbicas. Esses materiais podem ser incorporados em matrizes de membrana para criar membranas nanocompostas que exibem eficiência de separação melhorada e resistência à incrustação.
Estudos Destacados Nesta Revisão
A revisão discute vários estudos importantes que contribuíram para a compreensão e desenvolvimento de membranas nanocompostas à base de carbono para MD. Um estudo notável de Solar e outros. focado no projeto de um substrato de aço inoxidável com uma estrutura controlável, que incluía regiões semelhantes a esponjas e micro-vazios. Este substrato facilitou a no native crescimento de CNTs usando um processo de deposição química de vapor (CVD).
Quando testada com água do mar simulada, a membrana de rede CNT demonstrou uma alta taxa de rejeição de sal de mais de 99% e um fluxo de água de 43,2 litros por metro quadrado por hora (LMH). No entanto, uma ligeira diminuição no fluxo foi observada após operação prolongada devido à corrosão da membrana.
Outra contribuição significativa foi feita por Dong e outros., que investigaram dois tipos de membranas incorporadas com CNT: parcialmente cobertas (PC-CNT) e totalmente cobertas (FC-CNT). Suas descobertas revelaram que a membrana FC-CNT manteve um fluxo de 37,1 LMH e mostrou uma rejeição de sal de 99,9%. Por outro lado, a membrana PC-CNT mostrou um fluxo de água maior de 41,1 LMH, mas menor rejeição de sal e foi mais propensa a molhar.
A revisão também destaca o trabalho de Huang e outros., que desenvolveu um método de revestimento simples para criar camadas super-hidrofóbicas em membranas de alumina cerâmica para destilação de membrana a vácuo. Sua abordagem melhorou a resistência das membranas à molhagem e à incrustação, melhorando assim o desempenho geral.
Discussão
Os resultados dos estudos discutidos na revisão indicam que membranas nanocompostas à base de carbono podem melhorar significativamente o desempenho de sistemas MD. A incorporação de CNTs e grafeno em matrizes de membrana não apenas aumenta a resistência mecânica, mas também promove melhor condutividade térmica e hidrofobicidade. Essas propriedades contribuem para maior fluxo de vapor de água e melhores taxas de rejeição de sal.
A revisão enfatiza a importância de otimizar técnicas de fabricação de membranas para atingir as características estruturais desejadas. Por exemplo, o método de inversão de fase demonstrou incorporar efetivamente nanomateriais de carbono em membranas de polímero, resultando em porosidade e tamanho de poro aprimorados.
A revisão também discute o papel da modificação de superfície na melhoria do desempenho da membrana. Ao criar superfícies super-hidrofóbicas, os pesquisadores conseguiram reduzir o contato líquido-sólido, minimizando assim a incrustação e a molhagem.
Apesar dos resultados promissores, a revisão identifica vários desafios que devem ser abordados. Uma questão importante é a estabilidade das membranas nanocompostas à base de carbono sob condições operacionais. A exposição prolongada a ambientes severos pode levar à degradação e perda de desempenho.
Além disso, a imobilização de CNTs em superfícies de membrana continua desafiadora, pois eles podem ser lavados durante a operação. A revisão pede mais pesquisas para desenvolver estruturas de membrana mais robustas que possam suportar tensões operacionais.
Outro desafio destacado na revisão é a necessidade de uma melhor compreensão dos mecanismos de transporte envolvidos na MD. Embora o modelo Cassie-Baxter e a difusão de Knudsen tenham sido propostos para explicar o transporte de vapor de água através de membranas super-hidrofóbicas, mais pesquisas são necessárias para elucidar os mecanismos subjacentes e otimizar o design da membrana de acordo.
Conclusão
Pesquisas futuras devem se concentrar no desenvolvimento de técnicas de fabricação inovadoras, na otimização de estruturas de membrana e na obtenção de uma compreensão mais profunda dos fenômenos de transporte em sistemas MD. Ao superar esses desafios, as membranas nanocompostas à base de carbono podem desempenhar um papel essential no enfrentamento da escassez world de água e na melhoria dos processos de tratamento de águas residuais.
A revisão serve como um recurso valioso para pesquisadores e profissionais da área, fornecendo insights sobre o estado atual da pesquisa e direções futuras para o desenvolvimento de tecnologias de membrana eficientes e sustentáveis.
Referência de periódico
Regmi C., e outros. (2024). Membranas nanocompostas à base de carbono para destilação por membrana: progresso, problemas e perspectivas futuras. Membranas. DOI: 10.3390/membranas1407016