PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM BIOCIÊNCIAS FORENSES
Aplicação da Nanotecnologia Como Técnica e Controle, Monitoramento e Remediação
da Poluição Química da Água
Laura Maria Silva Magalhães 1
Alex Fabiano Cortez Campos 2
1
Bacharel e Licenciada em Ciências Biológicas pela Universidade de Brasília. Analista Ambiental do IBAMA,
Coordenadora Substituta de Ferrovias e Rodovias da Diretoria de Licenciamento Ambiental do IBAMA; Aluna
de especialização em Biociências Forenses IFAR/PUC
2
Doutor em Físico-Química; Professor adjunto da Faculdade UnB–Planaltina/ Universidade de Brasília;
[email protected]
Resumo
Numa realidade de conflitos cada vez mais constantes pelo uso de recursos hídricos, as nanotecnologias têm se
tornado uma ferramenta importante em atividades de remediação, controle e monitoramento de água. A
nanotecnologia estende a ciência de materiais para o domínio de partículas e interfaces com dimensões
extremamente pequenas, da ordem de um a cem nanômetros. Partículas nesta escala de tamanho
(nanopartículas) apresentam uma grande relação superfície/volume e, em decorrência, possuem propriedades
mecânicas, ópticas, magnéticas e químicas distintas daquelas de partículas em escala macroscópica. Avanços
em ciência e em engenharia de nanoescala estão fornecendo oportunidades sem precedentes para desenvolver
mais processos de purificação de água econômica e ambientalmente aceitável.
Neste trabalho serão apresentadas algumas aplicações da nanotecnologia para o controle, monitoramento e
remediação da água contaminada por poluentes químicos, bem com das vantagens de desvantagens do uso da
nanotecnologia para esta finalidade.
Palavras-chave: Nanotecnologia, contaminação, poluentes químicos, remediação, água
Application of Nanotechnology as Technical Control, Monitoring and Remediation of
Water Chemical Pollution
Abstract
A reality of increasingly constant conflicts with the use of water resources, the nanotechnology has become
increasingly used at the remediation activities, control and monitoring of water. The nanotechnology area
inserts in to materials science for the domain of particulates and interfaces with extremely small dimensions, the
order of one hundred nanometers. Particles in this size range (nanoparticles) feature a large surface/volume ratio
and, in consequence, have mechanical properties, magnetic, optical or chemical properties different from those
of particles on macroscopic scale. Advances in science and engineering of nanoscale are providing
unprecedented opportunities to develop more water purification processes economically and environmentally
acceptable.
This work will be presented some applications of nanotechnology for the control, monitoring and remediation
of contaminated water by chemical pollutants as well as the advantages of disadvantages of using
nanotechnology to this purpose.
Key-words: Nanotechnology, contamination, chemical pollutants, remediation, water
1. Introdução
A água descontaminada, ou seja, livre de agentes patogênicos e substâncias químicas
tóxicas, é essencial para a saúde humana. Também é matéria-prima essencial em uma
variedade de indústrias estratégicas incluindo eletrônica, produtos farmacêuticos e alimentos.
Neste contexto, o mundo vem enfrentando um enorme desafio: de um lado está a crescente
demanda por qualidade e quantidade de água limpa; de outro está a carência cada vez maior
de fontes disponíveis de água doce.
Essa menor disponibilidade de água descontaminada pode ser justificada por alguns
fatores, dentre eles: o aquecimento global e a ocorrência de períodos de secas prolongados;
população em crescimento; competição por demandas de uma variedade de usuários e
tratamento e/ou destinação inadequada de resíduos.
Como agravante aos fatores indicados acima, podemos citar ocorrências frequentes de
acidentes de grande porte com poluentes químicos, como o derramamento de Petróleo em
grande escala, no golfo do México, em 2010.
Na tentativa de reverter este quadro e atender à demanda crescente por água
descontaminada, o Estado e a comunidade científica testam o emprego de novas tecnologias
e a elaboração de normas cada vez mais rigorosas para o controle e monitoramento da
qualidade da água.
No Brasil, a obrigatoriedade da preservação da qualidade da água em todo o território
nacional acha-se estabelecida na Constituição Federal de 1988, como conseqüência do Art.
225, que estabelece o preceito da proteção ao meio ambiente. Em seu Art. 23, deixa clara a
competência supletiva dos Estados e Municípios para “proteger o meio ambiente e combater
a poluição em qualquer das suas formas” (Branco, 1992).
A Lei N° 6.938, de 31 de agosto de 1981, conhecida como Política Nacional do Meio
Ambiente, tem como um de seus instrumentos “o estabelecimento de padrões de qualidade
ambiental” e a Lei Nº 9.433, de 08 de janeiro de 1997, denominada Política Nacional de
Recursos Hídricos, tem como principal instrumento “o enquadramento de corpos de água em
classes, segundo seus usos preponderantes da água” (Lanna, 2004).
O enquadramento de corpos de água em classes, previsto na Resolução CONAMA Nº
357/05, é o instrumento de planejamento que estabelece metas para garantir à água o nível de
qualidade correspondente a uma classe, a ser alcançada e mantida, e que possa assegurar o
uso preponderante para um segmento de corpo hídrico.
