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O futuro da água: tecnologias que tornam a purificação mais eficiente
Carlos Henrique Batistela e Gustavo Sanguino Dias
Abrir a torneira é um gesto familiar que esconde uma cadeia complexa de decisões, tecnologias e processos [2]. Parte dessa cadeia inclui o tratamento dos efluentes que retornam ao meio ambiente após serem utilizados em indústrias, laboratórios e residências.
Entre os compostos que mais desafiam os sistemas de tratamento estão os corantes sintéticos, resíduos farmacêuticos e certos agrotóxicos [3, 4, 5]. Eles podem persistir em águas naturais, alterar a intensidade de luz nos rios e lagos e interagir com organismos aquáticos de maneiras que ainda estamos aprendendo a mapear.
Para enfrentar essas substâncias, cientistas combinam métodos que vão desde processos físicos e biológicos clássicos até técnicas avançadas que geram espécies químicas muito reativas [6].
Os tratamentos mais comuns em operações municipais e industriais reúnem várias etapas e, como ilustra a Figura 1, essas etapas cobrem tanto a água bruta que chega para consumo quanto o esgoto que retorna ao sistema.
Para a água destinada ao consumo, começa-se com a captação no rio e segue-se para uma ETA (Estação de Tratamento de Água), onde se aplicam remoção de sólidos grosseiros, coagulação e floculação para agregar partículas finas, decantação para separar sedimentos, filtração para retirar materiais remanescentes e desinfecção para eliminar microrganismos.
Em seguida, a água é armazenada em reservatórios e bombeada para a rede de distribuição. Quando se busca qualidade ainda maior, por exemplo, para reúso, adicionam-se etapas de polimento, como adsorção em carvão ativado, filtração por membranas e processos oxidativos avançados; essas combinações, como microfiltração seguida por osmose reversa e desinfecção ultravioleta, já são empregadas em grande escala para alcançar padrões muito elevados [7, 8, 9, 10, 11].
No circuito do esgoto, a imagem mostra a coleta domiciliar que segue por coletores e, quando necessário, por estações elevatórias até chegar à ETE (Estação de Tratamento de Esgoto).
Nas ETEs ocorrem inicialmente o gradeamento e a remoção de areia e gorduras, depois o tratamento primário com decantação para extrair sólidos que sedimentam, e o tratamento secundário biológico, onde microrganismos degradam a matéria orgânica; exemplos práticos são lodos ativados e reatores biológicos de membrana.
Após a etapa biológica, há uma decantação secundária para separar a biomassa do efluente tratado e, em muitos casos, uma etapa de desinfecção antes do lançamento nos rios [13, 14].
É preciso notar que as descargas clandestinas feitas diretamente no rio, que burlam a rede de tratamento e aumentam a carga poluente, tornam mais difícil a operação do sistema como um todo. Os resíduos gerados no processo, como o lodo, exigem manejo específico que pode incluir espessamento, digestão e rotas de disposição ou aproveitamento quando são tecnicamente viáveis.
Integrar essas rotas em plantas reais exige decidir onde inserir tecnologias de polimento e como balancear custo e desempenho.
Em operações bem-sucedidas, a sequência pré-tratamento, tratamento biológico e polimento permite reduzir a carga de poluentes e, quando necessário, empregar reatores com catálise heterogênea (ver Figura 2) para eliminar traços de compostos persistentes.
Exemplos operacionais demonstram que essas rotas são aplicáveis em escala real e podem recuperar volumes expressivos de água para usos diversos, desde irrigação controlada até recarga de aquíferos, quando os esquemas são corretamente projetados e operados [15].
Apesar da robustez dessas rotas, algumas moléculas orgânicas complexas escapam das etapas tradicionais. Para lidar com esse tipo de composto, surgiram os Processos Oxidativos Avançados, conhecidos pela sigla POA [17, 18, 6].
Em termos práticos, os processos do tipo POA geram radicais e outras espécies químicas altamente reativas, entre elas o radical hidroxila, que atacam e fragmentam estruturas orgânicas resistentes até convertê-las em substâncias mais simples e menos problemáticas.
