Immaginate che esista un modo economico per purificare le acque reflue che non implichi l'uso di prodotti chimici? Ebbene, i ricercatori del MIT hanno ora sviluppato un nuovo processo per rimuovere gli agenti inquinanti dall’acqua, che potrebbe avere un impatto di vasta portata rendendo il trattamento delle acque reflue più conveniente e, quindi, più accessibile in tutto il mondo.

Lo spreco delle acque reflue  

I tema della Giornata Mondiale dell'Acqua di quest'anno erano le acque reflue con un invito all’azione per “ridurre e riutilizzare” le acque reflue a livello globale. Perché le acque reflue?

Perché oltre l’80% delle acque reflue nel mondo ritorna direttamente nell'ecosistema senza essere trattato o riutilizzato. Si tratta di uno spreco di una risorsa preziosa con un doppio danno per l'ambiente. Innanzitutto, l’acqua non trattata inquina l’ambiente, ma oggi 1.8 miliardi di persone utilizzano solo acqua contaminata come fonte di acqua potabile. In secondo luogo, l’acqua è una fonte limitata e sappiamo già che si trovano le acque sotterranee, la più grande fonte di acqua dolce rischio di esaurirsi in molte parti del mondo entro il 2050.

 

Il potenziale delle acque reflue come risorsa preziosa è sancito dall’Obiettivo di sviluppo sostenibile (SDG) 6.3, che mira a “migliorare la qualità dell’acqua riducendo l’inquinamento, eliminando gli scarichi e minimizzando il rilascio di sostanze chimiche e materiali pericolosi, dimezzando la percentuale di acque reflue non trattate e aumentando sostanzialmente riciclaggio e riutilizzo sicuro a livello globale” entro il 2030.

La possibilità di raggiungere l’obiettivo SDG 6.3 è stata appena rafforzata dai ricercatori del MIT che hanno inventato un Nuovo metodo che possono rimuovere “anche livelli estremamente bassi di composti indesiderati” dall’acqua in modo sostenibile.

Il nuovo metodo fornisce al mondo un’alternativa economica ed ecologica per rimuovere gli inquinanti dall’acqua. Finora i metodi prevalenti sono ad alta intensità energetica e chimica, che non solo sono costosi ma anche dannosi per l’ambiente.

Il team dietro l'invenzione è uno studente post-doc del MIT Xiao Su, Ralph Landau, professore di ingegneria chimica del MIT T.Alan Hattone altri cinque ricercatori del MIT e dell'Università Tecnica di Darmstadt in Germania.

Secondo Hatton, il nuovo sistema funziona a basse tensioni e pressioni, quindi non presenta gli svantaggi di altri sistemi convenzionali che richiedono tensioni e pressioni elevate. Ha anche aggiunto che il nuovo sistema non necessita dell'aggiunta di sostanze chimiche per rilasciare gli inquinanti catturati e rigenerare gli adsorbenti. Invece, nel nuovo sistema, si potrebbe “basta premere un interruttore” per ottenere lo stesso risultato cambiando la polarità degli elettrodi.

Come funziona il nuovo sistema?

Il nuovo sistema utilizza elettricità e superfici trattate chimicamente per rimuovere selettivamente dall’acqua contaminanti organici come pesticidi, prodotti chimici di scarto e prodotti farmaceutici, anche quando questi contaminanti sono presenti in concentrazioni piccole ma comunque pericolose. Affronta inoltre i problemi inerenti agli attuali sistemi convenzionali, comprese le fluttuazioni dell'acidità e le perdite di prestazioni derivanti da reazioni superficiali concorrenti.

 

Gli attuali sistemi per rimuovere concentrazioni diluite di contaminanti dall’acqua non sono solo costosi ma anche meno efficaci quando si tratta di basse concentrazioni. Spesso richiedono inoltre tensioni elevate che tendono a produrre composti contaminanti, una reazione collaterale, e sono ostacolate da un eccesso di sali di fondo.

Al contrario, nel nuovo sistema del MIT, l'acqua scorre tra superfici trattate chimicamente, o “funzionalizzate”, che fungono da elettrodi positivi e negativi. Queste superfici degli elettrodi sono rivestite con materiali faradaici, ovvero materiali che possono subire reazioni e caricarsi positivamente o negativamente. Quindi viene aggiunta una fonte elettrica. Mentre l’acqua scorre tra questi elettrodi trattati chimicamente, i materiali della superficie possono essere regolati per legarsi fortemente con un tipo specifico di molecola inquinante, come dimostrato dal team con l’ibuprofene e vari pesticidi.

I ricercatori hanno scoperto che questo processo è efficace anche quando si rimuovono tali molecole inquinanti a concentrazioni di parti per milione.