No entanto, além de elaboração de leis e normas ambientais, urge a necessidade de
aplicação de tecnologias cada vez mais eficientes, capazes, com maior rapidez e menores
custos, de detectar, quantificar e remediar a contaminação da água em casos de poluição
química.
Algumas das técnicas mais recentes para realizar o monitoramento da qualidade da
água envolvem nanotecnologias. Segundo Quina (2004), a nanotecnologia estende a ciência
de materiais para o domínio de partículas e interfaces com dimensões extremamente
pequenas, da ordem de um a cem nanômetros. Partículas nesta escala de tamanho
(nanopartículas) apresentam uma grande relação superficie/volume e, em decorrência,
exibem frequentemente propriedades mecânicas, ópticas, magnéticas e químicas distintas
daquelas de partículas em escala macroscópica.
Avanços em ciência e em engenharia de nanoescala estão fornecendo oportunidades
sem precedentes para desenvolver mais processos de purificação de água econômica e
ambientalmente aceitável (Savage e Diallo, 2005).
A maioria das aplicações ambientais da nanotecnologia se enquadra em três categorias:
(i) dos ambientalmente benignos e/ou produtos sustentáveis (por exemplo, química verde ou
prevenção à poluição), (ii) a remediação de materiais contaminados com substâncias
perigosas e (iii) sensores para agentes ambientais. Embora estas três categorias sejam
geralmente interpretadas em termos de substâncias químicas ou materiais não biológicos,
deve-se notar que eles também se aplicam aos agentes microbianos e materiais biológicos.
Em particular, as nanotecnologias desempenham um grande papel nos esforços atuais para
desenvolver melhores métodos para detecção e descontaminação de agentes químicos e
biológicos prejudiciais, que são – em muitos aspectos – questões ambientais (Tratnyek e
Johnson, 2006).
Inserido neste contexto, o presente trabalho objetiva, por um lado, discutir as
aplicações das nanotecnologias como técnicas de controle, monitoramento e remediação da
poluição química da água, com base em três artigos científicos de periódicos de importante
fator de impacto. Por outro lado, trata ainda da importância e das vantagens e desvantagens
da utilização destas técnicas, ainda pouco empregadas no Brasil, para o monitoramento e a
remediação da qualidade da água.
2. Aplicação da Nanotecnologia Como Técnica de Controle, Monitoramento e
Remediação da Poluição Química da Água
A crescente demanda de água tem gerado grandes conflitos e uma necessidade cada vez
maior de utilização de tecnologias mais baratas e eficazes para o tratamento e a
disponibilização de água para o consumo.
A ocorrência de grandes acidentes, a ausência ou tratamento inadequado de efluentes e
até o risco de ataques terroristas em redes de abastecimento de água de uma população exige
o domínio de técnicas para o monitoramento, controle e remediação de corpos hídricos
contaminados.
Dentre as técnicas utilizadas, as nanotecnologias têm vantagens promissoras, uma vez
que requerem menor quantidade de matéria prima, empregam materiais com elevada
reatividade, devido a maior superfície de contato com os reagentes e, portanto, apresentam
maior eficiência para alcance e tratamento dos poluentes químicos em recursos hídricos.
Avanços em nanociência sugerem que muitos dos problemas atuais que envolvem a
qualidade da água poderiam ser resolvidos ou mitigados pela utilização de nanosorbentes,
nanocatalisadores, nanopartículas bioativas, membranas nanoestruturadas catalíticas e
filtração reforçada de nanopartículas, entre outros produtos e processos resultantes do
desenvolvimento da nanotecnologia. Inovações no desenvolvimento de novas tecnologias
para dessalinizar água estão entre os mais promissores. Além disso, como a nanotecnologia
permite a elaboração de materiais que reduzem as concentrações de compostos tóxicos para
níveis de sub-ppb, ela se constitui em uma ferramenta poderosa que pode ajudar tanto no
alcance dos padrões de qualidade de água quanto como alerta de saúde pública (Savage e
Diallo, 2005).
O documento entitulado “Removal of Petrochemical from Water Using Magnetic
Filtration”, de (Apblett et al, 2001), comparou a eficiência da nanotecnologia de filtração
magnética com outras técnicas convencionais, tais como extratores magnéticos, incluindo
carbono ativado/magnetita ou compósitos de ferrita de níquel e ferro revestido por polímero,
além de pós de óxidos de ferro, visando ao desenvolvimento de sistemas de componente
único para uso como filtração magnética. Essa proposta está baseada em materiais
magnéticos que podem adsorver contaminantes orgânicos derivados de petróleo e permitir
sua separação da água por meio da filtração magnética
De acordo com este artigo, a separação magnética foi desenvolvida como um processo
de recuperação e controle da poluição para muitos problemas ambientais e industriais,
incluindo tratamento de resíduos radioativos da água; efluentes de siderúrgicas;
dessulfurização de carvão; separação de minérios e resíduos de mineração; processamento de
argila, e purificação de água potável e filtração de água de resfriamento em reatores
nucleares.
Segundo os autores, a aplicação eficiente da filtragem magnética para descontaminação
do petróleo e as operações de tratamento de resíduos é atraente porque pode fornecer rápida
remoção de contaminantes aquosos de rejeitos. Isso, juntamente com a capacidade de ativar e
desativar o filtro por via eletrônica (evitando qualquer necessidade de contato mecânico),
permite a minimização da exposição dos trabalhadores aos agentes nocivos. No entanto, uma
vez que a maioria dos contaminantes de interesse para a indústria de petróleo não são
magnéticos, um material adsorvente deve ser desenvolvido para fixar os contaminantes e
permitir sua separação magnética.
