Avanço em Nanotecnologia 3D Oferece Água Limpa Purificada pela Luz Solar

Garantir que todos tenham acesso a água potável segura e limpa é um dos principais desafios que o mundo enfrenta hoje.

Aproximadamente metade da população mundial, de acordo com o Relatório de Desenvolvimento da Água da ONU de 2024, enfrenta escassez severa de água por pelo menos parte do ano. Os déficits de água têm sido ligados a um aumento de 10% na migração global.

Baixos níveis de tratamento de águas residuais causam má qualidade da água em países de baixa renda, enquanto o escoamento da agricultura é um grande problema em países de alta renda.

Entretanto, a demanda por água potável limpa continua a crescer à medida que a população mundial aumenta. O rápido crescimento populacional, a urbanização e o aumento das necessidades de água dos setores de energia, agricultura e indústria contribuem para a crescente demanda por água.

No entanto, dados sugerem que bilhões de pessoas não terão acesso a água segura, saneamento e higiene em 2030. Em 2022, 703 milhões de pessoas não tinham serviço básico de água, enquanto um número muito maior, 2,2 bilhões, não tinham água potável gerida com segurança.

Nesse contexto, a disponibilidade de água está se tornando menos previsível, enquanto a escassez de água deve aumentar com a elevação das temperaturas globais devido às mudanças climáticas. Os recursos hídricos também estão em risco devido à poluição e a doenças transmitidas pela água.

O Desafio das Águas Residuais Não Tratadas

A grande maioria dos resíduos industriais, de acordo com as Nações Unidas, é descartada em nações em desenvolvimento sem ser totalmente tratada.

Entretanto, apenas uma pequena fração das águas residuais do mundo é adequadamente tratada. Segundo a ONU, a proporção de águas residuais que recebem algum nível de tratamento só pôde ser calculada para 73 países (42% da população mundial), de um total de 107 países (73% da população global) que relataram estatísticas de águas residuais para 2022.
A divulgação sobre o tratamento de águas residuais industriais é extremamente limitada, com dados apenas de 22 países (8% da população mundial), onde apenas 38% das águas residuais industriais foram relatadas como tratadas. Além disso, apenas 27% das águas residuais foram tratadas com segurança.

Quanto às águas residuais domésticas (domésticas), 42% não foram tratadas com segurança. A principal razão foi a falta de um sistema adequado para coletar águas cinzas e negras.

Água residual é a água gerada após o uso doméstico, industrial e comercial de água bruta, água doce ou água potável. Ela contém várias substâncias que podem ser prejudiciais aos ecossistemas e à saúde humana.

Substâncias como metais pesados, poluentes orgânicos e inorgânicos, patógenos e descargas industriais, entre outros, introduzidas na água não se decompõem naturalmente, o que significa que permanecem no ambiente.
Além disso, há contaminantes emergentes, incluindo detergentes, produtos químicos industriais, fármacos, cianotoxinas, hormônios, substâncias per- e polifluoroalquil (PFAS) e nanomateriais, que estão causando estragos.

A inovação tecnológica pode oferecer opções de tratamento de alto desempenho e baixo custo para garantir água limpa e barata suficiente para todos.

Algumas dessas inovações na purificação da água incluem tecnologias avançadas de membrana, como osmose reversa (RO), ultrafiltração (UF) e destilação por membrana de contato direto (DCMD).

Filtros alimentados por energia solar usam energia solar para tornar a água limpa acessível em áreas remotas. Tecnologias emergentes como eletrocoagulação, células de combustível microbianas e processos avançados de oxidação também ajudam a melhorar a qualidade da água.

Outra inovação tecnológica que impulsiona a purificação da água é a nanotecnologia, que oferece remoção eficiente de poluentes e germes. 

Nanotecnologia para Tratamento de Água Eficaz

Métodos convencionais de desinfecção da água são altamente eficazes e, como tal, amplamente utilizados, mas possuem desvantagens próprias. Por exemplo, na cloração, há risco de formação de subprodutos de desinfecção nocivos. A radiação ultravioleta, por sua vez, requer consideráveis entradas de energia e tem eficácia limitada contra, por exemplo, E. coli resistente à tetraciclina.

Na tentativa de melhorar os processos de tratamento de água, cientistas fizeram avanços tecnológicos que levaram ao uso da nanotecnologia na purificação da água para consumo seguro.