I ricercatori hanno inoltre riscontrato che l’utilizzo di elettrodi opportunamente funzionalizzati, disposti in modo asimmetrico, comportava l’eliminazione quasi totale delle reazioni collaterali presenti in altri sistemi. Lo rende anche possibile rimuovere selettivamente e simultaneamente gli ioni tossici sia positivi che negativi allo stesso tempo, cosa che il team ha dimostrato con due erbicidi, paraquat e quinclorac.

Su ha spiegato che lo stesso processo selettivo potrebbe essere utilizzato per recuperare composti di alto valore in un impianto di produzione chimica o farmaceutica, dove altrimenti potrebbero essere sprecati.

“Il sistema potrebbe essere utilizzato per la bonifica ambientale, per la rimozione di sostanze chimiche organiche tossiche o in un impianto chimico per recuperare prodotti a valore aggiunto, poiché si baserebbero tutti sullo stesso principio per estrarre lo ione minoritario da un complesso sistema multi-ione ", ha detto Su in una nota.

Sebbene il sistema sia intrinsecamente altamente selettivo, Su ritiene che in pratica comporterebbe un approccio in più fasi per affrontare una varietà di composti in sequenza, che dipenderebbe dall’applicazione esatta.

"Tali sistemi potrebbero in definitiva essere utili per i sistemi di purificazione dell'acqua nelle aree remote del mondo in via di sviluppo, dove l'inquinamento da pesticidi, coloranti e altri prodotti chimici è spesso un problema per l'approvvigionamento idrico", ha affermato in una nota. “Il sistema altamente efficiente e azionato elettricamente potrebbe funzionare con l’energia dei pannelli solari nelle aree rurali, ad esempio”.

Il nuovo sistema del MIT è descritto nella rivista Energia e Scienze Ambientali.

Il gruppo di ricerca è stato riconosciuto per il continuo sviluppo della tecnologia di trattamento dell'acqua, comprese le sovvenzioni dei concorsi J-WAFS Solutions e Massachusetts Clean Energy Catalyst, e i ricercatori hanno anche vinto il MIT Water Innovation Prize dello scorso anno.

I ricercatori hanno richiesto un brevetto e intendono ampliare i loro dispositivi prototipo in laboratorio e migliorarne la robustezza chimica.

"Vogliamo assolutamente implementare questo nel mondo reale", ha detto Hatton in una nota.

Qual è il futuro del nuovo sistema?

TUN ha parlato con Hatton e Su per dare seguito ai loro piani per il loro nuovo sistema.

Siamo stati informati che la tecnologia non è stata ancora testata al di fuori del laboratorio, ma che stanno iniziando a funzionare con acque effluenti reali. Sperano di procedere allo studio sul campo nei prossimi sei-dodici mesi.

Entrambi sono ottimisti riguardo a ciò che il nuovo sistema può ottenere.

“Questa tecnologia si dimostra promettente per la bonifica delle risorse idriche contaminate su un’ampia gamma di scale, dalle unità di purificazione dell’acqua domestica ai grandi impianti di trattamento dell’acqua industriali e municipali, a costi e pressioni inferiori rispetto a molti altri approcci e con una maggiore selettività per i microinquinanti di preoccupazione diretta per l’EPA [Environmental Protection Agency]”, ha affermato Hatton.

La tecnologia ha anche altre potenziali applicazioni.

“Si tratta di una tecnologia versatile con una vasta gamma di applicazioni, non solo nel trattamento delle acque, ma anche in applicazioni biologiche e nella mitigazione delle emissioni di gas serra”, ha affermato Hatton.

Su concorda sul fatto che il nuovo sistema avrebbe un impatto nel mondo reale.

"Come ha menzionato Alan [Hatton], qualcosa che ci interessa molto attualmente è ampliare le nostre tecnologie e testarle in condizioni pratiche reali", ha affermato Su.

“Ci aspettiamo che il nostro lavoro, una volta implementato, abbia un impatto sulla purificazione dell’acqua sia qui negli Stati Uniti, sia in tutto il mondo, soprattutto nei paesi in via di sviluppo che si trovano ad affrontare gravi problemi di inquinamento”.

Il nuovo sistema è ideale per le aree rurali e remote, dove molti non hanno accesso all’acqua potabile. Un recente studio condotto in Australia, ad esempio, ha scoperto che la fornitura di acqua non pulita potrebbe contribuire a: durata di vita inferiore nelle zone rurali e remote del paese.

Oltre alle applicazioni industriali, un vantaggio della nostra piattaforma elettrochimica è che può essere implementata in loco, sul campo in aree rurali e remote. Il nostro dispositivo per la purificazione dell’acqua potrà quindi essere integrato con l’energia solare o altre fonti rinnovabili e, si spera, soddisferà le esigenze delle piccole comunità.

[Divisore]

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