Sendo assim, o objetivo da pesquisa relatada foi o desenvolvimento de nanosorbentes
magnéticos, isto é, materiais magnéticos nanoestruturados com potencial para adsorver
contaminantes, no caso derivados de petróleo, e permitir sua separação da água através da
filtração magnética. Essa adsorção é similar à usada para o tipo mais comum de extratores
magnéticos de íons metálicos, na qual um filtro magnético é disperso em uma resina
polimérica de troca iônica (Apblett et al, 2001).
O carbono ativado tem uma longa história como adsorvente de contaminantes
inorgânicos, compostos orgânicos voláteis, clorocarbonos, dentre outros. Assim, a conversão
de carbono ativado em um material magneticamente ativo proporcionaria um avanço para a
filtração magnética. Apblett et al (2001) relataram um método de preparação de carbono
poroso que foi carregado com partículas de ferro. O uso desse material como carreador
magnético proporcionou, por exemplo, a vetorização de medicamentos para órgãos ou
tumores. Assim, com base nesses resultados, materiais similares foram preparados utilizando
óxidos de ferro depositados em carbono.
O compósito de carbono magneticamente ativado poderia ser disperso como um pó
fino extremamente reativo que adsorveria produtos petrolíferos com cinética reforçada em
relação ao material granular usado em colunas e, assim, o pó poderia ser rapidamente
separado do fluxo aquoso por filtração magnética. Neste fim, o compósito magnético foi
preparado por um novo processo em que foi sintetizada magnetita ou ferrita de níquel
impregnados de carbonos ativados (Apblett et al, 2001).
Segundo os autores, a separação de emulsões de óleo/água também pode ser obtida
utilizando-se extração magnética. A superfície externa do extrator possui uma forte afinidade
com o petróleo, bem como com as cadeias hidrofóbicas de qualquer superfície que possa
estar presente. Desta forma, seria possível a formação de micelas de óleo/surfactantes ligadas
fortemente a esses extratores, possibilitando assim, a separação da água por meio da
aplicação de um campo magnético. Este método representa uma potencial alternativa a outros
métodos de separação de emulsões, tais como filtros de aglutinação, além de fornecer
economia considerável de tempo e dinheiro para a indústria petrolífera.
Assim, segundo Apblett e colaboradores (2001), com o objetivo de desenvolver um
método fácil para preparar compósitos de carbonos magneticamente ativos, foram realizados
testes com diferentes extratos magnéticos com vistas a comparar sua eficiência.
Difratogramas de raios X obtidos pelo método do pó confirmaram a preparação da magnetita
nanocristalina, enquanto resultados de espectroscopia de infravermelho comprovaram a
presença de uma fase em carbono ativo no compósito. Um procedimento semelhante usando
gluconato de níquel/gluconato de ferro (II) possibilitou a preparação de um compósito à base
de ferrita de níquel. Testes magnéticos indicaram que os compósitos sintetizados são
ferromagnéticos. Além disso, nenhum dos pós demonstrou qualquer magnetização remanente
na ausência de campo magnético, uma propriedade importante para que o material não sofra
aderência ao aço desmagnetizado. Além disso, no caso da magnetita, a falta de uma
magnetização de remanência comprova que as partículas sintetizadas eram suficientemente
pequenas, como se objetivava inicialmente. Os autores relatam ainda que, como esperado, o
material de ferrita contendo níquel exibiu a resposta mais forte a um campo magnético.
Um teste com o nanosorbente magnético foi realizado usando soluções aquosas de
decano com uma concentração de 104 ppm, um ponto abaixo do limite de solubilidade de
decano na água. Isso significou um desafio para a separação de extratos magnéticos, pois o
decano deveria ser adsorvido da solução e não de uma fase não aquosa, que é muito mais
fácil de separar. Como resultados, todos os nanosorbentes magnéticos removeram
quantidades significativas de decano de soluções aquosas com bom desempenho, mostrando
que compósitos de carbonos ativados e nanomateriais magnéticos funcionalizados com
polidimetilsiloxano (PDMS) são materiais bastante específicos. Em suma, os resultados
mostraram que nanosorbentes magnéticos são eficazes para a remoção de decano e, por
extrapolação, outros hidrocarbonetos, da água.
O compósito de carbono ativado com ferrita de níquel também foi testado por sua
capacidade de desmobilizar uma emulsão muito estável. Ele foi brevemente misturado com
uma emulsão e, em seguida, separado por filtração magnética. Como resultado, verificou-se
que os compósitos magnéticos foram capazes de romper o equilíbrio emulsificante, sugerindo
que a otimização do extrator magnético poderia resultar na completa separação de uma
emulsão de óleo em água. Os autores ressaltaram ainda que a emulsão usada no estudo era
extremamente estável devido à quantidade de surfactante utilizado e que, provavelmente,
exemplos do mundo real possam não ser tão desafiadores.