Entre os POAs mais utilizados estão a ozonização, o uso de luz ultravioleta combinado com peróxido de hidrogênio, os reagentes de Fenton, processos eletroquímicos e a fotocatálise empregando semicondutores. Em muitos sistemas, os POAs atuam como uma etapa de polimento após processos biológicos, reduzindo a toxicidade e aumentando a biodegradabilidade do efluente tratado [19].
Para compreender como alguns materiais agem nesse cenário, é útil explicar três conceitos de forma direta. Primeiro, um catalisador heterogêneo é um material sólido que promove uma reação química em sua superfície enquanto permanece na fase sólida. Ele funciona como uma plataforma onde as moléculas reagem sem que o próprio material seja consumido.
Na Figura 3, é possível visualizar esse processo:
- Em (1), as moléculas reagentes se aproximam e se ligam aos sítios ativos da superfície catalítica.
- Nos passos (2) e (3), os gases adsorvidos permanecem orientados de forma favorável à reação.
- Finalmente, em (4), ocorre o rearranjo eletrônico, resultando na formação dos produtos, que são liberados da superfície, deixando o catalisador pronto para um novo ciclo.
Segundo, um semicondutor é um tipo de sólido que, quando recebe energia da luz, libera elétrons para um nível de energia superior e deixa lacunas onde antes estavam esses elétrons [17].
Na Figura 4 observa-se esse processo: a radiação UV excita elétrons da banda de valência (BV) para a banda de condução (BC), gerando pares elétron–lacuna. Esses portadores podem se recombinar ou migrar até a superfície do semicondutor.
Nela, os elétrons (e⁻) reagem com oxigênio (O₂), formando radicais superóxido (O₂⁻), enquanto as lacunas (h⁺) oxidam água ou OH⁻, originando radicais hidroxila (·OH).
Essas espécies reativas possuem alto poder oxidante, sendo responsáveis pela degradação de poluentes em processos de fotocatálise heterogênea.
Por fim, um material piezoelétrico gera uma pequena diferença de potencial elétrico quando sofre deformação mecânica, por exemplo, por vibração ou pressão.
Ao combinar fotocatálise e piezocatálise, é possível ativar reações tanto com luz (fotocatálise) quanto com vibração (piezocatálise), abrindo rotas adicionais para a degradação de compostos orgânicos [21].
Nesse contexto, um material que chama atenção é a ferrita de bismuto, com fórmula química BiFeO₃, que neste texto será tratada como BFO.
O BFO reúne características que o tornam compatível com estratégias de limpeza da água: ele pode absorver luz na faixa visível, apresentar comportamento piezoelétrico e, por não conter chumbo em sua estrutura, surge como alternativa a materiais que utilizam esse metal [23, 24, 25, 26, 27].
Em laboratório, pesquisadores trabalham para aumentar a área superficial das partículas, controlar defeitos na estrutura cristalina e construir estruturas combinadas com outros semicondutores ou suportes para melhorar o desempenho [28, 29, 30, 31]. Essas intervenções ajudam a separar melhor elétrons e lacunas e a manter as cargas livres tempo suficiente para formar as espécies reativas que atacam os poluentes.
A atuação do BFO na catálise heterogênea pode ser imaginada em três etapas simples. Primeiro, a molécula poluente se aproxima e adere à superfície do catalisador, processo conhecido como adsorção. Segundo, a energia da luz ou a ação mecânica gera elétrons e lacunas no material. Esses portadores eletrônicos reagem com a água e o oxigênio dissolvidos, formando radical hidroxila (·OH), radical superóxido (O₂⁻) e outras espécies que têm alto potencial oxidante.
Terceiro, essas espécies oxidantes atacam e quebram ligações na estrutura do poluente até fragmentá-lo e, se possível, mineralizá-lo em dióxido de carbono e água. Ao final, como o catalisador é sólido, ele pode ser separado do líquido e reaproveitado, característica que facilita operações industriais [32, 33].
