Nanotecnologia

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Nanotecnologia para tratamento de águas contaminadas
INTRODUÇÃO
A água é um recurso essencial para toda a vida na Terra, com cerca de 70% da superfície terrestre coberta por ela. No entanto, apenas uma pequena fração dessa água é acessível para uso humano, com a maior parte sendo água salgada ou presa em geleiras e calotas polares. O acesso à água limpa é um desafio global, com milhões de pessoas em todo o mundo ainda sem acesso a fontes adequadas de água potável. A escassez de água e a contaminação das fontes naturais são agravadas pelas atividades humanas, incluindo a industrialização rápida e o uso generalizado de produtos químicos, o que resulta na identificação de novos contaminantes, como metais pesados, radionuclídeos e contaminantes emergentes.
As técnicas convencionais de tratamento de água, como destilação, coagulação-floculação e filtração, muitas vezes não são capazes de remover completamente esses contaminantes emergentes. Alem disso 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. Portanto, são necessários métodos de tratamento mais avançados, como processos oxidativos avançados, adsorção e filtração, e métodos de detecção e monitoramento melhores. A seleção cuidadosa do método de tratamento e dos materiais utilizados é crucial para garantir a eficiência e a viabilidade econômica do processo. Além disso, é importante considerar a reutilização dos materiais e a sustentabilidade ambiental ao escolher o método de tratamento de água.
Os avanços recentes na nanotecnologia oferecem novas oportunidades para o desenvolvimento de sistemas de abastecimento de água de última geração, que podem ser mais eficientes e sustentáveis. Por exemplo 
A área superficial dos materiais nano adsorventes é significativamente superior à dos adsorventes tradicionais, variando de 10 a 1000 vezes maior. Essa diferença notável se deve à estrutura única dos nanomateriais, caracterizada por:
Alta porosidade: Possuem poros minúsculos em sua estrutura, aumentando drasticamente a área superficial disponível para adsorção. Tamanho de partícula nanométrico: As nanopartículas, com diâmetros menores que 100 nanômetros, proporcionam uma maior superfície de contato com o adsorvente. Aumentando a capacidade de adsorção e a eficiência do processo. Isto também é valido para os nano materiais aplicados aos outros processos como nanofiltração e nanocatalisadores.
 Esses avanços prometem melhorar significativamente a qualidade da água tratada e reduzir os impactos negativos da contaminação ambiental. 
.No entanto, é essencial continuar investindo em pesquisa e desenvolvimento para aproveitar todo o potencial dessas tecnologias inovadoras e garantir um futuro sustentável para o abastecimento de água.
DESENVOLVIMENTO
NANOMATERIAIS
Segundo a normativa ISO TS 27687, publicada em 2008,6 são considerados nanomateriais os objetos que possuem ao menos uma de suas dimensões na escala nanométrica (1-100 nm). 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.
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.
 	ADSORVENTES A BASE DE CARBONO
Nanomateriais de carbono preparados a partir do elemento mais abundante, o carbono, são amplamente utilizados na purificação da água. Esses nanomateriais de carbono têm a capacidade de regeneração, através da qual a capacidade de adsorção do carbono gasto pode ser recuperada, determinando assim a aplicação econômica do carvão ativado.