O artigo “Nanotechnologies for environmental cleanup”, de Tratnyek e Johnson,
(2006), trata das três categorias em que se enquadram as aplicações ambientais da
nanotecnologia, sendo estas: os ambientalmente benignos e/ou produtos sustentáveis; a
remediação de materiais contaminados com substâncias perigosas e sensores para agentes
ambientais.
Embora estas três categorias sejam geralmente interpretadas em termos de substâncias
químicas ou materiais não biológicos, deve-se notar que eles também se aplicam aos agentes
microbianos e materiais biológicos. Em particular, as nanotecnologias desempenham um
grande papel nos esforços atuais para desenvolver melhores métodos para detecção e
descontaminação de agentes biológicos prejudiciais, que são – em muitos aspectos – questões
ambientais.
Os autores esclarecem também as incertezas que ainda existem sobre as características
fundamentais desta tecnologia, que dificultaram aos engenheiros suas aplicações para
otimizar o desempenho ou para avaliar o risco para a saúde humana ou ambiental.
Segundo Tratnyek e Johnson (2001), entre as muitas aplicações da nanotecnologia que
têm implicações ambientais, a remediação de águas subterrâneas contaminadas por
nanopartículas contendo ferro zero-valente (nZVI – Zero Valent Iron Nanoparticles) é um
dos mais proeminentes exemplos de uma rápida tecnologia emergente, com consideráveis
benefícios potenciais.
Naquele trabalho foram abordadas três características fundamentais que comumente
contribuem para um mal-entendido desta tecnologia, mostrando que: (i) o nZVI usado em
remediação de águas subterrâneas é maior do que partículas que efetivamente apresentam
efeitos de tamanho nano; (ii) a maior reatividade deste nZVI é essencialmente o resultado de
sua elevada área de superfície específica; e (iii) a mobilidade de nZVI será inferior a poucos
metros em quase todas as condições relevantes. Uma implicação de sua mobilidade limitada
é que a exposição humana resultante de aplicações de remediação de nZVI é mínima.
No entanto, informou-se que existem muitas características desta tecnologia sobre a
qual muito pouco se sabe: por exemplo, quão rapidamente nZVI será transformado e para
quais produtos; se este resíduo será detectável no ambiente e como as modificações na
superfície de nZVI irão alterar sua destinação ambiental a longo prazo e a eficácia para
correção de problemas.
Segundo os autores, com relação à remediação de contaminantes ambientais, a gama de
aplicações de nanotecnologia espelha o espectro de estratégias 'não-nano' de remediação de
contaminantes. Duas das distinções importantes que definem tipos de tecnologias de
remediação convencional também se aplicam para as nanotecnologias para correção de
problemas: adsortiva versus reativa e in situ e ex situ. Tecnologias de remediação adsortiva
removem contaminantes (especialmente metais) por sequestro, enquanto tecnologias reativas
afetam a degradação de contaminantes, às vezes, a produtos completamente inofensivos (por
exemplo, CO2 e H2O em caso de contaminantes orgânicos). Tecnologias in situ envolvem
tratamento de contaminantes presentes no local, enquanto as ex-situ referem-se a tratamento
após a remoção do material contaminado para um local mais conveniente (por exemplo,
bombeamento subterrâneo de contaminante da superfície e tratamento em reatores na
superfície).
Como exemplos de nanotecnologias ex situ, os autores citaram a remediação de
contaminantes por adsorção, que pode ser ajustada de acordo com os contaminantes, como
mercúrio, cromato, arsenato, e selenito; e a ultrafiltragem com “enriquecimento” de
dendrímeros, para remover Cu(II) da água e lavagem do solo para remover contaminação por
Pb(II). Ambos os tipos de adsorventes nanoestruturados podem ser recuperados com o
concentrado de material perigoso que eles adsorverem.
Quanto ao uso da nanotecnologia para a degradação in situ de contaminantes, os
autores informaram que, quando viável, essa abordagem é preferencial sobre outras práticas
porque pode ser mais rentável. No entanto, esta prática exige o deslocamento do tratamento
até o local de contaminação e isso tem provado ser um importante obstáculo a sua utilização.
A nanotecnologia tem especial relevância devido ao seu particular potencial para
injeção de partículas de tamanho nano (reativa ou adsorção) em meios porosos
contaminados, como solos, sedimentos e aquíferos. Dessa forma, seria possível criar tanto (i)
zonas in situ reativas com nanopartículas que são relativamente imóveis; ou (ii) plumas de
nanopartículas reativas que migram para zonas contaminadas, se as nanopartículas forem
suficientemente móveis (Tratnyek e Johnson, 2006).
Apesar de uma variedade de tipos de nanopartículas poderem ser aplicáveis para
remediação in situ, destacou-se que, de longe, o maior interesse está atualmente em
nanopartículas que contêm nZVI. A aplicação de nZVI para correção deriva do potencial
para reparação química aperfeiçoada e/ou mais opções de organização que complementam a
já bem desenvolvida ciência e engenharia de remediação de contaminantes com o
'convencional' tamanho milímétrico do ZVI.
No entanto, segundo o artigo, o rápido surgimento de tecnologias de remediação
baseadas em nZVI tem obscurecido – e talvez até mesmo exacerbado – alguns equívocos
generalizados sobre os princípios fundamentais subjacentes a esta tecnologia e as
implicações práticas da sua utilização no ambiente. Esses princípios foram agrupados em três
características das nanopartículas: morfologia, reatividade e mobilidade.
