Le acque reflue di una persona sono il tesoro di un'altra persona. Un nuovo studio della Stanford University apre la strada all'estrazione di liquami per materiali preziosi utilizzati nei fertilizzanti e nelle batterie che un giorno potrebbero alimentare smartphone e aeroplani. L'analisi, pubblicata di recente su ACS ES&T Engineering , rivela come ottimizzare i processi elettrici per trasformare l'inquinamento da zolfo e potrebbe contribuire a portare a un trattamento delle acque reflue economico e alimentato da energia rinnovabile che crei acqua potabile.

"Siamo sempre alla ricerca di modi per chiudere il ciclo dei processi di produzione chimica", ha affermato l'autore senior dello studio Will Tarpeh, assistente professore di ingegneria chimica a Stanford. "Lo zolfo è un ciclo elementare chiave con margini di miglioramento nella conversione efficiente degli inquinanti sullo zolfo in prodotti come fertilizzanti e componenti della batteria."

Una soluzione migliore

Con la diminuzione delle forniture di acqua dolce, in particolare nelle regioni aride, l'attenzione si è intensificata sullo sviluppo di tecnologie che convertano le acque reflue in acqua potabile. I processi a membrana che utilizzano ambienti anaerobici o privi di ossigeno per filtrare le acque reflue sono particolarmente promettenti perché richiedono relativamente poca energia. Tuttavia, questi processi producono solfuro, un composto che può essere tossico, corrosivo e maleodorante. Le strategie per affrontare questo problema, come l'ossidazione chimica o l'uso di determinate sostanze chimiche per convertire lo zolfo in solidi separabili, possono generare sottoprodotti e innescare reazioni chimiche che corrodono i tubi e rendono più difficile la disinfezione dell'acqua.

Una soluzione allettante per affrontare la produzione di solfuro della filtrazione anaerobica consiste nel convertire il solfuro in sostanze chimiche utilizzate nei fertilizzanti e nel materiale catodico per le batterie al litio-zolfo, ma i meccanismi per farlo non sono ancora ben compresi. Quindi, Tarpeh e i suoi colleghi hanno deciso di chiarire un approccio conveniente che non creerebbe sottoprodotti chimici.

I ricercatori si sono concentrati sull'ossidazione elettrochimica dello zolfo, che richiede un basso apporto di energia e consente un controllo preciso dei prodotti finali di zolfo. Mentre alcuni prodotti, come lo zolfo elementare, possono depositarsi sugli elettrodi e rallentare le reazioni chimiche, altri come il solfato possono essere facilmente catturati e riutilizzati. Se funzionasse efficacemente, il processo potrebbe essere alimentato da energia rinnovabile e adattato per trattare le acque reflue raccolte da singoli edifici o intere città.

Facendo un nuovo uso della microscopia elettrochimica a scansione, una tecnica che facilita le istantanee microscopiche delle superfici degli elettrodi mentre i reattori sono in funzione, i ricercatori hanno quantificato le velocità di ciascuna fase dell'ossidazione elettrochimica dello zolfo insieme ai tipi e alle quantità di prodotti formati. Hanno identificato le principali barriere chimiche al recupero dello zolfo, compreso il fouling degli elettrodi e quali intermedi sono più difficili da convertire. Hanno scoperto, tra le altre cose, che parametri operativi variabili, come la tensione del reattore, potrebbero facilitare il recupero dello zolfo a bassa energia dalle acque reflue.

Queste e altre intuizioni hanno chiarito i compromessi tra efficienza energetica, rimozione del solfuro, produzione di solfato e tempo. Con loro, i ricercatori hanno delineato un quadro per informare la progettazione di futuri processi di ossidazione del solfuro elettrochimico che bilanciano l'apporto di energia, la rimozione degli inquinanti e il recupero delle risorse. Guardando al futuro, la tecnologia di recupero dello zolfo potrebbe anche essere combinata con altre tecniche, come il recupero dell'azoto dalle acque reflue per produrre fertilizzanti a base di solfato di ammonio. Il Codiga Resource Recovery Center, un impianto di trattamento su scala pilota nel campus di Stanford, svolgerà probabilmente un ruolo importante nell'accelerare la futura progettazione e implementazione di questi approcci.

"Speriamo che questo studio aiuti ad accelerare l'adozione di una tecnologia che mitiga l'inquinamento, recupera risorse preziose e crea acqua potabile allo stesso tempo", ha affermato l'autore principale dello studio Xiaohan Shao, Ph.D. studente in ingegneria civile e ambientale a Stanford.

Tarpeh è anche un assistente professore (per gentile concessione) di ingegneria civile e ambientale, un borsista del centro (per gentile concessione) dello Stanford Woods Institute for the Environment, uno studioso affiliato allo Stanford's Program on Water, Health and Development e un membro di Stanford Bio-X. L'autore aggiuntivo Sydney Johnson era uno studente universitario in ingegneria chimica a Stanford al momento della ricerca.