Manufatura Aditiva de Adsorventes à Base de Carbono para Remoção de Contaminantes Emergentes
Gabriel Perina Gongora*
A manufatura aditiva, conhecida também como impressão 3D, é um processo ascendente no qual os objetos são construídos camada por camada usando desenho assistido por computador (CAD) para criar estruturas complexas. (JIN et al., 2022). Após a criação do design, o arquivo pode ser salvo em Standard Tessellation Language (stl), Object file Wavefront 3D (OBJ), formato de manufatura 3D (3MF) dentre outros, que armazena as informações sobre a superfície 3D na forma de malhas triangulares em coordenadas cartesianas (KITSON et al., 2016). Na Figura 01 é apresentado um esquema do processo de impressão 3D.
Os polímeros e seus compósitos são hoje amplamente utilizados em diversos setores industriais, devido à sua flexibilidade no desenvolvimento de produtos customizados. O aumento significativo no uso de plástico levou a um grave desafio na gestão de resíduos plásticos em fim de vida. Milhões de toneladas de resíduos plásticos produzidos anualmente acabam principalmente em aterros, vazando para o meio ambiente e representando graves ameaças aos ecossistemas. Com isso, soluções inovadoras para reutilizar/reciclar/reaproveitar resíduos plásticos são desejadas para enfrentar estes desafios globais (AL RASHID; KOÇ, 2024).
A manufatura aditiva se destaca como uma nova abordagem que oferece inúmeras vantagens em relação à fabricação convencional. Estas incluem a redução do período de desenvolvimento, a customização, o aumento da flexibilidade no ambiente de produção, a tomada de decisões mais rápida através da descentralização e, o mais importante, a promoção da sustentabilidade e da eficiência dos recursos em contextos ecológicos, além da redução dos custos de produção e do desperdício de matérias-primas. (MAISANO et al., 2022; ZAINUDDIN et al., 2024).
Neste contexto, a impressão 3D, uma tecnologia inovadora, oferece a possibilidade de fabricar objetos com estruturas geometricamente complexas (PARK et al., 2023). Devido ao seu notável desempenho e economia de tempo e custo, a tecnologia de impressão 3D foi implementada usando vários materiais de impressão para preparar materiais impressos em 3D em indústrias tão diversas como a aeroespacial. (JOSHI; SHEIKH, 2015), biomédica (GHILAN et al., 2020) e indústrias alimentícias (LIU et al., 2017).
A partir dos avanços tecnológicos e científicos, uma variedade significativa de poluentes tem sido introduzida no meio ambiente, provenientes tanto de fontes pontuais quanto de fontes difusas (SCARIA et al., 2022). Além disso, o crescimento industrial é uma consequência inevitável do estilo de vida moderno, embora contribua significativamente para a poluição ambiental (PENG et al., 2021).
Os contaminantes emergentes (CEs), substâncias químicas provenientes de atividades humanas ou de processos naturais, estão presentes em diversos compartimentos ambientais. No entanto, o conhecimento acerca de seu destino ambiental, processos de transformação e potencial toxicológico permanece incompleto (SAUVÉ; DESROSIERS, 2014; STEFANAKIS; BECKER, 2016). A diversidade de substâncias químicas classificadas como contaminantes emergentes é ampla, abrangendo desde produtos de higiene pessoal e fármacos até surfactantes, retardantes de chama, adoçantes artificiais, aditivos industriais e subprodutos do tratamento de água (NOGUERA-OVIEDO; AGA, 2016; SCARIA; ANUPAMA; NIDHEESH, 2021; TAHERAN et al., 2018).
Uma gama diversificada de tecnologias, incluindo processos de adsorção, tem sido amplamente investigada para a remoção de contaminantes emergentes. Esses métodos envolvem a transferência de poluentes de uma fase líquida (por exemplo, água) para uma fase sólida, permitindo sua remoção eficiente (AHMED et al., 2015; HOMEM; SANTOS, 2011). Nesse contexto, os materiais à base de carbono têm atraído a atenção entre pesquisadores devido às suas características físicas, químicas e propriedades de superfície (SCARIA et al., 2022).
