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Original: ​https://sci-hub.tw/10.1016/j.watres.2012.09.058 
 
Aplicações da nanotecnologia no tratamento de água e 
águas residuais 
Xiaolei Qu, Pedro J.J. Alvarez, Qilin Li 
Departmento de Engenharia Civil e Engenharia Ambiental, Universidade de Rice, Houston, TX 77005, EUA 
 
Resumo 
O fornecimento de água limpa e acessível para atender as necessidades humanas é um 
grande desafio do século XXI. Em todo o mundo, abastecimento de água enfrenta 
dificuldades para manter-se com a crescente demanda, o que é agravado pelo crescimento da 
população, as alterações climáticas globais e o comprometimento da qualidade da água. A 
necessidade de inovação tecnológica para permitir a gestão integrada de água não pode ser 
exagerada. A nanotecnologia tem um grande potencial para avançar na eficiência do 
tratamento de água e água residual, bem como para aumentar seu abastecimento através de 
uso seguro de fontes hídricas não convencionais. Aqui, nós avaliamos o desenvolvimento 
recente em nanotecnologia para a água e tratamento de águas residuais. A discussão aborda 
nanomateriais em fase experimental, propriedades e mecanismos que permitam as aplicações, 
suas vantagens e limitações em comparação com processos existentes e a análise de pesquisas 
acerca das necessidades para a sua comercialização. Acompanhando os avanços tecnológicos 
das características físico-químicas de nanomateriais, a presente avaliação descreve as 
oportunidades e limitações para promover a capitalização sobre suas propriedades únicas para 
o planejamento sustentável de recursos hídricos. 
 
Palavras-chave​: Nanotecnologia; Nanomateriais; Tratamento de água e água residual; 
Reutilização de água; Sorção; Processos de Membrana; Fotocatálise; Desinfecção; Controle 
Microbiano; Sensores; Multifuncional. 
 
1. Introdução 
A água é a substância mais essencial para toda a vida na Terra e um recurso precioso 
para a civilização humana. O acesso confiável à água limpa é considerado um dos mais 
básicos objetivos humanitários e continua sendo um grande desafio global para século XXI. 
Nosso suprimento de água enfrenta desafios antigos e recentes. No mundo todo, cerca 
de 780 milhões de pessoas ainda carecem do acesso a melhores fontes de água potável (OMS, 
2012). Por isso, é urgente implementar o tratamento básico da água em regiões afetadas 
(principalmente nos países em desenvolvimento), onde a água e a infraestrutura para as águas 
residuais é muitas vezes inexistente. Tanto em países em desenvolvimento com em 
industrializados, as atividades humanas desempenham um papel cada vez maior na 
exacerbação da escassez de água e contaminação de fontes naturais de água. Os padrões cada 
vez mais rigorosos para a qualidade da água, com contaminantes emergentes, trouxeram novo 
escrutínio à água existente sistemas de tratamento e distribuição ampla em países 
https://sci-hub.tw/10.1016/j.watres.2012.09.058
desenvolvidos. A população global em rápido crescimento e a melhoria do padrão de vida 
aumenta continuamente a demanda. Além disso, a mudança climática global acentua a 
distribuição já desigual de água doce, desestabilizando o fornecimento. A crescente pressão 
no abastecimento de água faz com que fontes de água não convencionais (por exemplo, águas 
pluviais, água doce, água salobra, águas residuais e água do mar) uma nova norma, 
especialmente em regiões que têm histórico de estresse hídrico. Além disso, as tecnologias 
atuais de tratamento de água e esgoto tecnologias e infra-estrutura estão atingindo seu limite 
para fornecer qualidade da água adequada para atender às necessidades humanas e 
ambientais. 
Os recentes avanços na nanotecnologia oferecem um avanço maiores oportunidades 
para desenvolver sistemas de abastecimento de água de última geração. Nosso tratamento, 
distribuição e práticas de descarga atuais, que dependem fortemente de transporte e sistemas 
centralizados, não são mais sustentáveis. Os altamente eficientes processos modulares e 
multifuncionais habilitados por nanotecnologia estão previstos para fornecer soluções 
acessíveis e de alto desempenho para o tratamento de água e esgoto que dependem menos de 
grandes infraestruturas (Qu et al., 2013). Tratamento de água e esgoto realizado por 
nanotecnologia promete não apenas superar os grandes desafios enfrentados pelas tecnologias 
de tratamento existentes, mas também para fornecer novas capacidades de tratamento que 
permitam a utilização econômica de fontes de água não convencionais para expandir o 
suprimento desse recurso. 
Aqui, fornecemos uma visão geral dos avanços recentes em nanotecnologias para 
tratamento de água e esgoto. As principais aplicações de nanomateriais são revisadas 
criticamente com base em suas funções nos processos de operação da unidade. As barreiras à 
sua aplicação em larga escala e às necessidades de pesquisa para superá-las também são 
discutidas. O potencial impacto essencial dos nanomateriais na saúde humana e no 
ecossistema, bem como qualquer interferência potencial nos processos de tratamento estão 
além do escopo desta revisão e, portanto, não serão detalhadamente abordados aqui. 
 
2. Aplicações atuais e potenciais para o tratamento de água e águas 
residuais 
Os nanomateriais são tipicamente definidos como materiais menores que 100 nm em 
pelo menos uma dimensão. Nessa escala, os materiais geralmente possuam novas 
propriedades dependentes do tamanho de suas contrapartes maiores, muitas das quais foram 
exploradas para aplicações no tratamento de água e esgoto. Alguns dessas aplicações utilizam 
as propriedades sensivelmente escalonáveis e dependentes do tamanho dos nanomateriais, 
como dissolução rápida, alta reatividade e forte sorção. Outros são aproveitados pelas suas 
propriedades descontínuas, como superparamagnetismo, superfície localizada, ressonância 
plasmônica e efeito quântico de confinamento. Estas aplicações são discutidas abaixo com 
base nas funções dos nanomateriais processos de operação da unidade (Tabela 1). A maioria 
das aplicações discutidas abaixo ainda está na fase laboratorial de pesquisa. As exceções 
testadas em estudos piloto ou em campo serão destacadas no texto. 
 
2.1 Adsorção 
A adsorção é comumente empregada como uma etapa de polimento para remover 
contaminantes orgânicos e inorgânicos na água e tratamento de água residual. A eficiência 
dos adsorventes convencionais é geralmente limitada pela área da superfície ou sítios ativos, 
a falta de seletividade e cinética de adsorção. Nano-absorventes oferecem melhora 
significativa com sua área superficial extremamente específica e sítios de absorção 
associados, distância de difusão intraparticular pequena, seu poro de tamanho e superfície 
química ajustáveis. 
 
2.1.1 . Nano-absorventes a base de carbono: 
 
2.1.1.1 Remoção orgânica 
As CNTs mostraram maior eficiência do que carvão ativado na adsorção de vários 
produtos químicos orgânicos (Pan e Xing, 2008). Sua alta capacidade de adsorção decorre 
principalmente da grande área de superfície específica e da diversidade de interações 
contaminantes-CNT. A área de superfície disponível para adsorção em CNTs individuais é 
sua superfície externa (Yang e Xing, 2010). Na fase aquosa, os CNTsformam pedaços 
soltos/agregados devido à hidrofobicidade de seus compostos grafíticos superficiais, 
reduzindo a área efetiva da superfície. Por outro lado, os agregados CNT contêm espaços e 
ranhuras intersticiais, que são sítios de alta energia de adsorção para moléculas orgânicas 
(Pan et al., 2008). Embora o carvão ativado possua medidas de comparáveis superfície 
específica como feixes de CNT, ele contém um número significativo de microporos 
inacessíveis a moléculas orgânicas volumosas como muitos antibióticos e fármacos (Ji et al., 
2009). Assim, os CNTs têm uma capacidade de adsorção muito maior para algumas 
moléculas orgânicas volumosas por causa de seus poros maiores em feixes e sítios de sorção 
mais acessíveis. 
Uma grande desvantagem do carvão ativado é sua baixa afinidade de adsorção por 
compostos orgânicos polares de baixo peso molecular. Os CNT adsorvem fortemente muitos 
desses compostos orgânicos polares devido às diversas interações contaminantes-CNT, 
incluindo efeito hidrofóbico, interações do tipo 𝝅-𝝅, ligação de hidrogênio, ligação 
equivalente e interações eletrostáticas (Yang e Xing, 2010). A superfície CNT rica em 
elétrons p permite interações com moléculas orgânicas com ligações duplas de carbono ou 
anéis de benzeno, hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAP) e compostos aromáticos 
polares (Chen et al., 2007; Lin e Xing, 2008). Os compostos orgânicos que possuem grupos 
funcionais -OOH, -OH e -NH2 também podem formar uma ligação de hidrogênio com a 
superfície grafítica da CNT que doa elétrons (Yang et al.,2008). A atração eletrostática 
facilita a adsorção de produtos químicos orgânicos com carga positiva, como alguns 
antibióticos a pH adequado (Ji et al., 2009). 
 