A morfologia diz respeito ao regime de tamanho, já que essas moléculas e materiais,
enquanto partículas, resultam em propriedades exclusivas, ou pelo menos qualitativamente
diferentes do que as partículas maiores. Um desses exemplos é o confinamento quântico, que
surge porque a bandgap (diferença energética entre a banda de valência, e a banda de
condução em materiais isolantes, condutores ou semicondutores) aumenta à medida que
diminui de tamanho das partículas, e este efeito contribui para algumas das propriedades
úteis do tamanho nano da fotocatálise. Outra propriedade que se altera bastante é a superfície
específica. Tendências qualitativamente similares se aplicam a propriedades relacionadas
como a proporção de átomos de superfície/volume e a fração do volume da partícula
comprimida em uma camada superficial de espessura finita. Segundo os autores, mesmo sob
condições de laboratório, partículas de nZVI tendem a se agregar, produzindo aglomerados
que podem aproximar a mícrons de tamanho. Estas considerações sugerem que nZVI e
materiais relacionados que são usados em aplicações de remediação ambiental não irão exibir
as propriedades extraordinárias que se aplicam às verdadeiras partículas de tamanho nano e
se comportarão, em muitos aspectos, como colóides ambientais.
A maior reatividade que muitas vezes é atribuída às nanopartículas pode ser o resultado
da maior área de superfície total; maior densidade de sítios reativos nas superfícies de
partículas, e/ou maior reatividade intrínseca dos sítios de superfície reativas. Juntos, esses
fatores produzem três resultados operacionalmente distintos para nZVI: (i) degradação de
contaminantes que não reagem detectavelmente com partículas maiores de material similar;
(ii) degradação mais rápida dos contaminantes que já reagem com taxa útil com partículas
maiores; ou (iii) produtos mais favoráveis de contaminantes que são degradados rapidamente
por materiais maiores, mas que geram subprodutos indesejáveis. Independentemente da razão
exata para alta reatividade, esta tende a se correlacionar com a baixa seletividade, o que faz a
correção com nZVI suscetível a ineficiência por causa da reação de partículas com
substâncias não-alvos, incluindo o oxigênio dissolvido e água. Esta demanda natural,
juntamente com a demanda decorrente da reação com os contaminantes alvo, implica que
nZVI terá uma vida útil limitada em ambientes de meios porosos, potencialmente requerendo
reinjeção de nZVI e, assim, aumentando o custo do tratamento. Como alternativa, um curto
tempo de vida de nZVI in situ poderá revelar-se benéfico, limitando o potencial de exposição
indesejada em receptores abaixo do gradiente (se as partículas apresentarem grande
mobilidade) (Tratnyek e Johnson, 2006).
Já quanto à mobilidade, ainda de acordo com o trabalho de Tratnyek e Johnson (2006),
geralmente supõe-se, simplificadamente, que as nanopartículas são altamente móveis em
meios porosos porque são muito menores que os espaços dos poros. Em geral, a mobilidade
de nanopartículas em ambientes de meios porosos saturados é determinada pelo produto do
número de colisões das nanopartículas com o meio poroso por unidade de distância de
transporte, onde a probabilidade de que qualquer colisão resultará na remoção de
nanopartículas do sistema de fluxo (ou seja, o coeficiente de colagem). As colisões podem
resultar de três processos: difusão Browniana, interceptação e sedimentação gravitacional.
Para as nanopartículas, nas condições que são típicas de meios porosos ambientais, a difusão
Browniana é o processo de colisão dominante. Relatou-se, no entanto, que o coeficiente de
adesão para nZVI não modificado em diversos tipos de meios porosos varia tipicamente em
uma escala que corresponde a distâncias de transporte de apenas alguns centímetros em
meios porosos sob condições típicas das águas subterrâneas. Isto levou a grande interesse na
modificação da superfície das nanopartículas para aumentar a distância do transporte.
Menores coeficientes de adesão para estas e outras nanopartículas foram relatados, mas
mesmo estes coeficientes de adesão baixos não prevêem mobilidade nas águas subterrâneas
para mais que alguns metros, exceto quando estas escoam em velocidades muito altas e,
possivelmente, quando existem fraturas.
Sendo assim, segundo Tratnyek e Johnson (2006), a discussão sobre morfologia,
reatividade e mobilidade das nanopartículas no contexto de remediação ambiental demonstra
que a compreensão atual dos processos básicos envolvidos nesta tecnologia está ainda
incompleta e evoluindo. Além de dificultar o prosseguimento com a engenharia de
implementações em grande escala, estas incertezas dificultam a avaliação dos riscos que essa
tecnologia pode trazer à saúde humana ou ao ambientee. Especificamente com relação aos
aplicativos in situ de nZVI (ou materiais relacionados) para correção de ambientes com
meios porosos, não há ainda qualquer investigação e desenvolvimento que diretamente e
substancialmente aborda a questão do risco.
Até o momento, segundo o artigo, pode-se apenas concluir que nZVI e materiais
relacionados utilizados para aplicações de remediação in situ não são tão pequenos, reativos,
persistentes, ou móveis como a maioria dos materiais, fato que sugere o potencial de risco
humano ou ecológico.