COMBINAÇÃO DE MATERIAIS ADSORVENTES E IMPRESSÃO 3D
A Sociedade Americana para Testes e Materiais (ASTM F2792-12a) identificou mais de cinquenta tecnologias distintas de impressão 3D (ABAR et al., 2024). No campo do tratamento de água, essas tecnologias podem ser amplamente classificadas de acordo com seus princípios de funcionamento e métodos nas seguintes categorias:
(1) Fotopolimerização, que inclui técnicas como Estereolitografia (SLA) e Processamento Digital de Luz (DLP);
(2) Métodos de Extrusão de Material, exemplificados por Modelagem por Fusão e Deposição (FDM) e Escrita Direta de Tinta (DIW);
(3) Tecnologias de Fusão em Leito de Pó, como Fusão Seletiva a Laser (SLM) e Sinterização Seletiva a Laser (SLS);
e (4) Técnicas Adicionais de Impressão 3D, incluindo Jateamento de Ligante (Binder Jetting), PolyJet e Fabricação de Objetos Laminados (LOM) (ZHANG et al., 2024).
Cada uma dessas abordagens de fabricação apresenta vantagens e desafios específicos, sendo essencial considerá-los ao aplicar a tecnologia de impressão 3D em soluções para o tratamento de água. Alguns métodos de impressão 3D são apresentados na Figura 02.
Além disso, as vantagens e desvantagens de alguns dos principais métodos de impressão 3D de materiais adsorventes são apresentadas de acordo com a Tabela 01.
Comparada às técnicas tradicionais de conformação, a impressão 3D tem a vantagem de se combinar com diversos materiais adsorventes. As principais características dos adsorventes monolíticos impressos em 3D são as seguintes:
1) o método de incorporação de diferentes componentes ativos (HUANG et al., 2021; LI et al., 2020; PARK; LEE, 2022; WANG et al., 2022);
2) a influência de aditivos no efeito da impressão;
3) a influência das estruturas impressas em 3D no desempenho da adsorção (CHEN et al., 2022a; ZANOLETTI et al., 2018).
Mais importante ainda, a impressão 3D permite a fabricação de adsorventes monolíticos com uma variedade de estruturas, e as diferenças estruturais podem afetar os processos de transferência de calor e massa na adsorção, influenciando assim o desempenho final da adsorção (CHEN et al., 2022b). Atualmente, o processo de conformação dos adsorventes depende, em grande parte, do avanço das pesquisas na área, sendo que os métodos adequados de conformação variam conforme os requisitos de aplicação dos adsorventes (PATEL et al., 2021; WU et al., 2023; YANG et al., 2022).
MATERIAIS A BASE DE CARBONO PARA IMPRESSÃO 3D
Materiais de carbono são amplamente usados como adsorventes. Adsorventes monolíticos impressos em 3D incorporam carvão ativado, óxido de grafeno e carbono poroso modificado. O grafite também é impresso em 3D como eletrodo devido à sua alta condutividade. Além disso, a resina fotossensível, após sinterização, torna-se um material carbonáceo, permitindo a incorporação direta de componentes ativos (YU et al., 2023).
Materiais porosos à base de carbono são compostos por carbono elementar e apresentam vantagens como baixo custo, ampla variedade, alta estabilidade térmica, grande área superficial específica e abundância de canais porosos (IDREES et al., 2020; PIXLEY et al., 2023). Esses materiais têm sido amplamente estudados e aplicados em áreas como adsorção, separação e catálise (CHUAH et al., 2021).
Entre eles, o carvão ativado foi o primeiro material carbonáceo desenvolvido, caracterizando-se por sua estabilidade, insolubilidade em água e na maioria dos solventes orgânicos (WEI et al., 2022). Além disso, sua produção é simples e utiliza matérias-primas amplamente disponíveis, tornando-o um material de baixo custo (BASKAR et al., 2022). O mais importante é que o carvão ativado possui uma área superficial específica de 500 a 1500 m²/g e um tamanho de poro entre 2 e 50 nm, o que o torna altamente promissor para aplicações em adsorção (MOYANO et al., 2021).
O grafeno é um material de carbono bidimensional composto por átomos de carbono hibridizados sp², organizados em uma estrutura hexagonal compacta em forma de colmeia (SHAHID et al., 2022). Devido à sua estrutura atômica e eletrônica única, além de suas excelentes propriedades mecânicas e alta condutividade elétrica e térmica, o grafeno possui uma ampla gama de aplicações (MURUGESAN et al., 2022).
Na Figura 03 é apresentado um caso de impressão 3D de material adsorvente à base de carvão ativado, por meio da tecnologia de Escrita Direta de Tinta (DIW), utilizada em estudo desenvolvido por (LEE et al., 2024).
ABAR, B. M. et al. Historical perspectives on 3D printing. Em: Clinical Applications of 3D Printing in Foot and Ankle Surgery. [s.l.] Elsevier, 2024. p. 1–16.
AHMED, M. B. et al. Adsorptive removal of antibiotics from water and wastewater: Progress and challenges. Science of The Total Environment, v. 532, p. 112–126, nov. 2015.