2.1.1.2 Remoção de metais pesados.  
Os CNTs oxidados apresentam alta capacidade de adsorção de íons metálicos com 
cinética rápida. Os grupos funcionais de superfície (por exemplo, carboxil, hidroxil e fenol) 
dos CNTs são os principais locais de adsorção de íons metálicos, principalmente através de 
atração eletrostática e ligação química (Rao et al., 2007). Como resultado, a oxidação da 
superfície pode significar aumento significativo da capacidade de adsorção das CNTs. Vários 
estudos mostram que os CNTs são melhores adsorventes que o carbono ativado para metais 
pesados ​​(por exemplo, Cu+2, Pb+2, Cd+2 e Zn+2) (Li et al., 2003; Lu et al., 2006) e a 
cinética de adsorção é rápida nas CNTs devido aos sítios de adsorção altamente acessíveis e à 
curta distância de difusão intrapartículas. Em geral, as CNTs podem não ser uma boa 
alternativa para carbono como adsorventes de amplo espectro. Pelo contrário, como sua 
superfície química pode ser ajustada para atingir contaminantes específicos, eles podem ter 
aplicações exclusivas nas etapas de polimento para remover compostos recalcitrantes ou em 
pré-concentração de traços contaminantes orgânicos para fins analíticos. Essas aplicações 
requerem pequena quantidade de materiais e, portanto, são menos sensíveis ao seu custo. 
Produzido por grafite esfoliante com ácidos fortes e oxidantes, o óxido de grafite é um 
adsorvente potencialmente de baixo custo. Recentemente, foi relatado que grânulos de areia 
revestidos com óxido de grafite foi eficiente na remoção de Hg2+ e uma molécula volumosa 
de corante (Rodamina B); seu desempenho foi comparável ao carvão ativado comercial (Gao 
et al., 2011). 
 
2.1.1.3. Regeneração e reutilização.  
A regeneração é um importante fator que determina a relação custo-benefício dos 
adsorventes. A adsorção de íons metálicos nos CNTs pode ser facilmente revertida por 
redução do pH da solução. A taxa de recuperação de metal é geralmente acima de 90% e 
frequentemente próximo de 100% a pH <2 (Li et al., 2005; Lu et al., 2006). Além disso, a 
capacidade de adsorção permanece relativamente estável após a regeneração. Lu et al. relatou 
que em Zn+2 a capacidade de adsorção de SWNT e MWNT diminuiu menos de 25% após 10 
ciclos de regeneração e reutilização, enquanto o de carvão ativado foi reduzido em mais de 
50% após uma regeneração (Lu et al., 2006). Uma análise estatística baseada na regressão 
adequada da capacidade de adsorção de Zn+2,o número de ciclos de regeneração e 
reutilização sugeriu que os nano-adsorventes de CNT podem ser regenerados e reutilizados 
até centenas de vezes para a remoção do Zn+2, mantendo a capacidade de adsorção razoável 
(Lu et al., 2007). 
 
2.1.2 Nano-adsorventes a base de metal 
Óxidos metálicos como óxido de ferro, dióxido de titânio e alumina são adsorventes 
eficazes e de baixo custo para metais pesados ​​e radionuclídeos. A sorção é controlada 
principalmente pela complexação entre metais dissolvidos e o oxigênio em óxidos metálicos 
(Koeppenkastrop e Decarlo, 1993). É um processo de duas etapas: rápida adsorção de íons 
metálicos na superfície externa, seguida pela difusão intrapartículas com limitação de 
velocidade ao longo das paredes dos microporos (Trivedi e Axe, 2000). Suas contrapartes em 
nanoescala têm maior capacidade de adsorção e cinética mais rápida devido à maior área de 
superfície específica, menor distância de difusão intrapartículas e maior número de sítios de 
interação da superfície (isto é, cantos, arestas, vagas). Por exemplo, como o tamanho das 
partículas da nano-magnetita diminuiu de 300 para 11 nm, sua capacidade de adsorção de 
arsênio aumentou mais de 100 vezes (Yean et al., 2005). Muito desse aumento observado em 
adsorção foi atribuída ao aumento da área superficial específica já que as partículas de 
magnetita de 300 nm e 20 nm têm capacidade de adsorção normalizada para arsênio em área 
de superfície semelhante (6 mmol/m² ou 3,6 átomos nm²) (Auffan et al., 2009, 2008). No 
entanto, quando o tamanho das partículas foi reduzido para menos de 20 nm, a capacidade de 
adsorção específica normalizada da área de superfície área de superfície foi aumentada, com 
nanopartículas de magnetita de 11 nm absorvendo três vezes mais arsênio (18 mmol/m² ou 
11 átomos nm²), sugerindo um "efeito em nanoescala". Esse "efeito em nanoescala" foi 
atribuída à mudança da estrutura da superfície da magnetita que cria novos sítios de adsorção 
(Auffan et al., 2009). 
Além da alta capacidade de adsorção, alguns óxidos de ferro nanopartículas, por 
exemplo, nano-maghemita e nano-magnetita, pode ser superparamagnético. O magnetismo é 
altamente dependente do volume, uma vez que decorre da interação coletiva de dipolos 
magnéticos atômicos. Se o tamanho de um ímã de ferro ou ferro diminui para o valor crítico 
(40 nm), o ímã muda de vários domínios para um único domínio com maior valor magnético 
suscetibilidade (Yavuz et al., 2006). À medida que o tamanho diminui, as partículas 
magnéticas se tornam superparamagnéticas, perdendo o momento magnético permanente ao 
responder a um campo magnético externo, que permite separação fácil e recuperação em um 
campo magnético de baixo gradiente. 
 Essas nanopartículas magnéticas podem ser usadas diretamente como adsorventes ou 
como o material do núcleo em uma estrutura de nanopartículas em que acarcaça fornece a 
função desejada enquanto o núcleo magnético realiza separação magnética. 
Nanocristais de óxido de metal podem ser comprimidos em pelotas porosas sem 
comprometer significativamente sua área de superfície quando pressão moderada é aplicada 
(Lucas et al., 2001). O volume e tamanho dos poros podem ser controlados ajustando a 
pressão de consolidação. Assim, eles podem ser aplicados em formas de pós finos e grânulos 
porosos que são as formas prováveis a serem utilizadas na indústria. 
Nanomateriais de base metálica foram explorados para remover uma variedade de 
metais pesados ​​como arsênio, chumbo, mercúrio, cobre, cádmio, cromo, níquel e têm 
demonstrado grande potencial para competir com o carvão ativado (Sharma et al., 2009). 
Entre eles, a aplicação na remoção de arsênio atraiu muita atenção. Embora seja um bom 
adsorvente para muitos contaminantes orgânicos e inorgânicos, o carvão ativado tem 
capacidade limitada de arsênio, especialmente para As(V) (Daus et al.,2004). Vários 
nanomateriais de óxido de metal, incluindo magnetita e TiO2 em escala nanométrica, 
mostraram adsorção de arsênio desempenho superior ao carvão ativado (Deliyanni et al., 
2003; Mayo et al., 2007). Nanopartículas de hidróxido metálico também podem ser 
impregnadas no esqueleto de carvão ativado ou outros materiais porosos para conseguir a 
remoção simultânea de co-contaminantes orgânicos e arsênio, que favorecem aplicações no 
ponto de uso (POU) (Hristovski et al., 2009a, 2009b). 
 
2.1.2.1 Regeneração e reutilização. 
Nano-adsorventes de óxido metálico podem ser facilmente regenerados alterando o 
pH da solução (Sharmaet al., 2009). Em muitos casos, a capacidade de adsorção de metais 
nano-adsorventes de óxido é bem mantido após várias ciclos de regeneração e reutilização 
(Hu et al., 2006). Contudo, capacidade de adsorção reduzida após a regeneração também são 
relatados (Deliyanni et al., 2003). Acima de tudo, podem ser produzidos nano-adsorventes à 
base de metal a um custo relativamente baixo. A alta capacidade de adsorção, baixo custo, a 
fácil separação e regeneração tornam os nano-adsorventes à base de metal tecnologicamente e 
economicamente vantajosos. 
 
