Gli impianti di trattamento delle acque reflue impiegano una varietà di processi efficaci e consolidati per il trattamento delle acque reflue e delle acque reflue. Finora, però, non c'è un ideale, metodo uniformemente riconosciuto per rimuovere le sostanze in tracce. Ricercatori dell'Istituto Fraun-hofer per l'ambiente, Sicurezza e tecnologia energetica UMSICHT stanno cercando di cambiare questa situazione. In un progetto noto come ZeroTrace, stanno perseguendo un approccio integrato che combina il proprio composito di carbone attivo con un processo di rigenerazione elettrica di nuova concezione. Il risultato è un metodo che promette efficienza, sostenibilità e fattibilità su larga scala.

Quando la gente in Germania apre il rubinetto, di solito possono essere sicuri che l'acqua che fuoriesce sia più che buona da bere. Ciò è dovuto essenzialmente al gran numero di impianti di trattamento, che impiegano una varietà di dispositivi meccanici altamente efficaci, metodi biologici e chimici per liberare le nostre acque reflue dalle impurità. Eppure tracce di sostanze come residui farmaceutici, i prodotti chimici domestici e gli agenti di contrasto utilizzati nell'imaging a raggi X sono più difficili da rimuovere. Sfortunatamente, questi possono rappresentare un serio pericolo sia per l'uomo che per gli animali, anche in concentrazioni molto basse.

Per affrontare questo problema, sempre più impianti sono ora in fase di retrofit con un ulteriore livello di trattamento, progettati per rimuovere tali sostanze in tracce. Ciò include l'uso di processi chimico-ossidativi, che possono creare sottoprodotti problematici. Nell'insieme, però, il metodo di scelta è il carbone attivo. Il carbone attivo ha una struttura estremamente porosa, che gli conferisce una superficie enorme, dentro e fuori. Quattro grammi di carbone attivo hanno una superficie grande quanto un campo da calcio. È in grado di assorbire altre sostanze, in base al loro stato di carica, come una spugna che assorbe un liquido.

Maggiore attenzione alla sostenibilità

Parlando in generale, il carbone attivo offre un modo efficace per rimuovere le sostanze in tracce dalle acque reflue. In pratica, però, c'è spesso un inconveniente chiave. Ilka Gehrke è capo del dipartimento ambiente e utilizzo delle risorse presso l'Istituto Fraunhofer per l'ambiente, Sicurezza e tecnologia energetica UMSICHT a Oberhausen. Spiega:"Attualmente, la maggior parte dei processi utilizza carbone attivo in polvere. Una volta che questo ha assorbito più materiale possibile, viene smaltito per combustione. Questo è ovviamente un grosso problema in termini di sostenibilità, soprattutto perché il carbone attivo è spesso costituito da una materia prima non rinnovabile, vale a dire, carbone nero standard."

I ricercatori del Fraunhofer UMSICHT hanno quindi collaborato con un certo numero di partner industriali su un progetto congiunto finanziato dal Ministero federale tedesco dell'istruzione e della ricerca. ZeroTrace mira a ottimizzare l'uso del carbone attivo per la rimozione di sostanze in tracce dalle acque reflue. Il team di ricerca sta perseguendo un approccio integrato che include anche un'indagine sulla gestione dell'innovazione e sulla conservazione delle risorse. Dal principio, i ricercatori hanno quindi potuto prendere in considerazione i vari fattori che guidano o inibiscono l'innovazione in questo campo.

Gehrke e il suo team stanno studiando l'uso di carbone attivo granulare realizzato con materiali rinnovabili come legno o gusci di cocco. A differenza del carbone attivo in polvere, questi granuli possono essere riattivati ​​mediante trattamento ad altissima temperatura. Questo rimuove le sostanze adsorbite, riattivando così il carbonio esaurito per il riutilizzo. Attualmente, però, questo carbonio esaurito deve spesso essere trasportato su lunghe distanze per la riattivazione. Inoltre, quando i pezzi di carbonio sono mescolati insieme in un letto fluidizzato, c'è un'elevata abrasione, determinando un sostanziale impoverimento del materiale.

Un metodo di rigenerazione adeguato ha portato al prodotto di partenza giusto

I ricercatori si sono quindi concentrati sullo sviluppo di un processo di rigenerazione che potesse essere effettuato direttamente negli impianti di trattamento delle acque reflue. "Il processo utilizza un effetto fisico di campi elettrici, "Spiega Gehrke. "È un'idea che altri hanno già perseguito in relazione alla purificazione del gas. Per il nostro progetto, siamo stati in grado di trasferire molti dei principi in uno scenario basato sui liquidi. Allora, i processi elettrici erano molto costosi, così la ricerca finì per essere accantonata. Ma ora potremo fare sempre più uso dell'energia in eccesso prodotta da fonti rinnovabili. Nel futuro, possiamo aspettarci di vedere la disponibilità di energia a basso costo nei momenti di picco di generazione".

L'idea alla base del nuovo processo si basa su un fenomeno noto come adsorbimento a oscillazione del campo elettrico (EFSA):il carbonio esausto viene riscaldato elettricamente fino al punto in cui gli inquinanti adsorbiti vengono desorbiti o bruciati. Perché questo funzioni, sia il carbone attivo che il reattore devono soddisfare determinate specifiche. Il carbone attivo deve avere una conducibilità elettrica sufficientemente elevata, in modo che conduca la quantità di energia richiesta. Allo stesso tempo, però, deve inoltre avere una resistenza elettrica sufficientemente elevata, in modo che si riscaldi alla temperatura richiesta mentre la corrente lo attraversa. Per questo scopo, Gehrke e il suo team hanno sviluppato il proprio composito di carbone attivo. Il materiale di base è carbone in polvere, che è mescolato con grafite. Questo gli conferisce una conducibilità elettrica tre volte quella del normale carbone attivo, senza alcuna diminuzione delle sue proprietà di adsorbimento. Per quanto riguarda il reattore, la difficoltà principale era costruirlo in modo tale che potesse resistere a temperature fino a 650 gradi Celsius. Il team di Gehrke ha optato per un processo di rigenerazione continua:"L'idea è di rimuovere continuamente piccole quantità di carbone esausto dalla vasca di decantazione mediante un trasportatore, per rigenerarlo e poi reimmetterlo nel serbatoio. Ciò richiede solo un reattore relativamente piccolo, perché non deve mai elaborare più di una frazione del carbonio totale speso in qualsiasi momento, e la rigenerazione stessa dura solo pochi minuti. E, poiché il carbonio esaurito non si muove all'interno del reattore, c'è una minima abrasione, quindi stimiamo che dovremo ricostituirlo solo con un massimo del 10% di nuovo carbone attivo per ciclo".

Risultati promettenti con un grande potenziale

L'uso di questo composito di carbone attivo è stato sottoposto a prove presso l'impianto di trattamento delle acque reflue del partner industriale Wuppertal-Buchenhofen, dove è stato dimostrato che assorbe con successo le sostanze in tracce. Per testare il processo di rigenerazione, i ricercatori hanno installato un prototipo di reattore in un luogo rimosso dall'impianto di trattamento. Questo reattore, che ha una capacità da 40 a 50 litri, fornito anche risultati incoraggianti. Al termine di una fase progettuale di quasi 3 anni, Gehrke è quindi fiducioso:"I nostri test hanno dimostrato non solo che il nostro processo conserva le risorse, ma anche che è economico e competitivo". Attualmente, i partner stanno discutendo possibili progetti di follow-up che coinvolgono progetti pilota su larga scala situati in loco presso l'impianto di trattamento delle acque reflue.