Nel novembre 2015, Il Brasile ha vissuto un disastro ambientale senza precedenti. Quando due dighe si sono rotte in una miniera di ferro, un velenoso cocktail di metalli pesanti fu mandato a riversarsi nel Rio Doce, raggiungere l'Atlantico alcuni giorni dopo. Le conseguenze furono devastanti per la natura e per l'uomo:innumerevoli pesci, uccelli e animali sono morti, e un quarto di milione di persone sono rimaste senza acqua potabile.

Questo caso dimostra che l'inquinamento delle acque è uno dei problemi globali più gravi di oggi. Nessuna soluzione tecnica soddisfacente è stata trovata per il trattamento delle acque contaminate da metalli pesanti o sostanze radioattive. Metodi esistenti utilizzati per rimuovere l'acqua dai metalli pesanti, Per esempio, presentano diversi svantaggi:o sono troppo mirati a un elemento specifico o la loro capacità di filtraggio è troppo piccola; inoltre, spesso sono troppo costosi.

Filtrazione efficace dei metalli pesanti

Ora, una soluzione potrebbe essere stata trovata in un nuovo tipo di membrana filtrante ibrida sviluppata nel laboratorio di Raffaele Mezzenga, Professore di Food and Soft Materials all'ETH di Zurigo. Questa tecnologia non solo ha una struttura estremamente semplice, ma comprende anche materie prime a basso costo, come fibre di proteine ​​del siero di latte e carbone attivo. Gli ioni di metalli pesanti possono essere rimossi quasi completamente dall'acqua in un solo passaggio attraverso la membrana del filtro.

"Il progetto è una delle cose più importanti che avrei mai potuto fare, "dice Mezzenga, entusiasta del nuovo sviluppo. Lui e il suo ricercatore Sreenath Bolisetty furono le uniche persone a lavorarci, e la loro pubblicazione è appena apparsa sulla rivista Nanotecnologia della natura .

Sono necessari siero di latte e carbone attivo

Al centro del sistema di filtrazione c'è un nuovo tipo di membrana ibrida composta da carbone attivo e resistente, fibre di proteine ​​del siero di latte rigide. I due componenti sono economici da ottenere e semplici da produrre.

Prima di tutto, le proteine ​​del siero di latte sono denaturate, che li fa allungare, e alla fine si uniscono sotto forma di fibrille amiloidi. Insieme al carbone attivo (che è contenuto anche nelle compresse di carbone medico), queste fibre vengono applicate su un materiale di supporto adatto, come una carta da filtro in cellulosa. Il contenuto di carbonio è del 98%, con solo il 2% costituito dalla proteina.

Recupero dell'oro grazie alla membrana filtrante

Questa membrana ibrida assorbe vari metalli pesanti in maniera non specifica, compresi elementi di rilevanza industriale, come il piombo, mercurio, oro e palladio. Però, assorbe anche sostanze radioattive, come uranio o fosforo-32, che sono rilevanti nelle scorie nucleari o in alcune terapie antitumorali, rispettivamente.

Inoltre, la membrana elimina dall'acqua i cianuri metallici altamente tossici. Questa classe di materiali include il cianuro d'oro, che viene comunemente utilizzato nell'industria elettronica per produrre piste conduttrici su circuiti stampati. La membrana fornisce un modo semplice per filtrare e recuperare l'oro, quindi il sistema di filtraggio potrebbe un giorno svolgere un ruolo importante anche nel riciclaggio dell'oro. "Il profitto generato dall'oro recuperato è più di 200 volte il costo della membrana ibrida, "dice Mezzenga.

Il processo di filtrazione è estremamente semplice:l'acqua contaminata viene aspirata attraverso la membrana mediante vuoto. "Un vuoto sufficientemente forte potrebbe essere prodotto con una semplice pompa a mano, "dice Mezzenga, "che consentirebbe al sistema di funzionare senza elettricità". Per di più, il sistema è scalabile quasi all'infinito, consentendo di filtrare in modo conveniente anche grandi volumi di acqua.

Mentre vengono aspirati attraverso il filtro, le sostanze tossiche si "attaccano" principalmente alle fibre proteiche, che hanno numerosi siti di legame in cui possono attraccare i singoli ioni metallici. Però, l'ampia superficie del carbone attivo può assorbire anche grandi quantità di tossine, che permette di ritardare i limiti di saturazione delle membrane. Inoltre, le fibre proteiche conferiscono resistenza meccanica alla membrana e ad alte temperature consentono di convertire chimicamente gli ioni intrappolati in preziose nanoparticelle metalliche.

Capacità di assorbimento insuperabile

Mezzenga è entusiasta della capacità filtrante della membrana ibrida:nei test con cloruro di mercurio, Per esempio, la concentrazione di mercurio presente nel filtrato è diminuita di oltre il 99,5%. L'efficienza era ancora maggiore con un composto tossico di cianuro di potassio e oro, dove il 99,98% del composto era legato alla membrana, o con sali di piombo, dove l'efficienza era maggiore del 99,97%. E con l'uranio radioattivo, Il 99,4% della concentrazione originale è stato legato durante la filtrazione. "Abbiamo raggiunto questi alti valori in un solo passaggio, " sottolinea Bolisetty, coautore dell'invenzione.

Anche su più passaggi, la membrana ibrida filtra le sostanze tossiche con un alto grado di affidabilità. Sebbene la concentrazione di mercurio nel filtrato sia aumentata di un fattore 10 da 0,4 ppm (parti per milione) a 4,2 ppm dopo 10 passaggi, la quantità di proteine ​​utilizzata era estremamente bassa. Per filtrare mezzo litro di acqua contaminata, i ricercatori hanno utilizzato una membrana del peso di appena un decimo di grammo, di cui il 7% in peso è costituito da fibre proteiche. "Un chilo di proteine ​​del siero di latte basterebbe per purificare 90'000 litri di acqua, più della quantità di acqua necessaria in una vita umana, " dice il professore dell'ETH. Ciò implica anche che l'efficienza può essere ulteriormente aumentata ai requisiti desiderabili, semplicemente aumentando il contenuto proteico nella membrana, Aggiunge, sottolineando la flessibilità di questo nuovo approccio.

Potenziale promettente

Mezzenga è fiducioso che la sua tecnologia troverà la sua strada sul mercato. "Ci sono numerose applicazioni per questo, e l'acqua è uno dei problemi più urgenti che affrontiamo oggi, " dice alla luce del torrente di fango sperimentato in Brasile. Il professore dell'ETH ha brevettato la sua tecnologia ed è stato nominato nel marzo di quest'anno per lo Spark Award dell'ETH di Zurigo. Tuttavia, perché la pubblicazione scientifica ha dovuto subire un processo di revisione di nove mesi, solo ora Bolisetty e Mezzenga possono rendere pubblica la loro scoperta.