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Aug 15, 2023

Enfrentando as mudanças climáticas com a ajuda de "Filtros de café para moléculas"

Luis Francisco Villalobos ingressa na USC Viterbi, trazendo experiência em tecnologia de separação para transição energética e filtragem de água. Luis Francisco Villalobos está criando nanoporos com espessura de átomo

Luis Francisco Villalobos ingressa na USC Viterbi, trazendo experiência em tecnologia de separação para transição energética e filtragem de água.

Luis Francisco Villalobos está criando filtros moleculares nanoporosos com a espessura de um átomo, gravando os poros em uma camada de rede de grafeno – uma camada superfina de carbono com uma estrutura hexagonal precisa. Imagem/Joseph G. Manion e Luis Francisco Villalobos.

A tecnologia de separação é algo que muitos de nós precisamos apenas para enfrentar o dia. Todas as manhãs, nosso confiável filtro de café faz sua mágica, separando os grãos de café e convertendo a água naquela dose revigorante de energia líquida de que necessitamos para funcionar.

Luis Francisco Villalobos está interessado em saber como esse processo pode ser aproveitado em escala atômica usando membranas avançadas feitas de materiais energeticamente eficientes. Estas membranas de última geração podem garantir o nosso abastecimento de água potável, capturar elementos valiosos de resíduos e ajudar na transição para energia limpa.

Em janeiro, ele ingressou no Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais da Família Mork como professor assistente, aumentando a capacidade do departamento em tecnologia de separação para auxiliar na filtragem de água e técnicas de mitigação de poluição, como captura de carbono.

Villalobos disse que metade da energia gasta pela indústria química vai para o processo industrial de separação.

“A minha opinião pessoal é que este número só aumentará porque materiais críticos – como água, lítio, níquel e outros metais – estão sob pressão a níveis onde precisamos de melhores tecnologias de separação, para que possamos maximizar a sua recuperação”, disse ele.

Villalobos espera reverter essa tendência de uso intensivo de carbono desenvolvendo membranas superfinas com propriedades de material altamente controladas para criar um processo de separação modular e com eficiência energética.

“É como um filtro de café – o filtro permite a passagem da água, mas retém os grãos de café. Esta é uma separação que podemos ver. Mas a separação que pretendo está no nível molecular – separando uma molécula da outra em um fluxo”, disse Villalobos.

Uma das aplicações industriais mais comuns de separação em escala molecular é a membrana de osmose reversa usada para dessalinização e filtração de água. Villalobos está desenvolvendo tecnologia para esta aplicação, bem como captura e armazenamento de carbono e recuperação de materiais valiosos de resíduos líquidos, como salmoura, rejeitos de minas e água produzida - a água salina natural que sai da terra como resíduo produto da produção de petróleo e gás.

“Estamos pegando um fluxo de resíduos e extraindo dele algo valioso, para que possamos aumentar a disponibilidade desses recursos que estão se tornando cada vez mais escassos com o tempo”, disse Villalobos.

Um exemplo importante de produto disponível em fluxos de resíduos é o lítio – um material cada vez mais importante para produtos eletrônicos e armazenamento de baterias. O lítio é abundante nos oceanos e ainda assim muito difícil de extrair de forma eficiente em termos energéticos.

“Precisamos encontrar melhores maneiras de extrair lítio de fontes conhecidas, mas também encontrar outras fontes onde tradicionalmente não o extraímos”, disse Villalobos. “A água produzida sai dos reservatórios de petróleo e eles precisam fazer algo com ela. Ao passar pelas rochas da terra, ele contém muitos metais, incluindo o lítio. Então essa é uma fonte potencial.”

Professor Assistente do Departamento de Engenharia Química e Ciência dos Materiais da Família Mork Luis Francisco Villalobos.

A tecnologia de membrana de ponta que Villalobos está desenvolvendo é conhecida como filtro molecular nanoporoso com espessura de átomo. Ele trabalha com grafeno, uma camada de carbono com a espessura de um único átomo, perfeitamente disposta em um padrão hexagonal. Uma camada de grafeno intocada tem uma estrutura atômica muito compacta que não permite a passagem de moléculas.

“Mas se conseguirmos fazer muitos furos precisos nesses materiais com a espessura de um átomo, poderemos fazer membranas com grande eficiência energética”, disse Villalobos. “Normalmente, a energia que precisamos gastar para mover moléculas de um lado para o outro de uma membrana é proporcional à espessura da nossa membrana. Esses materiais são tão finos quanto possível.”