2.1.3. Nanoadsorventes poliméricos 
Dendrimers são adsorventes personalizados que são capazes de remover tanto 
materiais orgânicos como metais pesados. No seu interior as cascas podem ser hidrofóbicas 
para sorção de compostos orgânicos enquanto que os ramos externos podem ser adaptados 
(por exemplo, hidroxil- ou amino-terminado) para adsorção de metais pesados. O sorção pode 
ser baseada em complexação, interações eletrostáticas, efeito hidrofóbico e ligação de 
hidrogênio (Crooks et al..2001). Um sistema de dendrimer-ultrafiltração foi projetado para 
recuperar íons metálicos de soluções aquosas (Diallo et al., 2005). O sistema conseguiu a 
remoção quase completa dos íons Cu+2 com concentração inicial de 10 ppm e Cu+2 a 
PAMAM dendrimer-NH2 de 0.2. Após adsorção, o íon metálico dendrimers carregados 
foram recuperados por ultrafiltração e regenerados pela diminuição do o pH para 4. 
 
2.1.4. Potencial aplicação no tratamento da água 
Os nano-adsorventes podem ser facilmente integrados em processos de tratamento em 
reatores ou adsorventes de chorume. Aplicado em forma de pó, os nano-adsorventes em 
reatores de chorume podem ser altamente eficientes, uma vez que todas as superfícies dos 
adsorventes são utilizadas e a mistura facilita muito a transferência de massa. No entanto, é 
necessária uma unidade de separação adicional para recuperar nanopartículas. Os 
nano-adsorventes também podem ser utilizados em nano-adsorventes fixos ou adsorventes 
fluidizados sob a forma de pastilhas ou grânulos carregados com nano-adsorventes. Os 
reactores de leito fixo são geralmente associados a limitações de transferência de massa, mas 
não precisa de um processo de separação futuro. Aplicações de nano-adsorventes para 
remoção de arsênio têm sido comercializados, e seu desempenho e custo têm sido melhores 
em comparação com outros adsorventes comerciais em testes-piloto (Aragão et al., 2007). 
ArsenXnp é um íon híbrido comercial contendo nanopartículas de óxido de ferro e polímeros. 
ADSORBSIA é um dióxido de titânio nanocristalino sob a forma de pérolas de 0,25 a 1,2 mm 
de diâmetro. Ambos os nano-adsorventes foram altamente eficientes na remoção de arsênio e 
ArsenXnp exigiram pouca contra-lavagem (Aragon et al.., 2007; Sylvester et al., 2007). O 
custo estimado do tratamento para ArsenXnp é $0.25-$0.35/1000 gal se o meio for 
regenerado, próximo a $0.37/1000 gal de Bayoxide E33, um adsorvente granular de óxido de 
ferro (Aragon et al.., 2007; Westerhoff et al., 2006). ArsenXnp e ADSORBSIA foram 
empregados em água potável de pequena a média escala e provaram ser competitivos em 
termos de custos. 
 
2.2. Membranas e processos de membrana 
O objetivo básico do tratamento de água é remover os constituintes indesejáveis da 
água. As membranas fornecem uma barreira física para tais constituintes com base no seu 
tamanho, permitindo o uso de fontes de água não convencionais. Como componente chave do 
tratamento e reutilização de água, eles fornecem alto nível de automação e, exigem menos 
uso de terra e produtos químicos, e a configuração modular permite um design flexível (Qu et 
al., 2013). Um grande desafio da tecnologia de membrana é o balanço inerente entre 
seletividade de membrana e permeabilidade. O alto consumo de energia é uma barreira 
importante para a ampla aplicação da membrana acionada por processos de pressão. Contudo, 
o entupimento da membrana aumenta o consumo de energia e a complexidade do desenho e 
operação do processo. Além disso, reduz a vida útil das membranas e módulos de membrana. 
O desempenho dos sistemas de membrana é amplamente decidido pelo material da 
membrana. Incorporação de nanomateriais em membranas oferece uma grande oportunidade 
para melhorar a permeabilidade da membrana, a resistência ao entupimento e melhora da 
estabilidade térmica e mecânica, bem como introduzir novas funções para degradação de 
contaminantes e auto-limpeza. 
 
2.2.1. Membranas de nanofibras 
Eletrofiação é uma forma simples, eficiente e barata de produzir fibras ultrafinas 
usando vários materiais (por exemplo, polímeros, cerâmica, ou mesmo metais) (Cloete et al., 
2010; Li e Xia, 2004). As nanofibras resultantes apresentam elevada área de superfície e 
porosidade específica, formando tapetes de nanofibras com poros de estrutura complexa O 
diâmetro, morfologia, composição, composição, secundário e o alinhamento espacial das 
nanofibras podem ser facilmente manipulados para aplicações específicas (Li e Xia, 2004). 
Embora as membranas de nanofibras tenham sido empregadas comercialmente para 
aplicações de filtração de ar, seu potencial para o tratamento da água ainda está em grande 
parte a ser explorado. Membranas de nanofibra podem remover partículas do tamanho de 
micrômetros e podem ser projetadas para remover metais pesados e poluentes orgânicos 
durante a filtração. 
 
2.2.2. Membranas de nanocompostos 
Um número significativo de estudossobre a nanotecnologia em membranas tem se 
concentrado na criação de sinergismo ou multifunção adicionando nanomateriais em 
polímeros ou membranas inorgânicas. Os nanomateriais utilizados para tais aplicações 
incluem nanopartículas hidrofílicas de óxido metálico (por exemplo, Al2O3, TiO2 e zeólito), 
nanopartículas antimicrobianas (por exemplo, nano-Ag e CNT) e nanomateriais 
(foto)catalíticos (por exemplo, nanopartículas bi-metálicos, TiO2). O principal objetivo da 
adição de óxido metálico hidrofílico às nanopartículas é reduzir a incrustação através do 
aumento da hidrofilia da membrana. A adição de nanopartículas de óxido metálico incluindo 
alumina (Maximous et al., 2010), sílica (Bottino et al.,2001), zeolite (Pendergast et al., 2010) 
e TiO2 (Bae e Tak,2005) para as membranas de ultrafiltração polimérica têm sido mostrados 
para aumentar a hidrofilicidade da superfície da membrana, permeabilidade da água ou 
resistência a incrustações. Estas nanopartículas inorgânicas também ajudam a melhorar 
estabilidade a mecânica e térmica de membranas poliméricas, reduzindo o impacto negativo 
de compactação e calor sobre a permeabilidade da membrana (Ebert et al., 2004; Pendergast 
et al., 2010). 
Nanomateriais antimicrobianos como nano-Ag e CNTs podem reduzir a 
bioincrustação da membrana. Nano-Ag foi dopado ou superfície enxertada em membranas 
poliméricas para inibir bactérias e formação de biofilme (Mauter et al., 2011; Zodrow et al., 
2009) sobre a superfície da membrana, bem como inativar vírus (De Gusseme et al., 2011). 
No entanto, a longo prazo sua eficácia contra o bioincrustante de membrana não foi relatada. 
É necessário abordar a questão da reconstituição adequada do nano-Ag para a aplicação 
prática desta tecnologia. CNTs inativados bactérias em contato direto (Brady-Estevez et al., 
2008). A alta inativação bacteriana (>90%) foi conseguida utilizando 
Polivinil-N-carbazol-SWNT nanocomposto a 3 % em peso de SWNT (Ahmed et al., 2012). 
Como os CNTs são insolúveis em água e não consumidos, não há necessidade de 
reabastecimento. No entanto, como o contato direto é necessário para a inativação, são 
necessárias experiências de filtração a longo prazo para determinar o impacto de incrustações 
na actividade antimicrobiana dos CNTs. Adição de MWNT oxidado em baixa porcentagem 
em peso (até 1,5%) também aumenta a hidrofilia e a permeabilidade da polissulfona (Choi et 
al., 2006b). 
Membranas incorporadas de nanopartículas (foto)catalíticas (também conhecidas por 
membranas reactivas) combinam a sua separação física e a reatividade de um catalisador em 
relação ao contaminante em degradação. Muitos esforços têm sido dedicados ao 
desenvolvimento de membranas inorgânicas que consistem em nanopartículas fotocatalíticas 
(normalmente nano-TiO2 ou nano-TiO2 modificado). (Choi et al., 2006a). Nanopartículas 
catalisadoras metálicas/bi-metálicas tais como ferro nano zero-valente (nZVI) e metais nobres 
em nZVI foram incorporados em membranas de polímeros para degradação redutora de 
contaminantes, especialmente de compostos clorados (Wu et al., 2005; Wu e Ritchie, 2008). 
nZVI serve como o doador de elétrons e o os metais nobres catalisam a reação. 
 
