Nuovi tipi di adsorbitori a membrana rimuovono le particelle indesiderate dall'acqua e inoltre, allo stesso tempo, sostanze disciolte come il bisfenolo A ormonalmente attivo o il piombo tossico. Per fare questo, i ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per l'ingegneria interfacciale e la biotecnologia IGB hanno inserito particelle adsorbenti selettive nelle membrane di filtrazione.

Solo nel gennaio 2015 l'Autorità europea per la sicurezza alimentare (EFSA) ha abbassato il valore soglia per il bisfenolo A negli imballaggi. La sostanza chimica sfusa ormonalmente attiva è tra l'altro un materiale di base per il policarbonato da cui, Per esempio, CD, si producono stoviglie in plastica o occhiali da vista. Grazie alla sua struttura chimica, il bisfenolo A non è completamente degradato nelle fasi biologiche degli impianti di trattamento e viene scaricato nei fiumi e nei laghi dall'impianto di depurazione.

Il carbone attivo o i materiali adsorbenti sono già utilizzati per rimuovere i prodotti chimici, antibiotici o metalli pesanti da acque reflue o di processo. Però, uno svantaggio di questi materiali altamente porosi è il lungo tempo di contatto che gli inquinanti richiedono per diffondersi nei pori. In modo che il maggior numero possibile di sostanze nocive venga catturato anche in un tempo più breve, gli impianti di trattamento utilizzano quantità maggiori di adsorbitori in bacini di trattamento di dimensioni corrispondenti. Però, il carbone attivo può essere rigenerato solo con un elevato apporto energetico, con conseguente per lo più nella necessità di smaltire grandi quantità di materiale contaminato da inquinanti.

Anche, filtrazione a membrana con membrane a nanofiltrazione o ad osmosi inversa, che può rimuovere le sostanze contaminanti, non è ancora conveniente per la rimozione di molecole disciolte da flussi ad alto volume come processi o acque reflue. Le membrane filtrano l'acqua attraverso i loro pori quando si crea una pressione su un lato della membrana, trattenendo così molecole più grandi e particelle solide. Ma più piccoli sono i pori della membrana, maggiore è la pressione – e quindi maggiore è l'energia – necessaria per separare le sostanze dall'acqua.

Adsorbitori a membrana:filtraggio e legatura in un unico passaggio

I ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per l'ingegneria interfacciale e la biotecnologia IGB di Stoccarda hanno optato per un nuovo approccio che combina i vantaggi di entrambi i metodi. Durante la produzione delle membrane aggiungono piccoli, particelle polimeriche adsorbenti. Gli adsorbitori a membrana risultanti possono, oltre alla loro funzione di filtrazione, legare in modo adsorbente le sostanze disciolte in acqua. "Utilizziamo la struttura porosa della membrana situata sotto lo strato di separazione. I pori hanno una superficie altamente specifica in modo che il maggior numero possibile di particelle possa essere incorporato, e forniscono anche un'accessibilità ottimale, "dice il dottor Thomas Schiestel, Responsabile del gruppo di lavoro "Interfacce e membrane inorganiche" presso il Fraunhofer IGB.

"A differenza degli adsorbitori convenzionali, i nostri adsorbitori a membrana trasportano gli inquinanti per convezione. Ciò significa che, con l'acqua che scorre rapidamente attraverso i pori della membrana, un tempo di contatto della durata di pochi secondi è sufficiente per adsorbire gli inquinanti sulla superficie delle particelle, " dice lo scienziato. Fino al 40 percento del peso degli adsorbitori a membrana è rappresentato dalle particelle, quindi la loro capacità di legame è corrispondentemente elevata. Allo stesso tempo gli adsorbitori a membrana possono essere azionati a basse pressioni. Poiché le membrane possono essere imballate molto strettamente, volumi d'acqua molto grandi possono essere trattati anche con piccoli dispositivi.

Particelle adsorbenti funzionali

I ricercatori producono le particelle dell'adsorbitore in un unico passaggio, processo efficiente in termini di costi. In questo processo brevettato i componenti monomerici vengono polimerizzati con l'aiuto di un agente reticolante per generare globuli polimerici da 50 a 500 nanometri. "A seconda di quali sostanze devono essere rimosse dall'acqua, selezioniamo quello più adatto da una varietà di monomeri con diversi gruppi funzionali, "Spiega Schiestel. Lo spettro qui varia dalla piridina, che tende ad essere idrofobo, mediante composti cationici di ammonio e comprende fosfonati anionici.

Rimozione selettiva di inquinanti e metalli

I ricercatori hanno potuto dimostrare in vari test che gli adsorbitori a membrana rimuovono gli inquinanti in modo molto selettivo per mezzo delle particelle, che sono personalizzati per il particolare contaminante in questione. Per esempio, gli adsorbitori a membrana con gruppi piridinici legano particolarmente bene il bisfenolo A idrofobo, mentre quelli con gruppi amminici adsorbono il sale caricato negativamente dell'antibiotico penicillina G.

"Le varie particelle dell'adsorbitore possono anche essere combinate in un'unica membrana. In questo modo possiamo rimuovere più microinquinanti contemporaneamente con un solo adsorbitore a membrana, "dice Schiestel, segnalando un ulteriore vantaggio. Dotato di diversi gruppi funzionali, gli adsorbitori a membrana possono anche rimuovere dall'acqua metalli pesanti tossici come piombo o arsenico. adsorbitori a membrana di fosfonato, Per esempio, assorbe più di 5 grammi di piombo per metro quadrato di superficie della membrana, il 40% in più rispetto a un adsorbitore a membrana disponibile in commercio.

Economico e rigenerabile

In modo che gli adsorbitori a membrana possano essere utilizzati più volte, gli inquinanti adsorbiti devono essere nuovamente staccati dalle particelle nella membrana. "Gli adsorbitori a membrana per il bisfenolo A possono essere completamente rigenerati da uno spostamento del valore del pH, " Spiega Schiestel. Gli inquinanti concentrati possono quindi essere smaltiti in modo economico o scomposti utilizzando opportuni processi ossidativi.

La rigenerabilità degli adsorbitori a membrana rende possibile anche un'ulteriore applicazione:il riutilizzo delle molecole separate. Ciò rende inoltre la tecnologia interessante per il recupero di metalli preziosi preziosi o metalli delle terre rare.