AL RASHID, A.; KOÇ, M. Additive manufacturing for sustainability, circularity and zero-waste: 3DP products from waste plastic bottles. Composites Part C: Open Access, v. 14, p. 100463, jul. 2024.
AWAD, A. et al. Advances in powder bed fusion 3D printing in drug delivery and healthcare. Advanced Drug Delivery Reviews, v. 174, p. 406–424, jul. 2021.
BASKAR, A. V. et al. Recovery, regeneration and sustainable management of spent adsorbents from wastewater treatment streams: A review. Science of The Total Environment, v. 822, p. 153555, maio 2022.
BERGLUND, G. et al. Additive manufacturing for the development of optical/photonic systems and components. Optica, v. 9, n. 6, p. 623, 20 jun. 2022.
CHEN, Q. et al. Adsorption film with sub-milli-interface morphologies via direct ink writing for indoor formaldehyde removal. Journal of Hazardous Materials, v. 427, p. 128190, abr. 2022a.
CHEN, W. et al. Covalent organic framework shows high isobutene adsorption selectivity from C4 hydrocarbons: Mechanism of interpenetration isomerism and pedal motion. Green Energy & Environment, v. 7, n. 2, p. 296–306, abr. 2022b.
CHUAH, C. Y. et al. Carbon Molecular Sieve Membranes Comprising Graphene Oxides and Porous Carbon for CO2/N2 Separation. Membranes, v. 11, n. 4, p. 284, 12 abr. 2021.
GHILAN, A. et al. Trends in 3D Printing Processes for Biomedical Field: Opportunities and Challenges. Journal of Polymers and the Environment, v. 28, n. 5, p. 1345–1367, 31 maio 2020.
HOMEM, V.; SANTOS, L. Degradation and removal methods of antibiotics from aqueous matrices – A review. Journal of Environmental Management, v. 92, n. 10, p. 2304–2347, out. 2011.
HUANG, J.; QIN, Q.; WANG, J. A Review of Stereolithography: Processes and Systems. Processes, v. 8, n. 9, p. 1138, 11 set. 2020.
HUANG, L. et al. Comparative Study on 3D Printed Ti6Al4V Scaffolds with Surface Modifications Using Hydrothermal Treatment and Microarc Oxidation to Enhance Osteogenic Activity. ACS Omega, v. 6, n. 2, p. 1465–1476, 19 jan. 2021.
IDREES, M. et al. 3D printed supercapacitor using porous carbon derived from packaging waste. Additive Manufacturing, v. 36, p. 101525, dez. 2020.
JIN, H. et al. 3D printed geopolymer adsorption sieve for removal of methylene blue and adsorption mechanism. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, v. 648, p. 129235, set. 2022.
JOSHI, S. C.; SHEIKH, A. A. 3D printing in aerospace and its long-term sustainability. Virtual and Physical Prototyping, v. 10, n. 4, p. 175–185, 2 out. 2015.
KITSON, P. J. et al. 3D printing of versatile reactionware for chemical synthesis. Nature Protocols, v. 11, n. 5, p. 920–936, 14 maio 2016.
LEE, J.-C. et al. Empowering powdered activated carbon (PAC) with 3D printing: Achieving highly efficient and reusable cationic dye removal. Chemosphere, v. 357, p. 141982, jun. 2024.
LI, F. et al. 3D Printing in analytical sample preparation. Journal of Separation Science, v. 43, n. 9–10, p. 1854–1866, 16 maio 2020.
LIU, Z. et al. 3D printing: Printing precision and application in food sector. Trends in Food Science & Technology, v. 69, p. 83–94, nov. 2017.
MAISANO, D. A. et al. A structured comparison of decentralized additive manufacturing centers based on quality and sustainability. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, v. 121, n. 1–2, p. 993–1014, 24 jul. 2022.
MOYANO, J. J. et al. Robust and conductive mesoporous reduced graphene oxide-silica hybrids achieved by printing and the sol gel route. Journal of the European Ceramic Society, v. 41, n. 4, p. 2908–2917, abr. 2021.
MURUGESAN, P. et al. Role of hydrogen in improving performance and emission characteristics of homogeneous charge compression ignition engine fueled with graphite oxide nanoparticle-added microalgae biodiesel/diesel blends. International Journal of Hydrogen Energy, v. 47, n. 88, p. 37617–37634, out. 2022.
NOGUERA-OVIEDO, K.; AGA, D. S. Lessons learned from more than two decades of research on emerging contaminants in the environment. Journal of Hazardous Materials, v. 316, p. 242–251, out. 2016.
PARHI, R. Recent advances in 3D printed microneedles and their skin delivery application in the treatment of various diseases. Journal of Drug Delivery Science and Technology, v. 84, p. 104395, jun. 2023.
