O que é Grafeno?
O grafeno foi descoberto em 2004 por pesquisadores da Universidade de Manchester, trabalho que lhes rendeu o Nobel de Física em 2010. O termo grafeno foi adotado em 1962, a partir da junção de grafite com o sufixo –eno, devido à dupla ligação existente. Consiste de uma monocamada plana de átomos de carbono, organizados em células hexagonais com átomos hibridizados na forma sp2, resultando em um elétron livre por átomo de carbono no orbital p e tornando o grafeno um material utilizável em várias aplicações.
Essa estrutura única fornece ao grafeno várias propriedades superiores, tais como altas condutividades elétricas e térmicas, boa transparência, boa resistência mecânica, flexibilidade inerente e enorme área superficial específica.
Antes de ser descoberto, o grafeno era considerado um material puramente teórico, que só servia para explicar a formação das outras formas alotrópicas do carbono, como ilustrado na Figura 1, pois se acreditava que sua estrutura não seria estável.
Figura 1: Grafeno como um material de construção 2D para materiais de carbono de todas as outras dimensionalidades. Pode ser embrulhado para formar fulerenos (0D), enrolado para formar nanotubos (1D) ou empilhado para formar grafite (3D).
A superfície sem defeitos ou altamente cristalina do grafeno aparenta ser quimicamente inerte. A superfície do grafeno puro normalmente interage com outras moléculas via adsorção física (π-π interações). Para permitir que a superfície do grafeno seja mais reativa, são geralmente introduzidos defeitos ou grupos funcionais de superfície. Por exemplo, a dopagem química, com átomos como B e N e a introdução de grupos funcionais, tais como carboxila, carbonila e grupos amina pode ajustar as propriedades de superfície e as propriedades eletrônicas do grafeno.
O que é membrana?
As membranas são barreiras semipermeáveis que desempenham a função de separar fisicamente duas fases, permitindo a passagem seletiva de certos componentes de um lado para o outro, impulsionados por uma força motriz que promove o transporte de matéria. Esse mecanismo é amplamente utilizado em diversas indústrias, especialmente no tratamento de gases, como dióxido de carbono (CO₂) e nitrogênio (N₂), sendo fundamental na separação de gases presentes no gás natural. Em comparação com métodos tradicionais, as membranas apresentam uma alternativa mais eficiente e econômica para a captura e separação de gases, contribuindo para a redução do consumo energético.
As membranas de grafeno são camadas únicas com espessura de poros em escala subnanométrica, permitindo o transporte molecular. Essas membranas são utilizadas em processos de dessalinização para realizar nanofiltrações, microfiltrações, entre outros. A qualidade dessas membranas de grafeno está associada ao tamanho dos nanoporos que apresentam, junto com os diferentes mecanismos de peneiramento, sendo eficazes em processos de captura de gases. Por exemplo, as membranas de grafeno promovem a permeabilidade ao CO₂, auxiliando assim na sua captura.
A SALINIDADE NO OCEANO, SUA IMPORTÂNCIA
A salinidade dos oceanos é um dos fatores mais importantes para a regulação do clima global e para a manutenção da vida marinha. Ela se refere à concentração de sais dissolvidos na água do mar, sendo o cloreto de sódio (NaCl), conhecido como sal de cozinha, o principal componente, representando cerca de 85% da composição total (UOL Educação). Além disso, outros compostos, como o sulfato de magnésio (MgSO₄), o cloreto de magnésio (MgCl₂) e o sulfato de cálcio (CaSO₄), também estão presentes, contribuindo para a diversidade química das águas oceânicas (Brasil Escola). Essa concentração de sal não se alterou muito com o passar da idade dos oceanos
A salinidade não é uniforme em todos os mares e oceanos. Regiões como o Mar Morto apresentam concentrações extremamente altas, cerca de dez vezes superiores à média dos oceanos, enquanto áreas como o Golfo da Finlândia, no Mar Báltico, registram níveis muito baixos (UOL Educação). Essa variação está diretamente ligada a fatores como a evaporação, o aporte de rios de água doce e as condições climáticas locais.
Figura 2: Troca de água no oceano decorrente da salinidade.