Em experimentos comparativos, corantes usados como modelos, por exemplo azul de metileno, alaranjado de metila e rodamina B, são utilizados para avaliar a eficiência de materiais [3]. O desempenho observado depende fortemente da forma de preparação do BFO, do seu tamanho de partícula, da presença de dopantes e da arquitetura do reator.
Estratégias que se mostraram promissoras incluem a dopagem com elementos que ajustam o intervalo de energia do semicondutor, a formação de heterojunções com outros semicondutores que facilitam a separação de cargas e a deposição de nanopartículas metálicas que ampliam a captação de luz [30].
Outra rota de melhoramento é a moagem em baixas temperaturas, que favorece a formação de defeitos cristalinos benéficos sem promover o encruamento que reduziria a superfície ativa [34, 28]. Essas abordagens fazem parte de um conjunto de métodos conhecido como engenharia de defeitos.
A combinação entre efeitos foto e piezoelétricos traz possibilidades operacionais relevantes [35, 21]. Em trechos industriais onde há fluxo intenso, motores ou qualquer fonte de vibração, é possível aproveitar esse movimento para ativar materiais piezoelétricos.
Assim, mesmo em situações com iluminação limitada, a deformação mecânica pode gerar cargas internas que promovem reações análogas às da fotocatálise. Quando luz e movimento atuam juntos, a resposta pode ser sinérgica, acelerando a degradação de certos corantes em relação ao uso isolado de cada estímulo [32].
Como essas rotas podem ser integradas aos esquemas de tratamento já operacionais? Uma estratégia de implantação prática envolve combinar etapas que otimizem custo e desempenho. Um arranjo possível é partir de coagulação e floculação para reduzir carga de sólidos e turbidez [8], prosseguir com tratamento biológico para as frações biodegradáveis, inserir um reator de catálise heterogênea com BFO para atacar compostos persistentes e finalizar com adsorção em carvão ativado ou membranas para polimento [9, 7].
Outra alternativa é incorporar o BFO em membranas ou suportes poliméricos dentro de biorreatores de membrana, de forma a facilitar a recuperação e operação contínua. Projetos de reúso em grande escala mostram que etapas combinadas, com pré e pós-tratamentos bem delineados, conseguem níveis de limpeza compatíveis com usos variados da água [15, 11].
Há cuidados a observar na transição do laboratório para a planta industrial. A estabilidade do material e a capacidade de recuperá-lo são pontos centrais para evitar a liberação de partículas finas no ambiente. Em efluentes reais, a complexidade da mistura reduz a seletividade das reações, pois diversas substâncias competem pela superfície do catalisador e pelas espécies reativas. Além disso, custos associados à preparação de nanomateriais e a necessidade de reatores adaptados requerem avaliação técnica e econômica detalhada em estudos de demonstração [27, 29].
Para quem prefere exemplos concretos de tecnologia em operação, iniciativas de reuso de água já são aplicadas. Sistemas que combinam microfiltração, osmose reversa e desinfecção ultravioleta tratam e reutilizam grandes volumes, alimentando aquíferos ou reservatórios e reduzindo a dependência de fontes convencionais [15, 11].
Em localidades que enfrentam redução de vazões naturais, programas de recarga de aquíferos e estações de reciclagem contribuem para a segurança hídrica. Esses exemplos mostram que a adoção de tecnologias não é apenas uma questão de eficácia técnica, mas também de integração entre etapas, operação confiável e regulação adequada.
Ao pensar em soluções para a poluição por corantes e outros compostos orgânicos, duas frentes caminham juntas. A primeira é a prevenção na origem, por meio de mudanças de processo na indústria, como redução do consumo de água, substituição por corantes menos persistentes e otimização de lotes de tingimento [36].
A segunda é a incorporação de tecnologias de tratamento que possam lidar com o que sobra, incluindo catálise heterogênea com materiais como o BFO, POAs e sistemas de membrana [5, 19]. Quando essas frentes são combinadas, o resultado tende a ser melhor do que qualquer intervenção isolada.
Referências
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Autor:
Carlos Henrique Batistela, realiza estudos sob orientação do prof. dr. Gustavo Sanguino Dias
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