2.2.3. Membranas de nanocompostos de película fina (TFN) 
O desenvolvimento de membranas TFN concentra-se principalmente em incorporar 
nanomateriais na camada ativa da do composto de película fina (TFC) nas soluções de 
fundição ou modificação da superfície das membranas. Nanomateriais que foram pesquisados 
para tais aplicações incluem nano-zeólitos, nano-Ag, nano-TiO2 e CNTs. O impacto das 
nanopartículas sobre a permeabilidade e seletividade da membrana depende do tipo, tamanho 
e quantidade de nanopartículas adicionadas. Nano-zeólitos são os dopantes mais 
frequentemente utilizados no TFN e têm mostrado potencial para melhorar a permeabilidade 
da membrana. A adição de nano-zeólitos leva à maior permeabilidade e a uma camada ativa 
de poliamida mais espessa (Lind et al., 2009a). Um estudo relatou permeabilidade à água 
aumentou até 80% sobre a membrana TFC, com a rejeição a sais amplamente mantida (93,9 
0,3%) (Jeong et al., 2007). Membranas TFN dopadas com nano-zeólitos de 250 nm a 0,2% 
em peso conseguiu uma permeabilidade moderadamente mais elevada e uma rejeição mais 
elevada ao sal (>99,4%) do que as membranas comerciais RO (Lindet al., 2010). Foi 
levantada a hipótese de que o pequeno, hidrofílico poros de nano-zeólitos criam caminhos 
preferenciais para a água. No entanto, a permeabilidade à água aumentou mesmo com os 
poros cheios de zeólitos, embora menos do que os de poros abertos, que poderiam ser 
atribuído a defeitos na interface zeólito-polímero. Nano-zeólitos também foram usados como 
portadores de antimicrobianos agentes como o Ag+, que transmite propriedade 
anti-incrustante à membrana (Lind et al., 2009b). A tecnologia do zeólito TFN atingiu a fase 
inicial de comercialização. QuantumFlux, uma membrana TFN RO de água do mar, está 
agora disponível comercialmente (​www.nanoH2O.com​). 
A incorporação de nano-TiO2 (até 5 % em peso) no TFC aumentou ligeiramente a 
camada ativa e a rejeição salina da membrana enquanto manteve a permeabilidade (Lee et al., 
2008). Quando a concentração de nano-TiO2 excedeu 5%, o fluxo de água aumentou o custo 
da redução de rejeição, sugerindo defeito na camada ativa. Mediante irradiação UV, o TiO2 
pode degradar contaminantes orgânicos e inativar microorganismos. Isto ajuda a reduzir 
também os resquícios orgânicos e biológicos. como remover contaminantes que não são 
retidos pela membrana. No entanto, a estreita adjacência entre as partículas fotocatalíticas e a 
membrana também pode levar a danos materiais sobre a membrana polimérica, o que precisa 
ser abordado para a eficácia a longo prazo (Chin et al., 2006). 
CNTs (não alinhados) também encontraram sua aplicação em TFN devido às suas 
atividades antimicrobianas. SWNTs covalentemente ligados a uma superfície de membrana 
TFC (Tiraferri et al., 2011). Esta abordagem é vantajosa na medida em que utiliza pequena 
quantidade de nanomaterial e minimiza perturbação da camada ativa. A membrana TFN 
resultante apresentou propriedades antibacterianas moderadas (60% de inativação de 
bactérias ligadas à superfície da membrana em contato por 1 h), reduzindo ou retardando 
potencialmente a bioincrustação da membrana. 
 
2.2.4. Membranas de inspiração biológica 
Muitas membranas biológicas são altamente seletivas e permeáveis. As aquaporinas 
são canais proteicos que regulam o fluxo de água através das membranas celulares. Sua alta 
seletividade e a permeabilidade à água torna o seu uso em membranas poliméricas uma 
abordagem atraente para melhorar o desempenho da membrana. A Aquaporina-Z da 
Escherichia coli foi incorporada em vesículas de polímero tribloco anfifílico (Kumar et al., 
2007), que exibem permeabilidade à água pelo menos uma ordem de magnitude sobre as 
vesículas originais com rejeição total à glicose, glicerol, sal e ureia. Um projeto em potencial 
é aplicar a aquaporina na nanofiltração de lipídios incorporados em nanofiltração comercial. 
Nestafrente, o sucesso foi limitado (Kaufman et al., 2010). Os CNTs alinhados foram 
mostrados tanto experimentalmente quanto teoricamente para proporcionar uma permeação 
da água muito mais rápida do que o que a equação de HagenePoiseuille prevê, devido a 
http://www.nanoh2o.com/
suavidade atómica do canal em tamanho nanométrico e à unidimensional fileira única de 
ordenação de moléculas de água que atravessam os nanotubos. 
Previa-se que uma membrana contendo apenas 0,03% da área de superfície dos CNTs 
alinhados terá fluxo excedendo a membrana de água salina atual (Pendergast e Hoek, 2011). 
No entanto, a alta rejeição de sal e moléculas pequenas é um desafio paraas membranas de 
CNT alinhado devido à falta de CNTs com subnanômetro com diâmetros uniformes. Grupo 
funcional de válvulas na abertura do nanotubo foi proposto para aumentar a selectividade da 
CNT alinhada (Mauter e Elimelech, 2008). Por enxerto de carboxil grupos funcionais em 
aberturas CNT sub-2-nm, 98% de rejeição de FeðCN6Þ3 foi alcançado com baixa força 
iônica por exclusão de Donnan (?) (Fornasiero et al., 2008). No entanto, a rejeição de KCl foi 
apenas 50% a 0,3 mM, e diminuiu para quase zero a 10 mM. O enxerto de grupos funcionais 
volumosos na abertura do tubo pode excluir fisicamente os sais. No entanto, a exclusão 
estérica irá reduzir significativamente a permeabilidade da membrana (Nednoor et al.,2005). 
Assim, no estágio atual, as membranas CNT alinhadas não são capazes de dessalinizar. Para 
alcançar salinidade confiável o diâmetro CNT deve ser uniformemente menor que 0,8 nm 
(Hinds, 2012). Um entrave chave tanto para a aquaporina como para a membranas de CNT 
alinhada é o aumento de escala da produção de nanomateriais e fabrico de membranas. A 
produção em larga escala e purificação de aquaporinas são muito desafiadoras. Até à data, a 
química a deposição de vapor (CVD) é a forma mais comum de fazer nanotubos alinhados. 
Um protótipo de CVD de alto rendimento contínuo foi concebido para produzir CNT 
alinhado verticalmente, abrindo caminho a uma produção em grande escala (de Villoria et 
al..,2011). Um método de alinhamento pós-fabricação usando o campo magnético também foi 
desenvolvido (Mauter et al., 2010). As membranas de nanocompósitos e TFN têm boa 
escalabilidade na medida em que podem ser fabricados utilizando processos de fabrico. A alta 
permeabilidade à água pode reduzir a pressão aplicada ou a área de membrana necessária e 
consequentemente, reduzir os custos. Esta estratégia pode melhorar consideravelmente a 
eficiência energética para tratamento de águas com osmose baixa mas pode ter uma vantagem 
limitada em RO de água do mar, cujo consumo de energia já está próximo do limite 
termodinâmico (Elimelech e Phillip, 2011). Uma análise recente de membranas atualmente 
classificadas com base em suas capacidade de melhoria do desempenho potencial e do estado 
de prontidão comercial. (Pendergast e Hoek, 2011). 
 
2.2.5. Osmose anterior 
A osmose direta (OD) utiliza o gradiente osmótico para direcionar o fluxo de água de 
uma solução de baixa pressão osmótica para uma solução de alta pressão osmótica (ou seja, a 
solução de tração). O diluído é então tratado por osmose reversa ou processos térmicos para 
gerar água pura. A OD tem duas grandes vantagens sobre a osmose inversa controlada por 
pressão: não requer uma osmose inversa elevada e a membrana é menos propensa a 
incrustações. A chave para OD é ter um soluto com alta osmolalidade e facilmente separáveis 
da água. Atualmente, os produtos químicos utilizados para desenhar soluções incluem NaCl, 
amônia bicarbonato. Portanto, OD ou tratamento térmico, é necessário para recuperar a água 
da solução de extração. 
Nanopartículas magnéticas foram recentemente exploradas como um novo tipo de 
soluto de para sua fácil separação e reutilização. Revestimento hidrofílico foi utilizado para 
facilitar a dissolução e aumentar a osmose. Um fluxo de permeado de ODsuperior a 10 L/m² 
foi obtido por meio de um revestimento diacídico de 0,065 M de poli(etilenoglicol), 
nanopartículas magnéticas quando a água deionizada era usada como a solução alimentar (Ge 
et al., 2011). As nanopartículas magnéticas foram também aplicadas para recuperar solutos de 
desenho. Num estudo recente, foram utilizadas nanopartículas (Fe3O4@SiO2) para recuperar 
o Al2(SO4)3 (o soluto de desenho) através de floculação (Liu et al.., 2011c). 
 