Os impactos da salinidade oceânica vão muito além de suas propriedades químicas. Ela desempenha um papel crucial na circulação termohalina, um sistema de correntes que transporta calor pelo globo (Figura 2), essa circulação tem grande importância na distribuição de nutrientes e oxigênio no oceano e regulação do clima. Em geral, a concentração de íons não se alterou muito com o passar das eras, porém com o derretimento das calotas polares a concentração de íons nas águas dos polos vai cair e consequentemente trazer alterações nessa circulação, causadas por mudanças na salinidade, podem afetar drasticamente a distribuição de calor entre os polos e o equador, levando a mudanças climáticas significativas.
Figura 3: Concentração de sais no oceano com o passar do tempo.
Além disso, a vida marinha depende de condições específicas de salinidade para sobreviver. Espécies que não conseguem se adaptar a mudanças podem sofrer estresse osmótico, resultando em migração ou até extinção.
Curiosamente, a salinidade dos oceanos também está ligada a processos biológicos. Muitos organismos marinhos, como crustáceos e moluscos, utilizam os sais dissolvidos na água para formar suas conchas e carapaças. Esse processo não apenas sustenta a vida desses animais, mas também ajuda a manter o equilíbrio químico das águas oceânicas. A interação entre os componentes químicos e biológicos dos oceanos é essencial para a saúde dos ecossistemas marinhos.
Compreender a dinâmica da salinidade oceânica é fundamental para prever e mitigar os efeitos das mudanças climáticas e para proteger a biodiversidade marinha. Pesquisas nessa área continuam a revelar como a química dos oceanos influencia a vida no planeta, destacando a importância de conservar esses ambientes. A salinidade, embora pareça um detalhe técnico, é uma força poderosa que conecta os sistemas climáticos, biológicos e químicos da Terra, tornando-a um tema essencial para a ciência e a sustentabilidade.
A água do mar, apesar de ser abundante e acessível, não é adequada para consumo humano devido à alta concentração de sal e outros minerais dissolvidos, como magnésio e cálcio. Esses compostos podem causar desidratação, desequilíbrio eletrolítico e estresse osmótico nos seres humanos, tornando a ingestão de água do mar perigosa. A salinidade interfere no processo natural de equilíbrio da água em nossas células, fazendo com que elas percam mais água do que ganham, o que pode levar a sérios problemas de saúde.
A dessalinização da água do mar é uma solução tecnológica cada vez mais importante para atender à crescente demanda por água potável em diversas partes do mundo. Esse processo consiste na remoção do sal e de outros minerais dissolvidos na água marinha, tornando-a adequada para consumo humano, irrigação e outros usos. O processo de dessalinização é essencial para transformar a água do mar, que seria imprópria para consumo, em uma fonte viável de água potável.
APLICAÇÃO
Por meio do processo de dessalinização utilizando membranas sintéticas semipermeáveis, é possível tratar a água de forma eficiente, sem a necessidade de recorrer a produtos químicos e com custos relativamente baixos. Essa abordagem baseia-se na capacidade das membranas de reter os sais dissolvidos, um processo que se torna viável pela aplicação de um gradiente de pressão ou de uma diferença de potencial elétrico entre suas superfícies.
Essa tecnologia apresenta-se como uma alternativa sustentável e acessível, capaz de atender à crescente demanda por soluções para a escassez de água potável, ao mesmo tempo em que minimiza impactos ambientais associados ao uso de agentes químicos no tratamento hídrico. Dessa forma, temos três tipos de dessalinização, a osmose reversa; destilação multiestágios; e destilação térmica.
“No processo de osmose o solvente flui, através de uma membrana semipermeável, de uma solução de baixa concentração para uma mais concentrada, até que a elevação da pressão estática (“pressão osmótica”) no lado do concentrado impede o fluxo. A osmose reversa inverte o processo e a direção de fluxo d’água, aplicando, sobre a solução mais concentrada, uma pressão maior que a pressão osmótica” (BERTONCELLO, A. G., 2021). Desta maneira, água com baixa concentração de sal é retirada de uma solução salina, como pode ser observado pela Figura 4. Dito isso, temos que é possível utilizar das membranas de grafeno para este processo, onde estas, são folhas de grafeno empilhadas em uma estrutura de camadas, resultando assim na permeação limitada de cátions abundantes na água oceânica.
Figura 4: Representação do processo de osmose reversa.
VANTAGENS E DESVANTAGENS
O grafeno tem sido muito usado na dessalinização de águas oceânicas por ser um material muito promissor devido às suas excelentes propriedades, como sua grande flexibilidade, resistência mecânica, e permeabilidade seletiva. Todas essas características são essenciais para uma membrana, contudo, sua aplicação nessa área apresenta tanto vantagens quanto desvantagens que precisam ser consideradas para avaliar sua viabilidade.
Diante de tal análise, primeiramente é importante salientar suas vantagens. O grafeno oferece alta eficiência na filtração de íons de sal graças aos seus poros ultrafinos, permitindo apenas a passagem de moléculas de água. Sua espessura reduzida garante baixa resistência ao fluxo de água, aumentando a permeabilidade e reduzindo o consumo de energia em comparação com tecnologias convencionais, como a osmose reversa. Além disso, o material é altamente resistente à corrosão e a pressões elevadas, o que contribui para maior durabilidade. Por fim, sua versatilidade permite a aplicação em diversas condições de dessalinização, desde águas salobras até águas oceânicas.
Apesar disso, ainda há poucos estudos associados a essa prática comparado a outros elementos. Dentre as principais desvantagens estão o alto custo do material, para obter alta qualidade com tecnologias sofisticadas, é caro. Além disso, a capacidade de dimensionar o grafeno ainda é pequena, até hoje, ainda não é possível produzir membranas com as mesmas características uniformes e consistentes em grandes quantidades. A membrana de grafeno é propensa a desgaste mecânico e fouling (a chamada incrustação de membrana em português) pode ocorrer, o que tornará seu uso ineficaz, então será necessário substituí-lo. Produzir poros com o tamanho ideal para filtrar os íons de sal é um processo complicado, se forem muito pequenos ou grandes, isso afetará adversamente a eficácia do material. Além disso, dependendo do método de produção de grafeno, resíduos químicos podem ser liberados e o efeito no período de contato dessas membranas no ambiente não foi investigado.
CONCLUSÃO
O uso de grafeno como membrana na dessalinização representa um avanço promissor na busca por soluções eficientes para o fornecimento de água potável, especialmente em regiões com escassez hídrica. Suas propriedades únicas, como alta eficiência de filtração, baixa resistência ao fluxo de água e resistência química, destacam-se frente às tecnologias convencionais. No entanto, sua aplicação em larga escala ainda enfrenta desafios importantes, como custos elevados de produção,
dificuldades de escalabilidade e problemas de durabilidade a longo prazo. Para que essa tecnologia se torne viável e sustentável, são necessários avanços nos processos de fabricação, além de uma abordagem cuidadosa em relação ao impacto ambiental. O grafeno possui o potencial de revolucionar o setor de dessalinização, mas sua implementação exige um esforço conjunto entre pesquisa científica, inovação tecnológica e políticas públicas voltadas para o desenvolvimento sustentável.
REFERÊNCIAS
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p. 54-57, 2016. Disponível em: https://remap.revistas.ufcg.edu.br/index.php/remap/article/viewFile/493/387. Acesso em: 19 jan. 2025.
HABERT, Alberto Claudio; BORGES, Cristiano Piacsek; NOBREGA, Ronaldo.
Processos de Separação por Membrana. Rio de Janeiro: Editora E-Papers, 2006.
GARCÍA, Elio J. G.; HUAMANÍ, Quispe Y. T. A. Revisión sistemática y meta-análisis sobre el uso de las membranas de grafeno en la desalinización de agua, 2010-2022. Disponível em: https://repositorio.ucv.edu.pe/bitstream/handle/20.500.12692/101772/Garcia_EJG-Hua mani_QYTA-SD.pdf?sequence=4. Acesso em: 19 jan. 2025.
MILLERO, Frank J. Chemical Oceanography. 3. ed. Boca Raton: CRC Press, 2005.
BERTONCELLO, A. G.; MODAELI, E. V.; BATISTA, V. S. O grafeno na dessa d’ -água
e o impacto nas regiões com crise. V.: 07, n.:19, p., 2021. Disponível em: https://www.sadsj.org/index.php/revista/article/view/371/353. Acesso em: 21 jan. 2025.
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