No artigo “Nanomaterials and Water Purification: Opportunitties and Challenges”,
Savage e Diallo (2005) fornecem uma visão geral do uso de nanomateriais na purificação da
água. Destacam-se os recentes avanços no desenvolvimento de novos materiais em
nanoescala e processos de tratamento de águas superficiais, águas subterrâneas e águas
residuais industriais contaminadas por íons metais tóxicos, radionuclídeos, solutos orgânicos
e inorgânicos, bactérias e vírus. Além disso, discutem alguns desafios associados ao
desenvolvimento de nanomateriais funcionais econômica e ambientalmente aceitáveis para
purificação da água.
Para este fim, quatro classes de materiais de nanoescala estão sendo avaliados como
materiais funcionais para purificação de água: (1) nanopartículas de óxidos metálicos, (2)
nanotubos de carbono, (3) zeólitas e (4) dendrímeros. Estes têm uma ampla gama de
propriedades físico-químicas que os tornam um atrativo particular como separação e mídia
reativa para purificação de água.
As nanopartículas têm duas propriedades principais que as tornam particularmente
atraentes como sorbentes. Em termos de massa, têm áreas de superfícies muito maiores que
partículas volumosas. Além disso, as nanopartículas também podem ser funcionalizadas com
vários grupos químicos que aumentam sua afinidade por alguns poluentes, aumentando a
eficiência na sua remoção.
Em relação aos nanosorbentes, que são amplamente utilizados como meios de
separação em purificação de água para remover poluentes orgânicos e inorgânicos de água
contaminada, Savage e Diallo (2005), citaram como exemplos as propriedades exclusivas de
nanopartículas que tem capacidade 3 a 4 vezes maior de adsorção seletiva de ânions e íons
metálicos (como Pb(II), Cu(II) e Cd(II)) na purificação da água do que a do pó de carbono e
do carbono ativado granulado. Citou-se ainda a eficácia das zeólitas na remoção de metais
pesados Cr(III), Ni(II), Zn(II), Cu(II) e Cd(II) de efluentes resultantes das atividades de
galvanoplastia.
Segundo os autores, nanopartículas tem grande potencial como catalisadores na
purificação de água e capacidade oxirredutora para ativação de meios devido às suas grandes
áreas de superfície e propriedades ópticas. Durante a última década, as nanopartículas de
dióxido de titânio (TiO2) surgiram como fotocatalisadores promissores para purificação de
água. Nanopartículas de TiO2 são muito versáteis, pois podem servir tanto como
catalisadores oxidantes como redutores de poluentes orgânicos e inorgânicos. Como
exemplo, citou-se a remoção total de carbono orgânico de águas contaminadas por meio da
adição de nanopartículas de TiO2 na presença de luz ultravioleta. Nanopartículas de TiO2
bem como Ferro zero valente (Fe0) em nanoescala e partículas bimetálicas de Fe0 foram
eficientes na degradação de compostos orgânicos (por exemplo, hidrocarbonetos, dioxinas,
furanos, PCBs etc.) e na redução de íons metálicos tóxicos (por exemplo, Cr 6+, Ag+ e Pt2+) em
soluções aquosas. Tanto o Fe0 quanto nanopartículas bimetálicas de Fe0 também têm sido
usadas com êxito para transformação de íons metálicos, como por exemplo o Cr
6+
para
formas de Cr3+, menos tóxicos e móveis.
Ainda segundo esses autores, outra utilização da nanotecnologia são alguns processos
que ocorrem em membranas, tais como ultrafiltração (UF), nanofiltração (NF) e osmose
reversa (OR). Esses equipamentos surgem como os principais componentes das avançadas
tecnologias de purificação e dessalinização da água; remoção da matéria orgânica natural;
contaminantes biológicos; poluentes orgânicos, nitratos e até arsênio de águas subterrâneas e
de superfície. De acordo com o artigo, a técnica de nanofiltração também pode ser usada para
remover pequenas quantidades de U(VI) da água do mar e para dessalinizar água. Reduções
substanciais nas quantidades de contaminantes orgânicos e biológicos (por exemplo, as
bactérias e vírus) foram alcançadas usando este processo.
Filtros de nanotubos de carbono - membranas de filtração compostas por cilindros ocos
com paredes de nanotubo de carbono radialmente alinhados - tem se mostrado eficazes na
remoção de bactérias (Escherichia coli e Staphylococus aureus) e vírus da poliomielite sabin
1 de água contaminada. Como vantagem, os filtros de nanotubos de carbono são facilmente
limpos por dispersão e esterilização em autoclave.
De acordo com Savage e Diallo (2005), oxidantes fortes, como o cloro, são atualmente
usados como desinfetantes para agentes patogênicos (por exemplo, as bactérias e vírus) no
tratamento de água. Os mecanismos inativam patógenos pela imparidade da função celular de
agentes patogênicos por destruição de componentes principais (por exemplo, parede celular)
e também por meio da interferência com os processos metabólicos celulares de agentes
patogênicos, promovendo a inibição do crescimento de agentes patogênicos por bloqueio da
síntese dos principais constituintes celulares (por exemplo, proteínas de DNA, coenzimas e
parede celular). No entanto, estes compostos geram subprodutos de desinfecção tóxicos,
como trihalometanos, ácidos haloacéticos e aldeídos. Devido a essa toxicidade, o
desenvolvimento de desinfetantes alternativos tem se tornado necessário para que a água de
abastecimento público seja enquadrada em normas de saúde cada vez mais rigorosas.
Informou-se que nanomateriais também estão oferecendo oportunidades para desenvolver
produtos biocidas livres de cloro.
As nanopartículas de MgO são biocidas muito eficazes contra bactérias gram-positivas
e gram-negativas (Escherichia coli e Bacillus megaterium) e esporos de bactérias (Bacillus
subtillus). Caracterização das interações das nanopartículas com as bactérias por microscopia
de força atômica (AFM), transmissão por microscopia eletrônica (TEM) e microscopia
confocal a laser, revelou mudanças consideráveis na integridade das membranas celulares,
resultando na morte de bactérias na maioria dos casos.
Outro exemplo do uso de nanopartículas como biocida citado pelos autores é o
tratamento de resíduos contaminados com Ag(I) e compostos de prata. Os resultados relatam
eficiência contra a Escherichia coli. Descreveu-se também que fibras de acetato de celulose
(CA) com nanopartículas embebidas em Ag também são biocidas eficazes contra bactérias
gram-positivas e gram-negativas, incluindo Staphylococcus aureus, Escherichia coli,
Klebsiella pneumoniae e Pseudomonas aeruginosa.
Como técnica de ultrafiltração avançada de dendrímeros, citou-se a utilização de
Membranas de Osmose Reversa (RO), que possuem poros de tamanhos de 0.1-1.0 nm e,
portanto, são muito eficazes na retenção de solutos de orgânicos e inorgânicos dissolvidos
com massa molar abaixo de 1000 Da. As membranas de nanofiltração (NF), por outro lado,
são muito eficazes na remoção de dureza (por exemplo, cátions multivalentes) e solutos
orgânicos com massa molar entre 1000-3000 Da (por exemplo, material orgânico natural).
No entanto, são necessárias altas pressões para operar as membranas RO e NF. Por outro
lado, membranas de ultrafiltração (UF) requerem baixa pressão (200-700 kPa). Infelizmente,
elas não são muito eficazes na remoção de soluto de orgânicos e inorgânicos dissolvidos com
massa molar abaixo de 3000 Da. Avanços em química macromolecular, como a invenção de
polímeros dendríticos, estão fornecendo oportunidades sem precedentes para desenvolver
processos eficazes de UF para purificação de água contaminada por íons metálicos tóxicos,
radionuclídeos, solutos orgânicos e inorgânicos, bactérias e vírus.
Polímeros dendríticos são macromoléculas altamente ramificadas com composição
controlada que apresentam muitas características particularmente atraentes como materiais
funcionais para purificação de água. Estas nanopartículas "leves", com tamanhos na faixa de
10-20 nm, podem ser usadas como ligantes de alta capacidade e solúveis recicláveis em água
para íons tóxicos metálicos, radionuclídeos e ânions inorgânicos.
No entanto, de acordo com o artigo, a utilização de nanomateriais como técnica de
purificação da água ainda possuem alguns desafios, pois são os pilotos da revolução de
nanotecnologia. Um gargalo chave para as aplicações da nanotecnologia para purificação de
água será a disponibilidade de fornecedores que podem fornecer grandes quantidades de
nanomateriais a preços economicamente viáveis.
Estudos recentes prevêem que a maioria dos nanomateriais será versão em nanoescala
de produtos já estabelecidos, como sílica, dióxido de titânio, argilas, pós metálicos,
polímeros e produtos químicos. Maiores quantidades de nanotubos de carbono, fulerenos e
dendrímeros também estarão disponíveis, e assim estes nanomateriais tornar-se-ão
componentes-chave de produtos eletrônicos, sistemas de entrega de medicamentos, baterias,
pilhas de combustível, dentre outras utilidades.
Ainda segundo o trabalho de Savage e Diallo (2005), a integração dos nanomateriais
em sistemas existentes de purificação de água é outro desafio importante. Processos de
membrana, como RO, NF e UF estão se tornando as tecnologias de purificação de água
'padrão' para indústria e serviços de utilidade pública porque eles são flexíveis, escaláveis,
modulares e relativamente fáceis de operar e manter.
Os autores concluem também que agentes quelantes dendríticos em nanoescala
combinados com membranas UF comercialmente disponíveis podem ser facilmente
integrados a processos ou sistemas de purificação de água existentes, uma vez que quelantes
dendríticos eficientes e de baixo custo tenham sido selecionados ou sintetizados. No entanto,
mais exames laboratoriais e testes de escala-piloto são necessários para integrar novelos
nanoestruturados e membranas reativas nos sistemas de purificação de água existentes.
3. Considerações Finais
Acredita-se que nanomateriais se tornarão componentes críticos de sistemas de
purificação de água pública e industrial, assim como maiores progressos na síntese de
materiais funcionais econômicas e ambientalmente aceitáveis. O desenvolvimento de
membranas inteligentes, com superfícies de biofilme resistentes e envolvidas por sensores
que automaticamente ajustam o desempenho de membrana e sua seletividade é uma das
principais metas em longo prazo para possibilitar a dessalinização e a purificação de água
(Savage e Diallo 2005).