PARK, S. H.; LEE, S. J. Thermoresponsive Al3+-crosslinked poly(N-isopropylacrylamide)/alginate composite for green recovery of lithium from Li-spiked seawater. Green Energy & Environment, v. 7, n. 2, p. 334–344, abr. 2022.
PARK, S.-S. et al. Facile Surface Treatment of 3D-Printed PLA Filter for Enhanced Graphene Oxide Doping and Effective Removal of Cationic Dyes. Polymers, v. 15, n. 2, p. 269, 4 jan. 2023.
PATEL, R. K. et al. Defluoridation of water using anatase titanium dioxide nano-powder loaded 3D printed model devise. Journal of Water Process Engineering, v. 40, p. 101785, abr. 2021.
PENG, J. et al. Ecological risk and early warning of soil compound pollutants (HMs, PAHs, PCBs and OCPs) in an industrial city, Changchun, China. Environmental Pollution, v. 272, p. 116038, mar. 2021.
PIXLEY, J. N. et al. A comprehensive review of platelet-rich plasma for the treatment of dermatologic disorders. Journal of Dermatological Treatment, v. 34, n. 1, 31 dez. 2023.
SAUVÉ, S.; DESROSIERS, M. A review of what is an emerging contaminant. Chemistry Central Journal, v. 8, n. 1, p. 15, 26 dez. 2014.
SCARIA, J. et al. Carbonaceous materials as effective adsorbents and catalysts for the removal of emerging contaminants from water. Journal of Cleaner Production, v. 350, p. 131319, maio 2022.
SCARIA, J.; ANUPAMA, K. V.; NIDHEESH, P. V. Tetracyclines in the environment: An overview on the occurrence, fate, toxicity, detection, removal methods, and sludge management. Science of The Total Environment, v. 771, p. 145291, jun. 2021.
SHAHID, M. et al. A Brief Assessment on Recent Developments in Efficient Electrocatalytic Nitrogen Reduction with 2D Non-Metallic Nanomaterials. Nanomaterials, v. 12, n. 19, p. 3413, 29 set. 2022.
STEFANAKIS, A. I.; BECKER, J. A. A Review of Emerging Contaminants in Water. Em: [s.l: s.n.]. p. 55–80.
SUN, C. et al. Projection micro-stereolithography using digital micro-mirror dynamic mask. Sensors and Actuators A: Physical, v. 121, n. 1, p. 113–120, maio 2005.
TAHERAN, M. et al. Emerging contaminants: Here today, there tomorrow! Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management, v. 10, p. 122–126, dez. 2018.
WANG, Y. et al. Selective adsorption of propene over propane on Li-decorated poly (triazine imide). Green Energy & Environment, v. 7, n. 2, p. 307–313, abr. 2022.
WEI, S. et al. A transcriptional regulator that boosts grain yields and shortens the growth duration of rice. Science, v. 377, n. 6604, 22 jul. 2022.
WU, P. et al. Boosting extraction of Pb in contaminated soil via interfacial solar evaporation of multifunctional sponge. Green Energy & Environment, v. 8, n. 5, p. 1459–1468, out. 2023.
YANG, P. et al. Analyzing acetylene adsorption of metal–organic frameworks based on machine learning. Green Energy & Environment, v. 7, n. 5, p. 1062–1070, out. 2022.
YU, J. et al. A review of adsorption materials and their application of 3D printing technology in the separation process. Chemical Engineering Journal, v. 475, p. 146247, nov. 2023.
ZAINUDDIN, M. Z. et al. The study of degradation and mechanical properties of poly(lactic) acid (PLA) based 3D printed filament. Engineering Research Express, v. 6, n. 2, p. 025423, 1 jun. 2024.
ZANOLETTI, A. et al. A New Porous Hybrid Material Derived From Silica Fume and Alginate for Sustainable Pollutants Reduction. Frontiers in Chemistry, v. 6, 19 mar. 2018.
ZHANG, P. et al. From materials to devices using fused deposition modeling: A state-of-art review. Nanotechnology Reviews, v. 9, n. 1, p. 1594–1609, 31 dez. 2020.
ZHANG, Y. et al. 3D printing technologies in water Treatment: Applications, Challenges, and emerging trends. Chemical Engineering Journal, v. 500, p. 157184, nov. 2024.
Autor:
Gabriel Perina Gongora, bolsista Fundação Araucária de Mestrado do NAPI EZC. Desenvolve o projeto sob a orientação do Prof. Dr. Sandro Lautenschlager, docente da UEM
Essa pesquisa
contribui para as seguintes ODS:
