Alguns tipos de poluição da a¡gua, como proliferação de algas e pla¡sticos que sujam rios, lagos e ambientes marinhos, estãoa  vista de todos. Mas outros contaminantes não são tão aparentes, o que torna seu impacto potencialmente mais perigoso. Entre essas substâncias invisa­veis estãoo ura¢nio. Lixiviando em recursos ha­dricos de operações de mineração, depa³sitos de resíduos nucleares ou de depa³sitos subterra¢neos naturais, o elemento agora pode ser encontrado fluindo de torneiras em todo o mundo.

Sa³ nos Estados Unidos, “muitas áreas são afetadas pela contaminação de ura¢nio, incluindo os aqa¼a­feros High Plains e Central Valley, que fornecem águapota¡vel para 6 milhões de pessoas”, diz Ahmed Sami Helal, pa³s-doutorado no Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear. Esta contaminação representa um perigo pra³ximo e presente. “Mesmo pequenas concentrações são ruins para a saúde humana”, diz Ju Li , o Professor de Ciência e Engenharia Nuclear da Aliana§a de Energia Battelle e professor de ciência e engenharia de materiais.

Agora, uma equipe liderada por Li desenvolveu um manãtodo altamente eficiente para remover o ura¢nio da águapota¡vel. Aplicando uma carga elanãtrica a  espuma de a³xido de grafeno, os pesquisadores podem capturar o ura¢nio em solução, que precipita como um cristal sãolido condensado. A espuma pode ser reaproveitada em atésete vezes sem perder suas propriedades eletroquímicas. “Em poucas horas, nosso processo pode purificar uma grande quantidade de águapota¡vel abaixo do limite da EPA para o ura¢nio”, diz Li.

Um artigo descrevendo este trabalho foi publicado nesta semana em  Advanced Materials. Os dois primeiros co-autores são Helal e Chao Wang, um pa³s-doutorado no MIT durante o estudo, que agora estãona Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Tongji, em Xangai. Pesquisadores do Laborata³rio Nacional de Argonne, da Universidade Nacional Chiao Tung de Taiwan e da Universidade de Ta³quio também participaram da pesquisa. A Agência de Redução de Ameaa§as de Defesa (Departamento de Defesa dos EUA) financiou os esta¡gios posteriores desse trabalho.

O projeto, lana§ado hátrês anos, começou como um esfora§o para encontrar melhores abordagens para a limpeza ambiental de metais pesados ​​de locais de mineração. Atéo momento, os manãtodos de remediação para metais como cromo, ca¡dmio, arsaªnio, chumbo, mercaºrio, ra¡dio e ura¢nio tem se mostrado limitados e caros. “Essas técnicas são altamente sensa­veis aos orga¢nicos na águae são pobres em separar os contaminantes de metais pesados”, explica Helal. “Portanto, eles envolvem longos tempos de operação, altos custos de capital e, ao final da extração, geram mais lodo ta³xico.”

Para a equipe, o ura¢nio parecia um alvo particularmente atraente. Testes de campo do Servia§o Geola³gico dos EUA e da Agência de Proteção Ambiental (EPA) revelaram na­veis insalubres de ura¢nio movendo-se para reservata³rios e aqua­feros de fontes de rocha natural no nordeste dos Estados Unidos, de lagos e poa§os que armazenam velhas armas nucleares e combusta­vel em lugares como Hanford , Washington, e de atividades de mineração localizadas em muitos estados ocidentais. Esse tipo de contaminação éprevalente em muitas outras nações também. Um número alarmante desses sites mostra concentrações de ura¢nio próximas ou acima do teto recomendado pela EPA de 30 partes por bilha£o (ppb) - umnívelligado a danos renais, risco de câncer emudanças neurocomportamentais em humanos.

O desafio crítico estava em encontrar um processo de remediação prático exclusivamentesensívelao ura¢nio, capaz de extraa­-lo da solução sem produzir resíduos ta³xicos. E embora pesquisas anteriores tenham mostrado que a fibra de carbono eletricamente carregada pode filtrar o ura¢nio da a¡gua, os resultados foram parciais e imprecisos.