2.3. (Foto)catálise 
A oxidação fotocatalítica é um processo de oxidação avançado para remoção de 
contaminantes vestigiais e agentes patogénicos microbianos. É um pré-tratamento útil para 
substâncias perigosas e não biodegradáveis contaminantes, utilizado para aumentar a sua 
biodegradabilidade. Fotocatálise também pode ser usado como um passo de polimento para 
tratar compostos orgânicos recalcitrantes. A principal barreira para a sua ampla a aplicação é 
a cinética lenta devido à fluência limitada da luz e atividade fotocatalítica. A investigação 
atual centra-se em aumento da cinética e da fotoatividade da reacção fotocatalítica 
 
2.3.1. Optimização de nanofotocatalisadores 
O TiO2 é o fotocatalisador semicondutor mais utilizado em tratamento de água/águas 
residuais devido à sua baixa toxicidade, estabilidade, baixo custo e abundância como 
matéria-prima. Ele gera um par elétron/furo (e/h+) ao absorver um UV fóton, que mais tarde 
ou migram para a superfície e formam espécies reativas de oxigênio (ROS) ou sofrer 
recombinações indesejáveis. A fotoatividade do nano-TiO2 pode ser melhorada através da 
optimização do tamanho e a forma das partículas, reduzindo a recombinação e/h+ por 
dopagem de metais nobres, maximizando as facetas reativas e tratamento de superfície para 
melhorar a adsorção de contaminantes. O tamanho do TiO2 desempenha um papel importante 
na sua fase sólida de transformação, sorção e dinâmica e/h+. Entre as estruturas cristalinas de 
TiO2, o rutilo é o mais estável para partículas maiores que 35 nm, enquanto a anátase, que é 
mais eficiente na produção de ROS, é a mais estável para partículas menores que 11 nm 
(Fujishima et al., 2008; Zhang e Banfield, 2000). Uma das principais causas da cinética de 
reação lenta do TiO2 que na fotocatálise é a rápida recombinação de e/ h+. 
Diminuir o tamanho da partícula de TiO2 reduz a recombinação de volume de e/h+, e 
melhora a transferência de carga interfacial (Zhanget al., 1998). No entanto, quando o 
tamanho da partícula é reduzido a vários nanômetros, a recombinação da superfície domina, 
diminuindo a atividade fotocatalítica. Portanto, a atividade fotocatalítica de TiO2 tem um 
máximo devido à interação dos mecanismos mencionados anteriormente que se situam na 
gama nanométrica. 
Os nanotubos de TiO2 foram considerados mais eficientes do que as nanopartículas de TiO2 
em decomposição de compostos orgânicos (Macak et al., 2007). A maior atividade 
fotocatalítica foi atribuída aos caminhos mais curtos de difusão de portadores nas paredes dos 
tubos e transferência de massa mais rápida de reagentes para a superfície do nanotubo. A 
dopagem de metais nobres pode reduzira recombinação e/h+ porque os elétrons 
foto-excitados tendem a migrar para o metais nobres com níveis de Fermi mais baixos 
enquanto os poros permanecem no TiO2 (Ni et al., 2007). A atividade fotocatalítica do TiO2 
pode também é promovida pela criação de cristalografia altamente reativa. Isso porque as 
facetas de alta energia {001} diminuem rapidamente durante o crescimento do cristal, a 
anátase TiO2 é geralmente dominada pelas facetas de baixa energia {101}. Utilização de um 
agente de nivelamento específico (geralmente flúor), a porcentagem de {001} facetas pode 
ser aumentada de menos de 10% para até 89% (Han et al., 2009), melhorar substancialmente 
a produção de radicais hidroxilos e decomposição de compostos orgânicos (Han et al., 2009; 
Murakami et al., 2009). A atividade melhorada decorre da forte adsorção de reagentes em 
facetas de alta energia (Liu et al., 2011b) e a separação espacial de elétrons e buracos em 
facetas do cristal (Murakami et al., 2009). A percentagem ideal de {001} para fotocatálise 
ainda está em debate (Liu et al..,2011b). Melhorar a adsorção de contaminantes modificando 
a superfície fotocatalítica é outra forma de melhorar a atividade fotocatalítica devido à curta 
duração da ROS. No entanto, pouco foi feito nesta área. Outra área de investigação 
ativamente prosseguida é a do alargamento do espectro de excitação de TiO2 para incluir luz 
visível. A estratégia geral é a dopagem de impurezas metálicas, sensibilizadores de corantes, 
semicondutores de banda larga ou ânions em nano-TiO2 que formam nanopartículas híbridas 
ou nanocompósitos (Fujishima et al., 2008; Ni et al., 2007). Metais e ânions criam níveis de 
energia em impurezas ou estreitam o gap da banda com excitação de luz visível, 
sensibilizadores de corantes e fita adesiva estreita para injetar elétrons no TiO2 para iniciar as 
reações no catalisador. Entre estes métodos, os ânions (especialmente o nitrogênio) a 
dopagem, foi considerada a mais rentável e viável para aplicações industriais (Fujishima et 
al., 2008), embora suas estabilidade e eficácia a longo prazo não foram testadas. A 
diminuição da concentração de azoto durante a fotocatálise também foi reportada. (Kitano et 
al., 2006). 
Além de TiO2, WO3 e alguns derivados de fulereno também tem o potencial de ser 
usado no tratamento fotocatalítico da água. O WO3 possui um intervalo de banda mais 
estreito que o TiO2, permitindo que seja ativado por luz visível (<450 nm) (Kominami et al., 
2001). O doping aprimora ainda mais a reatividade do WO3, facilitando a redução de O2 em 
vários eletrons e melhorando a separação de e/h+ (Kim et al., 2010). ​Aminofulerenos geram 
1​O​2 sob visível irradiação de luz (<550 nm) (Lof et al., 1995) e tem sido estudados para 
degradar compostos farmacêuticos e inativar vírus (Lee et al., 2010). Fulerol e C60 
encapsulados com poli (N-vinilpirrolidona) pode produzir ​1​O​2 e superóxido sob luz UVA 
(Brunet et al., 2009). Aminofulerenos são mais passíveis de imobilização do que o fulereno e 
é mais eficaz para fins de desinfecção devido à sua carga positiva. ​1​O​2 possui menor potencial 
de oxidação que os radicais hidroxila produzidos TiO2, embora seja um ROS mais seletivo e, 
consequentemente, menos suscetível de extinção por orgânicos orgânicos de fundo não 
visados importam. Fulerenos são atualmente muito mais caros e não tão prontamente 
disponível quanto o TiO2. 
 
2.3.2 Aplicações potenciais no tratamento de água 
A eficiência geral de um tratamento fotocatalítico da água processo depende 
fortemente da configuração e operação parâmetros do foto-reator. Duas configurações são 
comumente usadas: reatores de chorume e reatores usando TiO2 imobiliarizado. Diversas 
técnicas de dispersão / recuperação ou imobilização de catalisadores estão sendo adotadas 
para maximizar sua eficiência. Ampla investigação sobre parâmetros operacionais foi 
realizada com esses sistemas de escala laboratorial ou piloto. Uma revisão crítica recente 
descreve os efeitos da qualidade da água e uma ampla gama de parâmetros operacionais, 
incluindo carregamento de TiO2, pH, temperatura, oxigênio dissolvido, tipo de contaminante 
e concentração, comprimento de onda da luz e intensidade (Chong et al.,2010). Os leitores 
são referidos a esta revisão para obter detalhes em relação à otimização de processos. Um 
produto comercial, Purifics Photo-Cat, tem capacidade de tratamento tão alta quanto 2 
milhões de galões por dia. Testes mostraram que o sistema Photo-Cat é altamente eficiente 
para remoção de orgânicos sem produzir fluxos de resíduos e opera com consumo de energia 
específico relativamente baixo de cerca de 4 kWh/m3 (Al-Bastaki, 2004; Benotti et al., 2009; 
Westerhoff et al., 2009). A desinfecção solar facilitada por nano-TiO2 (SODIS) foi 
extensivamente testada e parece ser uma opção viável para produzir água potável em áreas 
remotas dos países em desenvolvimento. O sistema SODIS pode ser de pequena escala para 
uma pessoa ou aumentada para uma composição com coletores parabólicos. 
A fotocatálise mostrou grande potencial como um tratamento de custo baixo, 
tratamento ambiental e sustentável da água. No entanto, existem vários desafios técnicos para 
sua aplicação em larga escala, incluindo 1) otimização do catalisador para melhorar o 
rendimento quântico ou utilizar a luz visível; 2)projeto eficiente de reator fotocatalítico e 
recuperação de catalisadores/técnicas de imobilização; 3) melhor seletividade da reação. 
Nanomateriais de óxido de metal como TiO2 e CeO2 também como nanotubos de carbono 
foram estudados como catalisadores em processos de ozonização catalítica heterogêneos que 
fornecem rápido e poluentes orgânicos. Foram propostas vias de reação mediadas por radicais 
e não-radicais (Nawrocki e Kasprzyk Hordern, 2010). A adsorção de ozônio e/ou poluentes 
na superfície do catalisador desempenha um papel crítico em ambos os mecanismos. Os 
nanomateriais possuem grande área superficial específica e uma superfície facilmente 
acessível, levando a alta atividade catalítica. Também foi relatado que alguns nanomateriais 
promovem a decomposição do ozônio em radicais hidroxila, facilitando o processo de 
degradação por meio de rotas mediadas por radicais (Orge, 2011). ​Para aplicações futuras em 
escala industrial, é necessário um melhor entendimento do mecanismo da ozonização 
catalítica habilitada por nanomateriais. 
 