A descoberta do primeiro fulereno em 1985 abriu um novo horizonte para a síntese de nanotubos de carbono (CNTs) Devido às suas ligações de hidrogênio, interações hidrofóbicas, trocas iônicas, interações eletrostáticas com os poluentes de águas residuais, os CNTs têm despertado considerável interesse nos últimos anos. Os pesquisadores estão agora focados na incorporação de CNTs em vários dispositivos devido à sua excelente capacidade de adsorção de poluentes orgânicos e inorgânicos. Para melhorar as propriedades dos CNTs, às vezes eles são misturados com outros metais, o que aumenta o número de grupos oxigênio, nitrogênio ou outros na superfície dos CNTs, o que melhora sua dispersibilidade e resulta na melhoria de sua área superficial específica
As CNTs mostraram maior eficiência do que carvão ativado na adsorção de vários
produtos químicos orgânicos (Pan e Xing, 2008) devido às diversas interações contaminantes-CNT
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% Além disso, a
capacidade de adsorção permanece relativamente estável após a regeneração
	ADSORVENTES A BASE DE METAL
Os nanomateriais de ferro são amplamente utilizados no tratamento de águas residuais. O tratamento feito utilizando nanomateriais de ferro é principalmente baseado na reação de desalogenização redutiva. As nanopartículas de ferro são economicamente viáveis e, ao reagirem com contaminantes, são convertidas em hidróxidos que funcionam como floculante, usado na remoção de contaminação inorgânica e orgânica.
A capacidade de sorção forte, a facilidade de operação, a versatilidade e a disponibilidade têm atraído a atenção para o uso de nanomateriais de óxido de ferro no tratamento de águas residuais. Magnetita, maghemita e hematita não magnética são as formas mais comuns de óxidos de ferro [44]. As propriedades físicas dos contaminantes na água podem ser influenciadas pelo magnetismo, que é uma propriedade excepcional que auxilia na purificação da água. Quando a separação magnética é combinada com a adsorção, ela tem sido extensivamente usada no tratamento da água e na limpeza do ambiente. Os nanomateriais de óxido de ferro, ao absorverem a luz visível, podem atuar como bons fotocatalisadores. A geração de pares elétron-buraco através da estreita lacuna de banda é atribuída à atividade fotocatalítica dos nanomateriais de óxido de ferro. Nano-adsorventes de óxido metálico podem ser facilmente regenerados alterando o
pH da solução Contudo, capacidade de adsorção reduzida após a regeneração também são
relatados
A alta capacidade de adsorção, baixo custo, a
fácil separação e regeneração tornam os nano-adsorventes à base de metal tecnologicamente e
economicamente vantajosos.
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 separaçãoadicional 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.
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 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. 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.
Na NF, a força motriz é o gradiente de pressão. Com propriedades entre as da ultrafiltração (UF) e osmose reversa (OR), as membranas de NF possuem tamanho de poro tipicamente de 1 nm que corresponde ao peso molecular de corte de 300-500 Da (ALEXSANDROVA, 2006). Semelhantes às membranas e OR, as membranas de NF são eficazes na separação de sais inorgânicos e pequenas moléculas orgânicas. As características principais que diferem as membranas de NF em relação as membranas de osmose reversa (OR), são baixos índices de rejeição a íons monovalentes, alta rejeição a íons bivalentes e maior fluxo comparado com as membranas de OR
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)
 As nanofibras resultantes apresentam elevada área de superfície e
porosidade específica, formando tapetes de nanofibras com poros de estrutura complexa 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 nanocompostos
Um número significativo de estudos sobre 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). principal objetivo da
adição de óxido metálico hidrofílico às nanopartículas é reduzir a incrustação através do
aumento da hidrofilia da membrana. 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 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
(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.
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. 
Uma das principais causas da cinética de
reação lenta do TiO2 que na fotocatálise é a rápida recombinação de e/ h+. A
dopagem de metais nobres pode reduzir a 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).
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
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. 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 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
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
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.
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
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
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). Os nanomateriais melhoram a sensibilidade e velocidade de
detecção e alcance a detecção de alvos
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.
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. A detecção de liberação de nanomateriais é um grande
obstáculo técnico para riscos avaliação e permanece desafiador 
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
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. 
As nanotecnologias são importantes, muitos dos desafios são talvez apenas temporários,
incluindo obstáculos técnicos, alto custo e possíveis riscos ambientais e humanos, como A detecção de liberação de nanomateriais.
Para superar essas barreiras, a colaboração entre pesquisa e instituições, indústria,
governo e outras partes interessadas é essencial. 
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