Prevê-se que nanomateriais serão os principais componentes de tais membranas. Como
exemplo, o desenvolvimento de nanopartículas de TiO2 ativado por luz visível poderia ter um
impacto significativo no abastecimento de água. A liberação controlada dessas
nanopartículas nas águas de superfície expostas à luz solar pode reduzir significativamente a
carga de carbono orgânico através da degradação fotoquímica oxidativa. No curto prazo,
pode-se antecipar que nanomateriais ajudarão a resolver problemas desafiadores de
purificação de água incluindo: (1) a dessalinização de água salobra; (2) a recuperação de íons
metálicos valiosos e tóxicos concentrados na membrana, facilitando assim a eliminação da
salmoura; (3) o desenvolvimento de biocidas livres de cloro e (4) a purificação de água
contaminada por contaminantes tóxicos, como perclorato, produtos farmacêuticos,
compostos quirais e compostos endócrinas perturbadores.
Nanomateriais podem ser funcionalizados com vários grupos químicos para aumentar
sua afinidade em direção a um determinado composto. Eles também podem servir como
ligantes de alta capacidade, seletivos e recicláveis de íons de metais tóxicos, radionuclídeos,
solutos orgânicos e inorgânicos e anions em soluções aquosas. Também oferecem
oportunidades sem precedentes para desenvolver catalisadores mais eficientes de purificação
de água e mídias ativas de oxirredução devido suas grandes áreas de superfície e
propriedades ópticas, eletrônicas e catalíticas dependentes de forma e tamanho (Savage e
Diallo, 2005).
Como exemplo, a escala de reatores fotocatalíticos baseados em TiO2 é mal entendida,
embora sejam progressos significativos no desenvolvimento de nanopartículas visíveis a
TiO2 ativados por luz. Por outro lado, acredita-se que nanosorbentes (por exemplo,
nanocristais inorgânicos, nanopartículas carbonizadas e zeolitos), nanopartículas ativadas por
oxirredução (por exemplo, Fe0 e Fe0 bimetálicos) e nanopartículas bioativas (por exemplo,
MgO e Ag) podem ser prontamente integradas em estações de tratamento de água existentes
(Savage e Diallo, 2005).
No que tange à remoção de contaminantes orgânicos derivados de petróleo em água, a
técnica de filtração magnética se apresenta como uma alternativa promissora (Apblett et al,
2001). Compósitos magnéticos de óxidos metálicos podem atuar como nanosorbentes
magnéticos e adsorver eficientemente hidrocarbonetos em corpos hídricos, permitindo sua
separação magnética.
Hoje o maior desafio está em desenvolver econômica e ambientalmente métodos de
separação aceitável de meios reativos que podem ser implantados na alimentação de reatores
para a purificação de água contaminada por misturas de (i) íons metálicos, (ii) solutos
orgânicos e (iii) bactérias.
No entanto, a utilização de nanomateriais como técnica de remediação, controle e
monitoramento da qualidade de água ainda é pouco conhecida, fato que, segundo Tratnyek e
Johnson (2006), pode acarretar riscos a saúde humana ou ao meio ambiente.
A destinação ambiental e toxicidade de um material são questões críticas na seleção de
materiais e projetos para purificação de água. Pouco ainda se sabe sobre o destino ambiental,
transporte e toxicidade dos nanomateriais. Segundo Savage e Diallo (2005), nenhuma
investigação sistemática da estabilidade hidrolítica, oxidativa, fotoquímica e biológica dos
nanomateriais (como dendrímeros, nanopartículas carbonizadas, óxidos metálicos) em
sistemas naturais e de engenharia ambiental foi publicada na literatura.
De acordo com o artigo, medições in vitro e in vivo de toxicidade e biodistribuição tem
sido realizadas em apoio à utilização do dendrímeros como reagentes de transfecção de
DNA, agentes carreadores de contraste de íons metálicos para imagens de ressonância
magnética, droga direcionadas e veículos de entrega de agentes terapêuticos e inibidores
virais. Estes estudos globais sugerem que dendrímeros não tóxicos e biodegradáveis podem
ser sintetizados através de uma seleção criteriosa dos blocos de construção de dendrímeros
(por exemplo, grupos nucleares e terminais).
Reconhecendo isso, alguns grupos adotaram a posição de 'precaução' de que aplicativos
in situ de nanopartículas para correção devem ser proibidos, enquanto outros têm
recomendado, com efeito, que pesquisa em todas as frentes deve prosseguir em paralelo.
No entanto, este dilema de como (ou se) regulamentar a aplicação de nanopartículas
para a remediação deve ser aliviada em breve, com os resultados de vários estudos em curso.
Até então, avaliação de risco relativo aos pedidos in situ de nanopartículas na remediação
continuará a basear-se em grande parte em extrapolações de considerações desenvolvidas a
partir de estudos de contextos relacionados, mas potencialmente muito diferentes, onde as
nanopartículas ocorrem no ambiente.
5. Referências
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Relacionados ao Lançamento de Efluentes Líquidos e a Qualidade dos Corpos
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Hídricos, cria o Sistema Nacional de Gerenciamento de Recursos Hídricos, regulamenta o
inciso XIX do art, 21 da Constituição Federal e altera o art. 1 da Lei N° 8.001,de 13 de março
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