Quando si tratta di rimuovere dall'acqua concentrazioni molto diluite di inquinanti, i metodi di separazione esistenti tendono ad essere ad alta intensità energetica e chimica. Ora, un nuovo metodo sviluppato al MIT potrebbe fornire un'alternativa selettiva per rimuovere anche livelli estremamente bassi di composti indesiderati.

Il nuovo approccio è descritto nella rivista Scienze energetiche e ambientali , in un articolo del postdoc del MIT Xiao Su, Ralph Landau Professore di ingegneria chimica T. Alan Hatton, e altri cinque al MIT e all'Università tecnica di Darmstadt in Germania.

Il sistema utilizza un nuovo metodo, basandosi su un processo elettrochimico per rimuovere selettivamente contaminanti organici come pesticidi, prodotti chimici di scarto, e farmaceutici, anche quando questi sono presenti in piccole ma pericolose concentrazioni. L'approccio affronta anche i limiti chiave dei metodi di separazione elettrochimica convenzionali, come fluttuazioni di acidità e perdite di prestazioni che possono verificarsi a causa di reazioni superficiali concorrenti.

Gli attuali sistemi per trattare tali contaminanti diluiti includono la filtrazione a membrana, che è costoso e ha un'efficacia limitata a basse concentrazioni, ed elettrodialisi e deionizzazione capacitiva, che spesso richiedono tensioni elevate che tendono a produrre reazioni collaterali, Su dice. Questi processi sono ostacolati anche da sali di fondo in eccesso.

Nel nuovo sistema, l'acqua scorre tra trattate chimicamente, o "funzionalizzato, " superfici che fungono da elettrodi positivi e negativi. Queste superfici degli elettrodi sono rivestite con i cosiddetti materiali faradaici, che possono subire reazioni per caricarsi positivamente o negativamente. Questi gruppi attivi possono essere sintonizzati per legarsi fortemente con un tipo specifico di molecola inquinante, come dimostrato dal team utilizzando ibuprofene e vari pesticidi. I ricercatori hanno scoperto che questo processo può rimuovere efficacemente tali molecole anche a concentrazioni di parti per milione.

Gli studi precedenti si sono generalmente concentrati su elettrodi conduttivi, o piastre funzionalizzate su un solo elettrodo, ma questi raggiungono spesso alti voltaggi che producono composti contaminanti. Utilizzando elettrodi opportunamente funzionalizzati sia sul lato positivo che negativo, in una configurazione asimmetrica, i ricercatori hanno quasi completamente eliminato queste reazioni collaterali. Anche, questi sistemi asimmetrici consentono la rimozione selettiva simultanea di ioni tossici sia positivi che negativi allo stesso tempo, come dimostrato dal team con gli erbicidi paraquat e quinclorac.

Lo stesso processo selettivo dovrebbe essere applicato anche al recupero di composti di alto valore in un impianto di produzione chimica o farmaceutica, dove potrebbero altrimenti essere sprecati, Su dice. "Il sistema potrebbe essere utilizzato per le bonifiche ambientali, per la rimozione di sostanze chimiche organiche tossiche, o in un impianto chimico per recuperare prodotti a valore aggiunto, poiché farebbero tutti affidamento sullo stesso principio per estrarre lo ione di minoranza da un complesso sistema multi-ione".

Il sistema è intrinsecamente altamente selettivo, ma in pratica sarebbe probabilmente progettato con più fasi per trattare una varietà di composti in sequenza, a seconda dell'applicazione esatta, Su dice. "Tali sistemi potrebbero in definitiva essere utili, "suggerisce, "per i sistemi di purificazione dell'acqua per le aree remote del mondo in via di sviluppo, dove l'inquinamento da pesticidi, coloranti, e altre sostanze chimiche sono spesso un problema nell'approvvigionamento idrico. L'alta efficienza, il sistema azionato elettricamente potrebbe funzionare con l'energia dei pannelli solari nelle aree rurali, ad esempio."

A differenza dei sistemi a membrana che richiedono alte pressioni, e altri sistemi elettrochimici che funzionano ad alta tensione, il nuovo sistema funziona a tensioni e pressioni relativamente basse, dice Hatton. E, fa notare, a differenza dei sistemi di scambio ionico convenzionali in cui il rilascio dei composti catturati e la rigenerazione degli adsorbenti richiederebbero l'aggiunta di sostanze chimiche, "nel nostro caso basta premere un interruttore" per ottenere lo stesso risultato invertendo la polarità degli elettrodi.

Il team di ricerca ha già collezionato una serie di riconoscimenti per il continuo sviluppo della tecnologia di trattamento delle acque, comprese le sovvenzioni dei concorsi J-WAFS Solutions e Massachusetts Clean Energy Catalyst, ei ricercatori sono stati i primi vincitori del MIT Water Innovation Prize dello scorso anno. I ricercatori hanno richiesto un brevetto sul nuovo processo. "Vogliamo assolutamente implementarlo nel mondo reale, " dice Hatton. Nel frattempo, stanno lavorando per ampliare i loro prototipi di dispositivi in ​​laboratorio e migliorare la robustezza chimica.

Questa tecnica "è altamente significativa, poiché estende le capacità dei sistemi elettrochimici da fondamentalmente non selettivi verso la rimozione altamente selettiva di inquinanti chiave, "dice Matteo Suss, un assistente professore di ingegneria meccanica presso il Technion Institute of Technology in Israele, chi non era coinvolto in questo lavoro. "Come per molte tecniche emergenti di purificazione dell'acqua, deve ancora essere testato in condizioni reali e per lunghi periodi per verificarne la durata. Però, il sistema prototipo ha raggiunto oltre 500 cicli, che è un risultato molto promettente".

Questi ricercatori "hanno esplorato sistematicamente una varietà di configurazioni di dispositivi e una varietà di contaminanti, "dice Kyle Smith, un professore di scienze meccaniche e ingegneria presso l'Università dell'Illinois, che anche non è stato coinvolto in questo lavoro. "Nel processo hanno individuato i principi generali di progettazione mediante i quali ottenere la rimozione selettiva dei contaminanti. A questo proposito, Trovo che lo studio di Hatton e dei colleghi sia molto accurato e ponderato. Fornisce un quadro o un paradigma per altri ricercatori da emulare." Ma, Aggiunge, "Una sfida significativa che rimane è lo scale-up di queste tecnologie".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.