A nanotecnologia envolve a manipulação deliberada da matéria em escala extremamente pequena e tem o potencial de desempenhar um papel fundamental na gestão integrada da água, aumentando a eficácia dos tratamentos e até expandindo o abastecimento de água ao utilizar fontes não convencionais.

Para aumentar o acesso a água potável limpa e segura, a nanotecnologia trata água subterrânea, água de superfície e águas residuais com nanomateriais inovadores. Alguns dos avanços na nanotecnologia usados para tratamento de águas residuais incluem nanopartículas magnéticas, nanopartículas bioativas, nanofiltração, nanoadsorventes, nanocatalisadores, nanopólen, nanobiócidas e nanofibras.

Cientistas demonstraram popularmente o uso de nanotubos de carbono e nanocelulose para filtração de água. Esses métodos removem metais pesados tóxicos da água, evitam que perigos biológicos e químicos entrem na água e adsorvem contaminantes dos fluxos de água. Até mesmo nanopartículas de ouro foram usadas para limpar a água de poluentes como pesticidas e fármacos.

Embora a nanotecnologia ofereça soluções promissoras para água potável limpa, ela enfrenta potenciais riscos à saúde e ao meio ambiente provenientes dos nanomateriais e ainda maiores dificuldades na produção em larga escala e custos, o que limita sua implementação.

Agora, pesquisadores da Ohio State University estão oferecendo um novo método para purificar água potável: mantas de nanotecnologia 3D.

Feitas de nanofibras de dióxido de titânio (TiO₂), elas aproveitam a luz solar para decompor poluentes nocivos na água e gerar energia sustentável. Não produzem subprodutos tóxicos, e a equipe possui as ferramentas para escalá-las comercialmente.

Um Novo Método para Purificar Água Potável

No estudo mais recente, apoiado pela National Science Foundation, os pesquisadores criaram um novo material para purificar água removendo poluentes perigosos.

O novo material foi desenvolvido combinando dois métodos — géis de química suave e eletrofiação por mistura.

Na eletrofiação, um método de produção de fibras, força elétrica é aplicada a uma solução para criar nanofibras. Esse método é comumente usado para preparar nanofibras longas e contínuas. A equipe desenvolveu tiras finas semelhantes a fibras de dióxido de titânio dessa forma.

O dióxido de titânio (TiO₂) é um composto inorgânico tipicamente usado em sensores de gás, células solares, fotocatálise e tecnologias de autolimpeza.

Embora o composto seja uma ótima fonte alternativa de energia, os sistemas de combustível solar que utilizam suas nanopartículas geralmente são limitados em potência. Isso ocorre porque eles só podem realizar fotocatálise absorvendo luz ultravioleta (UV) não visível, resultando em baixa eficiência e exigindo sistemas de filtragem complexos que criam desafios em sua implementação.

Além disso, a curta vida útil dos elétrons e lacunas fotogerados nas nanopartículas de TiO₂ impede sua utilização eficaz, enquanto a falta de uma nanostrutura auto‑suportada de fácil recuperação permanece um desafio.

Vários estudos exploraram dopá-lo com diferentes íons metálicos como Ag (prata), Fe (ferro), Pd (paládio), Pt (platina), Zn (zinco), Mn (manganês), B (boro) e Zr (zircônio) para superar essas limitações e melhorar as propriedades fotocatalíticas do dióxido de titânio.

Mas foi o cobre (Cu) que mostrou promessa. A adição desse metal macio com alta condutividade térmica e elétrica ao material mudou as coisas. No entanto, isso exigiu a redução da banda óptica e o aumento da relação área de superfície/volume da titânia dopada com Cu para obter a atividade fotocatalítica desejada, o que gerou outros problemas.

Portanto, os pesquisadores precisaram projetar um sistema que forneça nanopartículas de TiO₂ dopadas com Cu estáveis, com alta relação área de superfície/volume, por meio de processos baseados em nanofibras.

Clique aqui para saber como a dessalinização alimentada por energia solar está resolvendo a escassez de água.

Uma Ferramenta de Remediação de Água e Geração de Energia

O estudo, publicado na revista Advanced Science¹, detalhou as novas estruturas resultantes, chamadas de nanomatrizes. Essas nanomatrizes podem absorver energia luminosa suficiente para decompor poluentes perigosos no ar e na água.

