La maggior parte delle persone sulla Terra riceve acqua dolce da laghi e fiumi. Ma questi rappresentano solo lo 0,007% dell’acqua mondiale. Con l’aumento della popolazione umana, è aumentata anche la domanda di acqua dolce. Ora, due persone su tre nel mondo affrontano una grave scarsità d’acqua almeno un mese all’anno.
Altre fonti d’acqua, come l’acqua di mare e le acque reflue, potrebbero essere utilizzate per soddisfare il crescente fabbisogno idrico. Ma queste fonti d’acqua sono piene di sale e di solito contengono contaminanti come metalli tossici. Scienziati e ingegneri hanno sviluppato metodi per rimuovere sali e tossine dall’acqua, processi chiamati desalinizzazione. Ma le opzioni esistenti sono costose e richiedono molta energia, soprattutto perché richiedono molti passaggi. Le attuali tecniche di desalinizzazione creano anche molti rifiuti: circa la metà dell’acqua immessa in alcuni impianti di desalinizzazione viene persa come acque reflue contenenti tutti i sali e le tossine rimossi.
Sono uno studente di dottorato in ingegneria chimica e biomolecolare e faccio parte di un team che ha recentemente creato un nuovo metodo di purificazione dell’acqua che speriamo possa rendere più efficiente la desalinizzazione, più facile la gestione dei rifiuti e più piccole le dimensioni degli impianti di trattamento delle acque. Questa tecnologia presenta un nuovo tipo di filtro che può mirare e catturare i metalli tossici rimuovendo allo stesso tempo il sale dall’acqua.
Progettare un filtro all-in-one
Per costruire un singolo filtro che potesse sia catturare i metalli che rimuovere il sale, io e i miei colleghi avevamo prima bisogno di un materiale in grado di rimuovere molti contaminanti diversi, principalmente metalli pesanti, dall’acqua. Per fare questo, ci siamo rivolti a minuscole particelle assorbenti chiamate strutture aromatiche porose. Queste particelle sono progettate per catturare selettivamente i singoli contaminanti. Ad esempio, un tipo di particella assorbente può catturare solo mercurio. Altri tipi rimuovono specificamente solo rame, ferro o boro. Ho quindi incorporato questi quattro diversi tipi di particelle in sottili membrane di plastica, creando essenzialmente filtri personalizzati che catturassero i contaminanti in base al tipo di particelle che inserivo nella membrana.
Un collega e io abbiamo quindi inserito questi filtri a membrana in un depuratore d’acqua per elettrodialisi. L’elettrodialisi è un metodo che utilizza l’elettricità per estrarre sali e tossine dall’acqua, attraverso una membrana e in un flusso di rifiuti separato. Questi rifiuti, spesso chiamati salamoia, possono diventare tossici e costosi da smaltire nei processi di desalinizzazione esistenti.
Nel processo modificato del mio team, chiamato elettrodialisi a cattura ionica, la nostra speranza era che le membrane riempite con le minuscole particelle che assorbono il metallo catturassero i metalli tossici invece di consentire loro di spostarsi nella salamoia. Ciò otterrebbe tre vantaggi contemporaneamente in modo efficiente dal punto di vista energetico: sali e metalli sarebbero rimossi dall’acqua; i metalli tossici verrebbero catturati in una piccola membrana facilmente eliminabile – o addirittura potenzialmente riutilizzabili; e il flusso di rifiuti salati non sarebbe tossico.
Quanto è efficace l’elettrodialisi a cattura ionica?
Una volta che il nostro team ha realizzato con successo queste membrane, abbiamo dovuto testarle. Il primo test che ho eseguito ha utilizzato filtri a membrana incorporati con assorbenti che catturano il mercurio per purificare l’acqua da tre fonti che contenevano sia mercurio che sali: acque sotterranee, acque salmastre e acque reflue industriali. Con grande entusiasmo del nostro team, le membrane hanno catturato tutto il mercurio in ogni test. Inoltre, le membrane erano anche ottime per eliminare il sale: oltre il 97% è stato rimosso dall’acqua sporca. Dopo un solo passaggio attraverso la nostra nuova macchina per elettrodialisi, l’acqua era perfettamente potabile. È importante sottolineare che ulteriori esperimenti ha mostrato che nessun mercurio può passare attraverso il filtro fino a quando quasi tutte le particelle assorbenti nel filtro non sono esaurite.
I miei colleghi e io dovevamo quindi vedere se il nostro processo di elettrodialisi a cattura ionica avrebbe funzionato su altri metalli nocivi comuni. Ho testato tre filtri a membrana che contenevano assorbenti per rame, ferro o boro. Ogni filtro è stato un successo. Ciascun filtro ha catturato tutti i contaminanti target senza che alcuna quantità rilevabile passasse nella salamoia, rimuovendo contemporaneamente oltre il 96% dei sali dall’acqua, purificando l’acqua in condizioni utilizzabili.
Sfide rimanenti
I nostri risultati mostrano che il nostro nuovo metodo di purificazione dell’acqua può catturare selettivamente molti contaminanti comuni rimuovendo anche il sale dall’acqua. Ma ci sono ancora altre sfide tecnologiche da capire.
In primo luogo, le particelle assorbenti altamente selettive – le strutture aromatiche porose – che io e i miei colleghi abbiamo mescolato nella membrana sono troppo costose per essere inserite in filtri prodotti in serie. Probabilmente è possibile inserire nei filtri assorbenti più economici, ma di qualità inferiore, ma ciò potrebbe peggiorare le prestazioni di purificazione dell’acqua.
In secondo luogo, gli ingegneri come me devono ancora testare l’elettrodialisi a cattura ionica su scale più grandi di quelle utilizzate in laboratorio. Spesso possono sorgere problemi nelle nuove tecnologie durante questa transizione dal laboratorio all’industria.
Infine, gli ingegneri degli impianti di trattamento delle acque dovrebbero trovare un modo per mettere in pausa il processo appena prima che gli assorbenti della membrana siano esauriti. Altrimenti, i contaminanti tossici inizierebbero a fuoriuscire attraverso il filtro nelle acque reflue salate. Gli ingegneri potrebbero quindi riavviare il processo dopo aver sostituito il filtro o dopo aver rimosso i metalli dal filtro e averli raccolti come rifiuti separati.
Speriamo che il nostro lavoro porti a nuovi metodi in grado di purificare in modo efficiente ed efficace le fonti d’acqua che sono più abbondanti – ma più contaminate – dell’acqua dolce. Il lavoro ne vale davvero la pena. Dopotutto, gli effetti della scarsità d’acqua sono giganteschi, sia a livello sociale che mondiale.
Autore
Adam Uliana, PhD Student in Chemical and Biomolecular Engineering, University of California, Berkeley
