Ci vuole molta energia per raccogliere, pulire e smaltire l'acqua contaminata. Alcuni contaminanti, come l'arsenico, si verificano a basse concentrazioni, richiedendo processi di rimozione selettiva ancora più energivori.

In un nuovo documento, i ricercatori affrontano questa relazione acqua-energia introducendo un dispositivo in grado di purificare e riparare l'acqua contaminata da arsenico in un unico passaggio. Utilizzando elettrodi polimerici specializzati, il dispositivo può ridurre l'arsenico nell'acqua di oltre il 90% utilizzando circa 10 volte meno energia rispetto ad altri metodi.

I risultati del nuovo studio sono pubblicati sulla rivista Materiale avanzato . L'arsenico è un elemento naturale che entra nelle falde acquifere, ruscelli e laghi quando l'acqua reagisce con rocce contenenti arsenico ed è considerata altamente tossica, hanno detto i ricercatori. Questo è un problema globale che colpisce più di 200 milioni di persone in 70 paesi.

Non tutto l'arsenico è uguale, disse Xiao Su, un professore di ingegneria chimica e biomolecolare presso l'Università dell'Illinois che ha diretto lo studio. La forma più pericolosa di arsenico, noto come arsenito, è altamente reattivo con i tessuti biologici, ma si converte in una forma meno tossica, chiamato arseniato, attraverso una semplice reazione di ossidazione.

"Possiamo rimuovere l'arsenito dall'acqua usando assorbenti, membrane specializzate o evaporazione, ma questi sono tutti processi ad alta intensità energetica che alla fine lasciano molti rifiuti tossici, " Ha detto Su. "Avendo un dispositivo in grado di catturare l'arsenito con un'elevata selettività e convertirlo in una forma meno tossica, possiamo ridurre la tossicità dei rifiuti purificando l'acqua."

Il dispositivo di prova funziona integrando la separazione dei contaminanti e le fasi di reazione all'interno di una singola unità con una cella elettrocatalitica, simile a una batteria, che utilizza polimeri redox-attivi. Quando l'acqua contaminata entra nel dispositivo, il primo elettrodo polimerico cattura selettivamente l'arsenito e lo invia all'altro elettrodo polimerico, dove viene privato di due dei suoi elettroni, o ossidato, per formare arsenato. L'acqua pura lascia quindi il dispositivo, e i rifiuti di arseniato sono concentrati per un ulteriore smaltimento, Su ha detto.

"Il processo è alimentato da reazioni elettrochimiche, quindi il dispositivo non richiede molta elettricità per funzionare e consente il riutilizzo degli elettrodi in base solo al potenziale elettrochimico, " Ha detto Su. "Combinare le fasi di separazione e reazione in un unico dispositivo è un esempio di ciò che chiamiamo intensificazione dei processi, che riteniamo sia un approccio importante per affrontare le preoccupazioni ambientali legate all'energia e all'acqua, in particolare, la quantità di energia necessaria per purificare e bonificare l'acqua contaminata."

Oltre al miglioramento della sostenibilità e dell'efficienza energetica, questo approccio elettrochimico presenta vantaggi per l'impiego sul campo, hanno detto i ricercatori. Gli utenti possono far funzionare il dispositivo utilizzando pannelli solari in aree in cui l'elettricità è scarsa, come in parti del Bangladesh rurale, un paese in cui oltre il 60% della popolazione è colpito da acque contaminate da arsenico, hanno detto i ricercatori.

Ci sono sfide da affrontare prima che il dispositivo sia pronto per l'implementazione nel mondo reale. "Dobbiamo aumentare la stabilità degli elettrodi perché questo processo dovrà essere ripetuto molte volte durante l'esecuzione, " Su ha detto. "Stiamo usando molto specializzati, materiali polimerici altamente avanzati per gli elettrodi. Però, dobbiamo assicurarci di progettarli in modo che siano non solo altamente selettivi per l'arsenico, ma anche molto stabili e robuste in modo che non debbano essere sostituite continuamente. Ciò richiederà un ulteriore sviluppo chimico per essere superato".