“Não havia uma maneira fácil de criar algo como uma manta que você pode colocar na água e começar a gerar energia. Mas somos os únicos que fizeram essas estruturas e os únicos a demonstrar que elas realmente funcionam.”

O que a adição de cobre fez ao dióxido de titânio foi supercarregar o processo de destruição de poluentes.

Nesse processo, quando o TiO₂ absorve luz, são formados elétrons que oxidam a água e atacam os poluentes, que são destruídos até se tornarem inofensivos.

Para determinar a alta eficácia do novo material, os pesquisadores caracterizaram as propriedades atualizadas da nanomatriz. Isso os ajudou a entender como ela se comportava e o que exatamente a diferenciava de outras nanopartículas auto‑limpantes.

Os pesquisadores descobriram que, quando expostas à luz solar natural, essas nanomatrizes podem ser mais bem-sucedidas na geração de energia do que células solares tradicionais.

“Essas nanomatrizes podem ser usadas como gerador de energia ou como ferramentas de remediação de água. Em ambos os casos, você tem um catalisador com a maior eficiência já relatada até hoje.”

– Gouma

Além disso, essas mantas de fibra são leves, fáceis de remover e podem flutuar e operar sobre qualquer corpo d’água. Elas também são reutilizáveis e podem passar por múltiplos ciclos de limpeza.

Dada a alta eficácia dessas nanomatrizes, os pesquisadores veem seu uso na remoção de poluentes industriais da água em países em desenvolvimento e na transformação de rios e lagos contaminados em fontes de água potável limpa.

Além disso, o fato de que essa tecnologia não gera subprodutos tóxicos torna as nanomatrizes ambientalmente amigáveis.

“É um material seguro, não prejudicará nada e é tão limpo quanto pode ser.” 

– Gouma

Quanto à comercialização desta tecnologia eficiente, para a qual a equipe possui as ferramentas adequadas, depende das indústrias perceberem seu valor.

“Temos as ferramentas para produzi-las em grande quantidade e adaptá‑las a várias indústrias. A única limitação é que é preciso alguém que aproveite esses recursos abundantes.”

– Gouma

No geral, a equipe acredita no potencial das nanomatrizes. Elas poderiam ser usadas para fornecer água potável limpa em estações de tratamento de água, áreas remotas e esforços de ajuda humanitária. Dependendo de testes adicionais e da escalabilidade, aplicações comerciais podem surgir dentro de 3 a 5 anos.

A equipe acredita que essas nanomatrizes também podem ser ferramentas promissoras em muitas aplicações fotocatalíticas futuras. Isso inclui esforços de sustentabilidade a longo prazo, como produção de hidrogênio impulsionada por energia solar e remediação ambiental.

Por enquanto, a equipe está trabalhando em maneiras de aprimorar o material, que é completamente inovador. Essa nova forma de nanotecnologia, disse Gouma, é “realmente impressionante e algo que nos entusiasma muito”.

Empresa Inovadora

Xylem Inc.  

Líder global em tecnologia de água, a Xylem desenvolve soluções inovadoras para purificação e tratamento de água, tornando‑a uma forte candidata para integrar sistemas de purificação de água baseados em nanotecnologia.

A empresa oferece produtos em uma variedade de aplicações, incluindo água, bombas de água, equipamentos de tratamento, bombas, válvulas e trocadores de calor. Também fornece instrumentação analítica para teste de água e soluções para o uso inteligente e conservação de recursos críticos de água e energia.

No que diz respeito ao tratamento de águas residuais, a Xylem oferece um processo biológico chamado tratamento aeróbico, que ocorre na presença de oxigênio e converte orgânicos em dióxido de carbono e nova biomassa. Existe também o tratamento anaeróbico de águas residuais, que ocorre na ausência de oxigênio, onde microrganismos decompõem resíduos orgânicos. É normalmente usado para o tratamento de águas residuais industriais quentes e de alta concentração, com grande quantidade de matéria orgânica biodegradável.

A Xylem também oferece uma solução digital de gestão de água chamada Water One® que otimiza seu sistema de tratamento de água para maior eficiência.

Os sistemas de desinfecção da empresa são oferecidos para aplicações de água municipais, industriais e recreativas. Eles incluem analisadores e controladores de processo, equipamentos de geração de dióxido de cloro, sistemas de fornecimento de gás, sistemas de ozônio, sistemas de geração de hipoclorito, sistemas de desinfecção por ultravioleta e mais. 