2.4 Desinfecção e controle microbiano 
O dilema entre a desinfecção eficaz e a formação de subprodutos desinfetantes tóxicos 
(DBPs) representa um grande desafio para a indústria da água. Agora é bem reconhecido que 
desinfetantes convencionais, como desinfetantes de cloro e o ozônio pode formar DBPs 
tóxicos (por exemplo, desinfecção halogenada subprodutos, nitrosaminas cancerígenas, 
bromato, etc.). UVA desinfecção surgiu como uma alternativa para a desinfecção oxidativa, 
pois produz DBPs mínimos, enquanto requer alta dosagem para certos vírus (por exemplo, 
adenovírus). Essas limitações exigem o desenvolvimento de métodos alternativos que possam 
melhorar a robustez dadesinfecção, evitando a formação de DBP. Nossa revisão anterior 
sobre nanomateriais antimicrobianos destacou o potencial da nanotecnologia na desinfecção e 
controle microbiano (Li et al., 2008). Muitos nanomateriais, incluindo nano-Ag, nano-ZnO, 
nano-TiO2, nano-Ce2O4, CNTs, e fulerenos, exibem propriedades antimicrobianas sem 
oxidação forte e, portanto, têm menor tendência a formar DBPs (Tabela 3). Os mecanismos 
antimicrobianos desses nanomateriais, seus méritos, limitações e aplicabilidade para 
tratamento da água e as necessidades críticas de pesquisa são discutidas em detalhes nesse 
artigo de revisão (Li et al., 2008). portanto apenas uma breve atualização principalmente 
sobre nano-Ag e carbono nanomateriais baseados serão fornecidos aqui. 
 
2.4.1 Mecanismos antimicrobianos 
Atualmente, o Nano-Ag é o antimicrobiano mais utilizado como nanomaterial. Sua 
forte atividade antimicrobiana, amplo espectro antimicrobiano, baixa toxicidade humana e 
facilidade de uso o tornam uma escolha promissora para desinfecção da água e controle 
microbiano. Agora é bem aceito que a atividade antimicrobiana de nano-prata decorre em 
grande parte da liberação de íons de prata (Xiu et al., 2011, 2012). Os íons de prata podem se 
ligar a grupos tiol em proteínas, resultando em dano enzimático (Liau et al., 1997). Também 
foi relatado que os íons de prata podem impedir a replicação do DNA e induzir mudanças 
estruturais no envelope celular (Feng et al., 2000). 
O nano-Ag melhora o crescimento de E. coli, sugerindo uma resposta que pode ser 
contraproducente para suas aplicações antimicrobianas (Xiu et al., 2012). Os CNT matam 
bactérias, causando perturbação física da membrana celular, estresse oxidativo ou interrupção 
de um processo microbiano através da perturbação/oxidação de uma célula (Vecitis et al., 
2010). A exibição das propriedades antimicrobianas materiais de grafeno e grafite por 
mecanismos similares (Liu et al., 2011a). A citotoxicidade dos CNTs depende fortemente de 
suas propriedades físico-químicas. Curtos e dispersos, os CNT metálicos com diâmetros 
pequenos são mais tóxicos (Kang et al., 2008a, 2008b; Vecitis et al., 2010). 
 
2.4.2 Aplicações aplicadas no tratamento de água 
Prevê-se que os nanomateriais antimicrobianos encontrem suas aplicações em três 
desafios críticos em sistemas de água/esgoto: desinfecção, controle de bioincrustação de 
membrana e controle de filmes em outras superfícies relevantes. O Nano-Ag tem um bom 
potencial para aplicação no tratamento da POU. Pode melhorar a qualidade da água para uso 
sofisticado ou fornecer outra barreira contra patógenos transmitidos pela água para população 
vulnerável. Dispositivos comerciais utilizando nano-Ag já estão disponíveis, por exemplo, os 
sistemas MARATHON e Aquapure. O Nano-Ag também foi incorporado à cerâmica 
microfiltros como barreira para patógenos, que podem ser empregados em áreas remotas nos 
países em desenvolvimento (Peter-Varbanets et al., 2009). As propriedades antimicrobianas, 
forma fibrosa e alta a condutividade dos CNTs permitindo novos filtros CNT remoção das 
bactérias e dos vírus: uma fina camada de CNTs remove efetivamente bactérias por exclusão 
de tamanho e vírus por filtração em profundidade (Brady-Estevez et al., 2010); as bactérias 
retidas são em grande parte inativadas pelas CNTs em poucas horas. Com um pequeno 
intermitente (2e3 V), os MWNTs podem oxidar diretamente como bactérias vírus e levar à 
inatividade em segundos (Rahaman et al., 2012; Vecitis et al., 2011). O potencial elétrico 
aplicado também melhora o transporte viral para os CNTs anódicos (Rahaman et al., 2012). 
Esses filtros podem ser usados ​​como dispositivos POU de alto desempenho para desinfecção 
de água com um mínimo gasto de energia. A aplicação de nanomateriais na bioincrustação de 
membranas controle detalhado na Seção 2.2. Eles também podem ser usados ​​em outras 
superfícies relacionadas ao tratamento de água, como tanques de armazenamento e tubos de 
distribuição para controlar a contaminação por patógenos, formação de biofilme e corrosão 
microbiana influenciada. Técnicas de revestimento que podem economizar o uso de 
nanomateriais e maximizar sua eficiência, permitindo a regeneração está em necessidade 
crítica. Uma abordagem alternativa é empregar estruturas de superfície resistentes à 
bioincrustação em nanoescala, estratégia criada pelos organismos marinhos (golfinhos e 
tubarões) e plantas (folhas de lótus). Uma desvantagem comum de muitas abordagens de 
desinfecção habilitadas para nanomateriais é a falta de resíduos de desinfecção, que são 
cruciais para o controle microbiano crescimento durante o armazenamento e distribuição da 
água. Mesmo assim, a desinfecção ativada por nanotecnologia pode reduzir a formação de 
DBP, pois o cloro ou outros desinfetantes químicos são apenas necessários como 
desinfetantes secundários. A eficácia a longo prazo é outra grande incerteza para todas as 
tecnologias mencionadas. Nanomateriais antimicrobianos que dependem da liberação de íons 
biocidas serão eventualmente esgotados. Lançamento controlado e as estratégias de 
reabastecimento são assim necessárias. Uma estratégia potencial de liberação “sob demanda” 
é encapsular antimicrobianos agentes em uma matriz bloqueada por materiais responsivos à 
presença de microrganismos ou biofilmes. Esse "sob demanda" o mecanismo pode ainda ser 
acoplado aos mecanismos de reconhecimento para liberação direcionada (Fig. 2). Para 
nanomateriais que dependem em contato direto, a incrustação pode suprimir ou até eliminar a 
atividade antimicrobiana. 
 
2.5 Detecção e monitoramento 
Um grande desafio para o tratamento de água/esgoto é o monitoramento da qualidade 
da água devido à concentração extremamente baixa de certos contaminantes, a falta de 
detecção rápida de patógenos, bem como a alta complexidade das matrizes de água/esgoto. 
Sensores inovadores com alta sensibilidade e seletividade e resposta rápida estão em grande 
necessidade. 
 
