Gli ingegneri del MIT hanno sviluppato un nuovo approccio per rimuovere il piombo o altri contaminanti di metalli pesanti dall'acqua, in un processo che dicono sia molto più efficiente dal punto di vista energetico rispetto a qualsiasi altro sistema attualmente utilizzato, sebbene ce ne siano altri in fase di sviluppo che si avvicinano. In definitiva, potrebbe essere usato per trattare le forniture di acqua contaminata da piombo a livello domestico, o per trattare l'acqua contaminata da alcuni processi chimici o industriali.

Il nuovo sistema è l'ultimo di una serie di applicazioni basate sui risultati iniziali di sei anni fa da parte dei membri dello stesso gruppo di ricerca, inizialmente sviluppato per la desalinizzazione dell'acqua di mare o salmastra, e successivamente adattato per rimuovere i composti radioattivi dall'acqua di raffreddamento delle centrali nucleari. La nuova versione è il primo di questi metodi che potrebbe essere applicabile per il trattamento delle forniture idriche domestiche, anche per usi industriali.

I risultati sono pubblicati oggi sulla rivista Scienze e tecnologie ambientali -Acqua, in un articolo degli studenti laureati del MIT Huanhuan Tian, Mohammad Alkhadra, e Kameron Conforti, e professore di ingegneria chimica Martin Bazant.

"È notoriamente difficile rimuovere il metallo pesante tossico che è persistente e presente in molte fonti d'acqua diverse, " Dice Alkhadra. "Ovviamente ci sono metodi concorrenti oggi che fanno questa funzione, quindi è una questione di quale metodo può farlo a costi inferiori e in modo più affidabile."

La sfida più grande nel tentativo di rimuovere il piombo è che è generalmente presente in concentrazioni così piccole, ampiamente superato da altri elementi o composti. Per esempio, il sodio è tipicamente presente nell'acqua potabile ad una concentrazione di decine di parti per milione, considerando che il piombo può essere altamente tossico a poche parti per miliardo. La maggior parte dei processi esistenti, come l'osmosi inversa o la distillazione, rimuovere tutto in una volta, Alkhadra spiega. Questo non solo richiede molta più energia di quella necessaria per una rimozione selettiva, ma è controproducente poiché piccole quantità di elementi come sodio e magnesio sono in realtà essenziali per una sana acqua potabile.

Il nuovo approccio consiste nell'utilizzare un processo chiamato elettrodialisi d'urto, in cui un campo elettrico viene utilizzato per produrre un'onda d'urto all'interno di un tubo che trasporta l'acqua contaminata. L'onda d'urto separa il liquido in due flussi, tirando selettivamente alcuni atomi caricati elettricamente, o ioni, verso un lato del flusso sintonizzando le proprietà dell'onda d'urto in modo che corrispondano agli ioni bersaglio, lasciando un flusso di acqua relativamente pura dall'altra parte. Il flusso contenente gli ioni di piombo concentrati può quindi essere facilmente separato utilizzando una barriera meccanica nel tubo.

In linea di principio, "questo rende il processo molto più economico, "Bazant dice, "perché l'energia elettrica che stai mettendo per fare la separazione sta davvero andando dietro all'obiettivo di alto valore, che è il piombo. Non stai sprecando molta energia per rimuovere il sodio." Poiché il piombo è presente a una concentrazione così bassa, "non c'è molta corrente coinvolta nella rimozione di quegli ioni, quindi questo può essere un modo molto conveniente."

Il processo ha ancora i suoi limiti, come è stato dimostrato solo su piccola scala di laboratorio e a velocità di flusso piuttosto basse. L'ampliamento del processo per renderlo pratico per l'uso domestico richiederà ulteriori ricerche, e gli usi industriali su larga scala richiederanno ancora più tempo. Ma potrebbe essere pratico entro pochi anni per alcuni sistemi domiciliari, dice Bazant.

Per esempio, una casa il cui approvvigionamento idrico è fortemente contaminato dal piombo potrebbe avere un sistema in cantina che elabora lentamente un flusso d'acqua, riempire un serbatoio con acqua senza piombo da utilizzare per bere e cucinare, lasciando la maggior parte dell'acqua non trattata per usi come lo sciacquone del wc o l'irrigazione del prato. Tali usi potrebbero essere appropriati come misura provvisoria per luoghi come Flint, Michigan, dove l'acqua, per lo più contaminati dalle tubazioni di distribuzione, ci vorranno molti anni per rimediare attraverso la sostituzione dei tubi.

Il processo potrebbe anche essere adattato per alcuni usi industriali come l'acqua di pulizia prodotta nelle operazioni minerarie o di perforazione, in modo che l'acqua trattata possa essere smaltita o riutilizzata in sicurezza. E in alcuni casi, questo potrebbe anche fornire un modo per recuperare i metalli che contaminano l'acqua ma potrebbero effettivamente essere un prodotto prezioso se fossero separati; Per esempio, alcuni di questi minerali potrebbero essere utilizzati per elaborare semiconduttori o prodotti farmaceutici o altri prodotti ad alta tecnologia, dicono i ricercatori.

È difficile confrontare direttamente l'economia di un tale sistema con i metodi esistenti, Bazant dice, perché nei sistemi di filtrazione, Per esempio, i costi sono principalmente per la sostituzione dei materiali filtranti, che si intasano rapidamente e diventano inutilizzabili, considerando che in questo sistema i costi sono principalmente per l'input di energia in corso, che è molto piccolo. A questo punto, il sistema di elettrodialisi shock è stato utilizzato per diverse settimane, ma è troppo presto per stimare la longevità nel mondo reale di un tale sistema, lui dice.

Lo sviluppo del processo in un prodotto commerciale scalabile richiederà del tempo, ma "abbiamo mostrato come questo potrebbe essere fatto, dal punto di vista tecnico, " Dice Bazant. "Il problema principale sarebbe dal lato economico, " aggiunge. Ciò include la ricerca delle applicazioni più appropriate e lo sviluppo di configurazioni specifiche che soddisfino tali usi. "Abbiamo un'idea ragionevole di come scalare questo aspetto. Quindi è una questione di avere le risorse, " che potrebbe essere un ruolo per una startup piuttosto che un laboratorio di ricerca accademico, Aggiunge.

"Penso che questo sia un risultato entusiasmante, " lui dice, "perché dimostra che possiamo davvero affrontare questa importante applicazione" della pulizia del piombo dall'acqua potabile. Per esempio, lui dice, ci sono posti ora che eseguono la desalinizzazione dell'acqua di mare utilizzando l'osmosi inversa, ma devono eseguire questo costoso processo due volte di seguito, prima di togliere il sale, e poi di nuovo per rimuovere i contaminanti di basso livello ma altamente tossici come il piombo. Questo nuovo processo potrebbe essere utilizzato al posto del secondo ciclo di osmosi inversa, con un dispendio energetico decisamente inferiore.

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.