Seus sistemas de água de alta pureza, por sua vez, tratam a água em várias etapas para ajudá‑lo a atender aos padrões de qualidade para aplicações críticas em laboratórios, saúde, indústria farmacêutica e semicondutores.

As soluções de filtração da Xylem, por sua vez, abrangem desde filtros de mídia regenerativa, filtros de disco, filtros de areia, filtros de micro‑areia de alta eficiência e filtros de pressão até membranas de osmose reversa, bombas de parafuso, sistemas UF, microfiltração, sistemas de controle de odor em fase de vapor e amaciadores de água. Isso oferece uma ampla gama de opções para uso recreativo e industrial, bem como para piscinas e tratamento terciário de águas residuais para municípios. 

Agora, a Xylem é uma empresa com capitalização de mercado de US$ 29,65 bilhões, cujas ações, no momento da escrita, estão sendo negociadas a US$ 122,02, alta de 5,17% no ano. Ela tem um EPS (TTM) de 3,65, um índice P/L (TTM) de 33,40 e um ROE (TTM) de 8,55%. A empresa paga um rendimento de dividendos de 1,31%.

Quanto às finanças da empresa, no quarto trimestre de 2024, ela registrou um aumento de 7% na receita, para US$ 2,3 bilhões, enquanto os pedidos foram de US$ 2,2 bilhões. O lucro por ação no trimestre foi de US$ 1,34, alta de 22%, e chegou a US$ 1,18 em bases ajustadas, alta de 19%.

“A equipe entregou um quarto trimestre forte para encerrar um ano recorde para a Xylem. Todos os segmentos apresentaram forte crescimento de pedidos no Q4, nos dando impulso para entrar em 2025 com demanda subjacente resiliente.”

– CEO Matthew Pine

O lucro líquido durante o trimestre foi de US$ 326 milhões, e o lucro líquido ajustado foi de US$ 287 milhões. A Xylem aumentou seu dividendo do primeiro trimestre em 11% para US$ 0,40 por ação, que foi pago aos acionistas neste mês.

Para o ano completo de 2024, a receita foi de US$ 8,6 bilhões, um aumento de 16%. O lucro por ação foi de US$ 3,65, alta de 31%, e US$ 4,27 em bases ajustadas, alta de 13%.

Para todo este ano, a perspectiva da Xylem é de receita entre US$ 8,6 e US$ 8,7 bilhões, e a margem de fluxo de caixa livre está prevista entre 9% e 10%.

A empresa espera que seu lucro por ação para este ano esteja na faixa de US$ 4,50 a US$ 4,70. Segundo Pine:

“Nossa orientação para 2025 reflete o compromisso da equipe com nosso quadro de longo prazo, enquanto continuamos a capacitar nossos clientes a enfrentar os maiores desafios hídricos do mundo.” 

Últimas notícias sobre a Xylem Inc.

Conclusão

O mundo está enfrentando uma crise hídrica, com milhões sem acesso a água potável segura e saneamento. Essa escassez de água resulta de uma população crescente, poluição, superexploração e mudanças climáticas. A situação deve piorar nos próximos anos, criando a necessidade de soluções mais econômicas e eficientes para enfrentar o problema.

O tratamento de águas residuais é uma dessas estratégias cruciais que pode ajudar a mitigar a escassez de água, melhorando a qualidade da água, aumentando o acesso, reduzindo a dependência de fontes de água doce e tornando a água um recurso mais sustentável.

A nanotecnologia há muito promete revolucionar a purificação da água, mas ainda não alcançou adoção generalizada. Assim, o desenvolvimento de mantas de nanotecnologia 3D representa um avanço significativo. Essas mantas utilizam a luz solar para remover poluentes enquanto geram energia sustentável.

A natureza leve e reutilizável dessas nanomatrizes, combinada com a ausência de subprodutos tóxicos, as torna uma alternativa ambientalmente amigável aos métodos de filtração convencionais. À medida que as indústrias percebem seu valor, essa tecnologia inovadora pode redefinir a forma como abordamos o tratamento de água globalmente. Uma comercialização bem‑sucedida, por sua vez, atenderá às necessidades de água potável limpa e segura de centenas de milhões de pessoas em todo o mundo!

Clique aqui para uma lista das principais ações de nanotecnologia.