Pesquisadores usam método de tratamento de água para capturar ácidos de resíduos agrícolas

UNIVERSITY PARK, PA — Com destino ao aterro, os resíduos agrícolas contêm fontes de carbono que podem ser usadas para produzir compostos de alto valor, como o ácido p-cumárico, usado na fabricação de produtos farmacêuticos. A eletrodeionização, um método de separação que usa membranas de troca iônica, é uma maneira de capturar os ácidos e outros componentes úteis. No entanto, para capturar grandes quantidades em escala, melhorias no método devem ser feitas.

Uma equipe de pesquisa liderada pela Penn State inventou uma nova classe de conjuntos de wafer de membrana de troca iônica que melhora significativamente a capacidade da eletrodeionização de capturar ácido p-cumárico de misturas líquidas, usando menos energia e economizando dinheiro.Os pesquisadores publicaram seus resultados em Engenharia Química Sustentável da ACS. O artigo deles também foi selecionado para a capa da revista em 23 de janeiro.

Comercializada pela primeira vez para purificar a água, a eletrodeionização tem sido usada para capturar componentes valiosos de fluxos de resíduos nos últimos anos. No processo, um fluxo de mistura líquida é alimentado através de uma pilha de várias membranas de troca iônica e pastilhas de resina, que se assemelham a uma esponja e são mantidas juntas com um adesivo de polímero. Quando a eletricidade é aplicada, os íons no líquido se movem pela pilha e o ácido p-cumárico se separa em um fluxo de processo concentrado, onde pode ser coletado.

"Para melhorar o processo, tivemos que melhorar o wafer de resina", disse o autor correspondente Chris Arges, professor associado de engenharia química da Penn State. "Anteriormente, as membranas ensanduichavam a esponja do wafer de resina com um adesivo de polietileno, que atualmente é usado na indústria como 'cola' de resina, mas isso levava a um contato ruim entre a membrana e o wafer de resina. Substituímos o polietileno por ionômero de imidazólio, um tipo de polímero, e colou uma membrana de imidazólio no topo do wafer de resina."

Ao colar a membrana ao wafer, os pesquisadores reduziram a quantidade de membrana necessária em 30%, reduzindo o custo da unidade de eletrodeionização. O novo design também reduziu a resistência interfacial entre a membrana e o wafer, já que as mesmas químicas de membrana e aglutinante foram coladas em vez de assentadas em cima e embaixo da esponja com espaços de ar. A redução da resistência levou a um aumento na taxa de captura do ácido p-cumárico, permitindo que os pesquisadores usassem uma unidade menor.

"Sabíamos que o novo material estava capturando mais ácido p-cumárico, mas não tínhamos certeza do porquê", disse Arges. "Nosso colaborador Revati Kumar fez simulações para descobrir por que funcionou melhor."

Kumar, professor associado de química na Louisiana State University, descobriu que o imidazólio aumenta a solubilidade do ácido p-cumárico e estimula uma difusão mais rápida dentro do material.

"Multiplicados juntos, a solubilidade e a difusão igualam a permeabilidade, ou a rapidez com que removemos o ácido à medida que ele viaja através da rede de wafer de resina de membrana para o compartimento de concentrado", disse Arges.

Arges comparou a permeabilidade com a taxa de viajantes que passam por uma linha de segurança do aeroporto. À medida que mais pontos de verificação de segurança são adicionados, mais pessoas podem se mover pela linha, aumentando a permeabilidade da linha.

O aumento da permeabilidade, portanto, diminui as chances de o ácido p-cumárico se ligar aos materiais do wafer de membrana-resina, conhecido como incrustação, em vez de se mover através da membrana.

"O conjunto de wafer de resina de membrana de imidazólio promove o fluxo de ácido p-cumárico através da membrana, o que é um problema quando outros materiais, como polietileno, são usados", disse Arges.

Quando comparada com a configuração atual do wafer de resina, a nova configuração de membrana e os materiais resultam em um aumento de sete vezes na captura de ácido p-courmarico enquanto usam 70% menos energia, de acordo com os pesquisadores. Os novos conjuntos também diminuem a quantidade de membrana utilizada no processo, resultando em significativa economia de custos.

Os colaboradores de Arges no Argonne National Laboratory solicitaram uma patente para a nova tecnologia de montagem de wafer de membrana.