Wang conseguiu resolver esses problemas - com base em sua investigação do comportamento da espuma de grafeno usada para baterias de la­tio-enxofre. “O desempenho fa­sico desta espuma foi aºnico devido a  sua capacidade de atrair certas espanãcies químicas para suasuperfÍcie”, diz ela. “Achei que os ligantes da espuma de grafeno funcionariam bem com o ura¢nio.”

A equipe começou a trabalhar na transformação da espuma de grafeno no equivalente a um a­ma£ de ura¢nio. Eles aprenderam que, enviando uma carga elanãtrica pela espuma, dividindo a águae liberando hidrogaªnio, podiam aumentar o pH local e induzir uma mudança química que puxava os a­ons de ura¢nio para fora da solução. Os pesquisadores descobriram que o ura¢nio se enxertava nasuperfÍcie da espuma, onde formou um hidra³xido de ura¢nio cristalino nunca antes visto. Na reversão da carga elanãtrica, o mineral, que se assemelha a escamas de peixe, escorregou facilmente da espuma.

Foram necessa¡rias centenas de tentativas para obter a composição química e a eletra³lise certas. “Continuamos mudando os grupos químicos funcionais para que funcionassem corretamente”, diz Helal. “E a espuma inicialmente era bastante fra¡gil, tendendo a se quebrar em pedaço s, então precisa¡vamos torna¡-la mais forte e dura¡vel”, diz Wang.

Este processo de filtração de ura¢nio ésimples, eficiente e limpo, de acordo com Li: “Cada vez que éusada, nossa espuma pode capturar quatro vezes seu pra³prio peso de ura¢nio, e podemos atingir uma capacidade de extração de 4.000 mg por grama, que éum grande melhoria em relação a outros manãtodos ”, diz ele. “Tambanãm fizemos um grande avanço na reutilização, porque a espuma pode passar por sete ciclos sem perder sua eficiência de extração.” A espuma de grafeno funciona bem na águado mar, onde reduz as concentrações de ura¢nio de 3 partes por milha£o para 19,9 ppb, mostrando que outros a­ons na salmoura não interferem na filtração.

A equipe acredita que seu dispositivo eficaz e de baixo custo pode se tornar um novo tipo de filtro de águadomanãstico, cabendo em torneiras como as de marcas comerciais. “Alguns desses filtros já tem carva£o ativado, então talvez pudanãssemos modifica¡-los, adicionar eletricidade de baixa voltagem para filtrar o ura¢nio”, diz Li.

“A extração de ura¢nio que esse dispositivo consegue émuito impressionante quando comparada aos manãtodos existentes”, diz Ho Jin Ryu, professor associado de engenharia nuclear e qua¢ntica do Instituto Avana§ado de Ciência e Tecnologia da Coreia. Ryu, que não estava envolvido na pesquisa, acredita que a demonstração da reutilização da espuma de grafeno éum "avanço significativo" e que "a tecnologia de controle de pH local para aumentar a deposição de ura¢nio tera¡ impacto porque o princa­pio cienta­fico pode ser aplicado de forma mais geral a  extração de metais pesados ​​de águapolua­da. ”

Os pesquisadores já começam a investigar aplicações mais amplas de seu manãtodo. “Existe uma ciência para isso, então podemos modificar nossos filtros para serem seletivos para outros metais pesados, como chumbo, mercaºrio e ca¡dmio”, diz Li. Ele observa que o ra¡dio éoutro perigo significativo para locais nos Estados Unidos e em outros lugares que carecem de recursos para uma infraestrutura confia¡vel de águapota¡vel.

“No futuro, em vez de um filtro de águapassivo, podera­amos usar um filtro inteligente alimentado por eletricidade limpa que ativa a ação eletrola­tica, o que poderia extrair vários metais ta³xicos, informar quando regenerar o filtro e fornecer garantia de qualidade sobre a águaque vocêestãobebendo. ”