2.5.1 Detecção de patógenos 
A detecção de patógenos é de importância crítica, pois é diretamente relacionada à 
saúde pública. Sistemas indicadores convencionais, como o de bactérias coliformes, é lenta e 
falha em monitorar a presença de alguns patógenos importantes ou emergentes, incluindo 
vírus (hepatite A e E, vírus coxsackieviruses, echovírus, vírus adenoviéticos e vírus 
Norwalk), bactérias (Legionella e Heli cobacter) e protozoário (Cryptosporidium e Giardia) 
(Theron et al., 2010). Muitos desses patógenos são agentes etiológicos em surtos associados à 
água potável. Além disso, a detecção de patógenos é o componente-chave do diagnóstico 
abordagem de desinfecção da água, na qual a desinfecção é desencadeada pela detecção de 
microrganismos alvo. Pesquisas ativas estão desenvolvendo nanomateriais sensores 
patógenos ativados. Esses sensores geralmente consistem em três componentes principais: 
agentes de reconhecimento, nanomateriais, e um mecanismo de transdução de sinal 
(Vikesland e Wigginton, 2010). Agentes de reconhecimento que especificamente interagir na 
superfície com antígenos ou outros epítopos no patógeno fornece a seletividade.Sensibilidade e resposta rápida são alcançados pela transdução de sinal relacionada a 
nanomateriais no evento de reconhecimento. Uma ampla gama de agentes de reconhecimento 
foram utilizados, incluindo anticorpos, aptâmeros, carboidratos e peptídeos antimicrobianos 
(Vikesland e Wigginton, 2010). Os nanomateriais melhoram a sensibilidade e velocidade de 
detecção e alcance a detecção de alvos multiplex (?) devido às suas propriedades 
físico-químicas únicas, especialmente propriedades eletroquímicas, ópticas e magnéticas. 
Estes sensores podem ser empregados para detectar células inteiras (Vikesland e Wigginton, 
2010), bem como biomoléculas (Theron et al., 2010). 
Os nanomateriais mais usados ​​na detecção de patógenos são nanopartículas 
magnéticas, pontos quânticos (QDs), metais nobres, nanopartículas dopadas com corante e 
CNTs. Nanopartículas magnéticas e CNTs têm sido extensivamente estudados por 
concentração e purificação da amostra. Um nanocompósito magnético comercial, Dynabead, 
está disponível para desenvolvimento de vários kits de detecção de patógenos. QDs são 
nanocristais fluorescentes de materiais semicondutores (por exemplo, CdSe) cujas 
características eletrônicas dependem do tamanho e da forma dos cristais individuais. 
Partículas QD com tamanhos menores têm intervalos de banda mais amplos e, portanto, 
precisam de mais energia para excitar e emitir luz com comprimento de onda menor. QDs 
tem espectros de absorção amplos, mas espectros de emissão fluorescente estreitos e estáveis. 
Assim, os QDs são especialmente adequados para detecção multiplex usando uma fonte de 
luz de excitação. O espectro de emissão de QDs é 20 vezes mais brilhante que um fluoróforo 
orgânico (Yan et al., 2007) e até milhares de vezes mais estáveis ​​que os corantes 
convencionais (Sukhanova et al.,2004). Nanomateriais de metais nobres têm sido 
amplamente utilizados em sensores principalmente devido à sua ressonância plasmática 
superficial aprimorada localizada (LSPR), que depende do tamanho, forma, composição e 
distância de separação de nanopartículas, bem como o ambiente dielétrico do meio 
circundante (Petryayeva e Krull, 2011). A alta condutividade de nanopartículas de metal 
nobre também promovem a transferência de elétrons entre a superfície do eletrodo e o analito 
(Lei e Ju, 2012). o presença de LSPR aumentado leva à extinção coeficientes elevados de 
molaridade e dispersão de Rayleigh, bem como melhorias locais campos eletromagnéticos 
próximos à superfície das nanopartículas. Sediada no cálculo teórico, esferas nano-Au de w40 
nm em diâmetro têm uma seção transversal de absorção 5 ordens de magnitude superior aos 
corantes convencionais, enquanto as esferas nano Au de 80 nm dispersam a luz 5 ordens de 
magnitude mais do que corantes fluorescentes (Jain et al., 2006). Metais nobres foram usados 
principalmente na detecção espectroscópica e colorimétrica com aprimoramento de superfície 
(SERS). Os ensaios colorimétricos são rápidos e simples. A transdução de sinal depende da 
mudança de cor de a suspensão de nanopartículas devido a diferentes distâncias de 
interpartículas ou estado de agregação (Kelly et al., 2003). Tem sido estudado para detecção 
de DNA, diagnóstico de infecção por patógenos e monitoramento de patógenos em amostras 
de água. No entanto, o estado de agregação das nanopartículas é sensível à solução química e 
difícil de controlar. A água coexistente/efluentes afetará grandemente os resultados, 
reduzindo reprodutibilidade. O fenômeno SERS é atribuído a ambos efeito eletromagnético e 
mecanismos químicos relacionados à transferência de carga entre os metais nobres e 
moléculas alvo (Moskovits, 2005). Como resultado, a eficiência da dispersão Raman pode ser 
aumentada em mais de 1014 vezes, o que é capaz de detectar uma única molécula (Nie e 
Emery,1997). Nanopartículas de sílica dopadas com orgânicos ou inorgânicos corantes 
luminescentes foram desenvolvidos para sensores. O grande número de moléculas confinadas 
em um corante junto às partículas de sílica garante uma enorme melhoria na sensibilidade. 
Além disso, a matriz de sílica protege as moléculas de corante do ambiente externo, 
suprimindo amplamente a foto branqueamento e a fotodegradação. A excelente 
fotoestabilidade torna as nanopartículas de sílica dopada com corante vantajosas para 
aplicações que requerem alta intensidade ou excitações prolongadas (Yan et al., 2007). A 
química rica em sílica (por exemplo, química do silano) também ajuda a futuras modificações 
de superfície de cátion e conjugação. ​A alta condutividade ao longo do comprimento faz com 
que os CNTs sejam materiais de eletrodos. Como resultado, as CNTs podem facilitar a 
detecção eletroquímica promovendo elétrons interações de transferência (McCreery, 2008). 
Eles foram incorporados aos eletrodos via aleatória ou revestimento alinhado ou usado como 
um único eletrodo CNT (Yang et al.,2010b). Os CNTs são semicondutores podem ser usados 
​​no transistor de efeito de campo em nanoescala (Heller et al., 2008). Além das excelentes 
propriedades eletrônicas, a alta capacidade de adsorção das CNTs aumenta a sensibilidade de 
detecção (Collins et al., 2000). O maior desafio para os sensores baseados em CNT é a sua 
heterogeneidade. A separação do SWNT metálico e semicondutor tem sido extensivamente 
estudado, mas ainda longe de ser perfeito. A produção e processos de purificação de CNTs 
geralmente introduzem impurezas, contaminantes e até degradação da estrutura da CNT. 
Portanto, melhor síntese, purificação e separação são necessárias para produzir CNTs mais 
homogêneos. Embora a maioria desses nanosensores possua excelente fotoestabilidade e 
sensibilidade, a ligação inespecífica ainda é uma grande desafio para sua aplicação em água e 
efluentes. Estratégias para reduzir a ligação não específica e prevenir agregação indesejável 
de nanopartículas está em necessidade crítica. 
 
2.5.2 Rastrear detecção de contaminantes 
Na detecção de traços de contaminantes orgânicos ou inorgânicos, os nanomateriais 
podem ser usados ​​tanto na concentração o quanto na detecção. As CNTs têm grande 
potencial para análise ambiental de traços poluentes orgânicos ou metálicos, pois oferecem 
alta capacidade de adsorção e taxa de recuperação, além de cinética rápida, conforme 
discutido em Seção 2.1.1. Os fatores de pré-concentração para íons metálicos foram 
encontrados entre 20 e 300 com rápida adsorção cinética (Duran et al., 2009). As CNTs 
também têm sido extensivamente estudadas para pré-concentração de uma variedade de 
compostos orgânicos, muitos dos quais foram feitos em amostras reais de água (Cai et al., 
2003). A adsorção de espécies carregadas em CNTs resulta em mudanças de condutância, 
fornecendo a base para a correlação entre a concentração do analito e a flutuação da corrente 
(Mauter e Elimelech, 2008). Outros nanomateriais como nano-Au e QDs também sido usado. 
Nano-Au foi usado para detectar pesticidas em ppb níveis em um ensaio colorimétrico (Lisha 
et al., 2009); Modificado demonstrou que o nano-Au detecta rapidamente Hg+2 e CH3H comalta sensibilidade e seletividade (Lin e Tseng, 2010). QD nanotubos de TiO2 modificados 
diminuíram os limites de detecção de HAP por litro com base na fluorescência e transferência 
de energia de ressonância (Yang et al., 2010a). Um nanossensor com base em CoT QDs 
imobilizados em um eletrodo de carbono vítreo. Foi relatado que a superfície detecta o 
bisfenol A na água em concentrações tão baixas quanto w10 nM em 5 s (Yin et al., 2010). 
 
2.6 Dispositivos multifuncionais 
O avanço dos nanomateriais funcionais e sua convergência com as tecnologias 
convencionais trazem oportunidades de projetar uma nova família de dispositivos 
multifuncionais de tratamento de água com capacidade nanotecnológica capazes de executar 
várias tarefas em um dispositivo. Tais sistemas multifuncionais podem melhorar o 
desempenho geral e evitar redundância excessiva, miniaturizando a área ocupada. Portanto, o 
conceito multifuncional é especialmente vantajoso em aplicações descentralizadas e em 
pequena escala. Diferentes nanomateriais funcionais podem ser integrados a uma plataforma 
comum com base nos requisitos de tratamento. Ao lado das nanopartículas magnéticas, as 
membranas são uma plataforma boa e extensivamente estudada para construir dispositivos 
multifuncionais. Notavelmente, as nanofibras têm chamado muita atenção como um 
excelente transportador nanomaterial. Devido ao alto desempenho, tamanho reduzido e 
design modular dos dispositivos habilitados para nanotecnologia, prevê-se que diferentes 
funcionalidades podem ser montadas em camadas de cartuchos ou módulos dispostos em 
série, permitindo a otimização / regeneração de cada funcionalidade separadamente (Qu et al., 
2013). A capacidade e funcionalidade dessa nanotecnologia permite que o sistema possa ser 
facilmente manipulado pela associação ou desassociação das unidades modulares. 
 
3. Retenção e reuso de nanomateriais 
A retenção e reutilização de nanomateriais é um aspecto essencial do design de 
dispositivos ativado por nanotecnologia devido ao custo e preocupações de saúde pública. 
Geralmente, isso pode ser alcançado aplicando-se dispositivos de separação ou nanomateriais 
imobilizadores no sistema de tratamento. Um processo de separação promissor é a filtração 
por membrana que permite operação contínua com uso químico. As membranas cerâmicas 
são mais vantajosas do que as membranas poliméricas em processos fotocatalíticos ou em 
aplicações de ozonização catalítica, pois são mais resistentes a UV (Chin et al., 2006) e 
oxidantes químicos. As partículas suspensas na água receptora são prejudiciais para os 
sistemas híbridos de membrana do reator, pois podem ser retidas pela membrana e reduzir 
significativamente a eficiência da reação. Assim, o pré-tratamento da água bruta é geralmente 
necessário para reduzir a turbidez. Os nanomateriais também podem ser imobilizados em 
vários plataformas como resinas e membranas para evitar mais separação. No entanto, as 
técnicas atuais de imobilização geralmente resultam em perda significativa da eficiência do 
tratamento. Pesquisas são necessárias para desenvolver métodos simples e de baixo custo 
para imobilizar nanomateriais sem impactar significativamente seu desempenho. Para 
nanopartículas/ nanocompósitos magnéticos, campo baixo e a separação magnética é uma 
opção possível com eficiência energética. Pouco se sabe sobre a liberação de nanomateriais 
de dispositivos habilitados para nanotecnologia. No entanto, espera-se que o potencial de 
liberação seja amplamente dependente da técnica de imobilização e do processo de separação 
empregado. Se não ocorre a separação a jusante, nanomateriais revestidos em as superfícies 
do sistema de tratamento têm maior probabilidade de serem liberados de maneira 
relativamente rápida e completa, enquanto nanomateriais incorporados em uma matriz sólida 
terão liberação mínima até que são descartados. Para nanomateriais que liberam metal, sua 
dissolução precisa ser cuidadosamente controlada (por exemplo, por revestimento ou 
otimização de tamanho e forma). A detecção de liberação de nanomateriais é um grande 
obstáculo técnico para riscos avaliação e permanece desafiador. Detalhes sobre técnicas de 
detecção estão além do escopo deste artigo e os leitores são encaminhados para várias 
resenhas recentes sobre esse tópico (da Silva et al., 2011; Tiede et al., 2008). Poucas técnicas 
podem detectar nanomateriais em matrizes aquosas complexas e são geralmente sofisticadas, 
caras e com muitas limitações. Técnicas analíticas nanomateriais rápidas, sensíveis e seletivas 
estão em grande necessidade. 
 
4. Entraves e necessidades para pesquisa 
Embora os processos de tratamento de água/efluentes permitidos pela nanotecnologia 
tenham mostrado grande promessa em laboratório, sua prontidão para comercialização varia 
muito. 
Alguns já estão no mercado, enquanto outros exigem pesquisas significativas antes de 
serem considerados para uma escala completa formulários. Seu futuro desenvolvimento e 
comercialização enfrentam uma variedade de desafios, incluindo obstáculos técnicos, relação 
custo-benefício e possíveis riscos ambientais e humanos. Existem duas principais 
necessidades de pesquisa para aplicações em larga escala de nanotecnologia no tratamento de 
água / esgoto. Primeiro, o desempenho de várias nanotecnologias no tratamento das águas 
naturais e residuais precisam ser testadas. Estudos futuros precisa ser feitos sob condições 
mais realistas para avaliar a aplicabilidade e eficiência de diferentes nanotecnologias como 
bem para validar as tecnologias de detecção de nanomateriais habilitados. Em segundo lugar, 
a eficácia a longo prazo dessas nanotecnologias é amplamente desconhecida, pois a maioria 
dos estudos de laboratório foi realizada por um período relativamente curto. Pesquisas 
abordando a desempenho a longo prazo do tratamento de água e esgoto nanotecnologias estão 
em grande necessidade. Como resultado, lado a lado, a comparação de sistemas habilitados 
para nanotecnologia e tecnologias existentes é um desafio. Apesar do desempenho superior, a 
adoção de tecnologias inovadoras depende fortemente do custo-benefício e do risco potencial 
envolvido. O atual custo dos nanomateriais é proibitivamente alto, com poucas exceções, 
como nano-TiO2, óxido de íons em nanoescala e nanofibras poliméricas. Atualmente, 
existem duas abordagens para abordar a questão de custo. Uma abordagem proposta é usar 
nanomateriais de baixa pureza sem comprometer significativamente a eficiência, grande parte 
do custo de produção está relacionado à separação e purificação (Qu et al., 2013). 
Alternativamente, a relação custo-benefício pode ser aprimorada mantendo e reutilizando 
nanomateriais. Os nanomateriais possuem desafios únicos para a avaliação de riscos e 
gerenciamento, pois são pequenas partículas em vez de moléculas ou íons para os quais a 
estrutura de avaliação de risco e protocolos já estão em vigor. Melhor entendimento e 
mitigação dos riscos potenciais associados ao uso de nanomateriais no tratamento de água e 
esgoto levará a aceitação pública mais ampla, crucial para a adoção de novas tecnologias. Acompatibilidade entre as nanotecnologias mencionadas acima e os processos atuais de 
tratamento de água e esgoto e a infraestrutura também precisa ser tratada. Maior parte das 
instalações de tratamento e sistemas de distribuição nos países desenvolvidos esperados que 
permaneçam em vigor nas próximas décadas. Como resultado, é importante poder 
implementar nanotecnologia com mudanças mínimas na infraestrutura existente no curto 
prazo. Enquanto isso, os processos de tratamento via nanotecnologia podem ser empregados 
em locais onde o tratamento da água infraestrutura não existe ou em dispositivos POU. 
 
5. Observações finais 
A nanotecnologia para tratamento de água e esgoto tem ganhando impulso 
globalmente. As propriedades únicas dos nanomateriais e sua convergência com o tratamento 
atual tecnologias apresentam grandes oportunidades para revolucionar tratamento de água e 
esgoto. Embora muitas nanotecnologias destacadas nesta revisão ainda estejam em 
laboratório fase de pesquisa, alguns fizeram o seu caminho para testar os testes ou mesmo 
comercialização. Entre eles, três categorias mostra a maior promessa em aplicação em larga 
escala em um futuro próximo com base em suas etapas de pesquisa e desenvolvimento, 
disponibilidade comercial e custo dos nanomateriais envolvidos e compatibilidade com a 
infraestrutura existente: nano-adsorventes, membranas ativadas por nanotecnologia e 
nano-fotocatalisadores. Todas as três categorias têm produtos comerciais, embora não tenham 
sido aplicadas em água em grande escala ou tratamento de águas residuais. Vários outros 
tratamentos de água com nanotecnologia encontraram aplicações de nicho nos sistemas POU. 
As nanotecnologias são importantes, muitos dos desafios são talvez apenas temporários, 
incluindo obstáculos técnicos, alto custo e possíveis riscos ambientais e humanos. 
Para superar essas barreiras, a colaboração entre pesquisa e instituições, indústria, 
governo e outras partes interessadas é essencial. É nossa convicção que o avanço da 
nanotecnologia por deve tomar sua direção enquanto pode fornecer continuamente soluções 
robustas para nossos desafios de tratamento de água/esgoto, tanto incrementais quanto 
revolucionários.