Todo mundo estava errado sobre a osmose reversa - até agora

Max G. Levy

Menachem Elimelech nunca fez as pazes com a osmose reversa. Elimelech, que fundou o programa de engenharia ambiental de Yale, é uma espécie de estrela do rock entre aqueles que desenvolvem sistemas de filtragem que transformam água do mar ou águas residuais em água potável. E a osmose reversa é uma estrela do rock entre as tecnologias de filtro: ela dominou a maneira como o mundo dessaliniza a água do mar por cerca de um quarto de século. No entanto, ninguém sabia realmente como funcionava. E Elimelech odiava isso.

Ainda assim, ele teve que ensinar a tecnologia para seus alunos. Por muitos anos, ele mostrou a eles como estimar as altas pressões que empurram as moléculas de água na água do mar através de uma membrana plástica de poliamida, criando água pura de um lado do filme e deixando uma salmoura extra-salgada do outro. Mas esses cálculos se baseavam em uma suposição que incomodava Elimelech e outros engenheiros: que as moléculas de água se difundem pela membrana individualmente. "Isso sempre me incomodou. Não faz o menor sentido", diz.

Isso pode parecer uma questão misteriosa de engenharia, mas a treta de Elimelech com osmose reversa é baseada em um problema do mundo real. Mais de 3 bilhões de pessoas vivem em áreas onde a água é escassa. Até o ano de 2030, a demanda deverá superar a oferta em 40%.

E transformar a água dos mares salgados em algo potável sempre consumiu muita energia. Usinas de dessalinização térmica mais antigas nos Estados do Golfo – onde a energia é abundante – destilam a água do mar fervendo-a e capturando o vapor. Uma nova geração de usinas de dessalinização por osmose reversa, que fazem a água passar por uma série de membranas plásticas, reduziu um pouco a demanda de energia, mas não é suficiente. Ainda é preciso muita energia para empurrar a água através de filtros densos, portanto, mesmo pequenas melhorias no design da membrana percorrem um longo caminho.

Em um estudo publicado em abril, a equipe de Elimelech provou que a hipótese antes frustrante sobre como a água se move através de uma membrana é, de fato, errada. Eles a substituem por uma teoria de "fricção de solução" de que as moléculas de água viajam em grupos através de poros minúsculos e transitórios dentro do polímero, que exercem fricção sobre elas à medida que passam. A física dessa fricção importa, porque entendê-la pode ajudar as pessoas a projetar materiais ou estruturas de membrana que tornem a dessalinização mais eficiente ou melhor na triagem de produtos químicos indesejáveis, diz Elimelech.

Membranas mais eficazes também poderiam melhorar os sistemas municipais de água e expandir o alcance da dessalinização. "Este é um daqueles grandes avanços", diz Steve Duranceau, engenheiro ambiental da Universidade da Flórida Central, que passou 15 anos projetando usinas de dessalinização antes de se tornar professor. “Isso mudará a maneira como as pessoas começam a modelar e interpretar como projetar esses sistemas”.

Lauren Goode

Julian Chokkattu

Will Knight

"Eles acertaram em cheio", concorda Eric Hoek, um engenheiro ambiental da UCLA que treinou com Elimelech há 20 anos, mas não esteve envolvido no estudo. "Finalmente, alguém colocou o prego no caixão."

As raízes da nova ideia de solução de atrito são, na verdade, antigas. A matemática molecular por trás disso data das décadas de 1950 e 1960, quando os pesquisadores israelenses Ora Kedem e Aharon Katzir-Kachalsky e o pesquisador da UC Berkeley Kurt Samuel Spiegler derivaram equações de dessalinização que consideravam o atrito - ou seja, como a água, o sal e os poros na membrana plástica Interagir um com o outro.

Atrito é resistência. Neste caso, diz-lhe o quão difícil é para algo atravessar a membrana. Se você projetar uma membrana que tenha menos resistência à água e mais resistência ao sal ou qualquer outra coisa que queira remover, obterá um produto mais limpo com potencialmente menos trabalho.

Mas esse modelo foi arquivado em 1965, quando outro grupo introduziu um modelo mais simples. Este assumiu que o polímero plástico da membrana era denso e não tinha poros por onde a água pudesse correr. Também não sustentava que o atrito desempenhava um papel. Em vez disso, presumiu que as moléculas de água em uma solução de água salgada se dissolveriam no plástico e se difundiriam do outro lado. Por esse motivo, isso é chamado de modelo de "difusão de solução".