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di Lisa Zyga, Phys.org
NUOVA TECNICA DI DISSALAZIONE PER ACQUE SALMASTRE



(A) Sette coppie di barre/fili di grafite sono immerse in acqua salmastra.
(B) Una differenza di tensione elettrica viene applicata tra i fili che sono l'anodo e il catodo tramite nastri di rame, causando che gli elettrodi assorbano ioni di sale.
(C) La microscopia elettronica dell'immagine dell’insieme elettrodo - membrana.
Image credit: S. Porada, et al. © 2012 American Chemical Society



Visti l'aumento della popolazione mondiale e l'aumento della domanda di acqua dolce, molti ricercatori stanno sviluppando nuove tecniche per desalinizzare l'acqua salata. Tra di loro c'è un team di scienziati provenienti dai Paesi Bassi, che hanno mostrato come trasformare l’acqua salmastra (moderatamente salata) in acqua dolce potabile, utilizzando solo un paio di fili e una piccola tensione che può essere generata da una piccola cella solare. La tecnica, semplice, è potenzialmente più efficiente rispetto ad altre tecniche a causa della quantità minima di miscelazione tra l'acqua trattata e quella non trattata.
I ricercatori, guidati da Maarten Biesheuvel della Wageningen University di Wageningen, Paesi Bassi, e di Wetsus, Centro di Eccellenza per la tecnologia sostenibile delle acque di Leeuwarden, Paesi Bassi, hanno pubblicato il loro studio sulla desalinizzazione dell'acqua con fili in un recente numero di The Journal of Physical Chemistry Letters .
Come spiegano i ricercatori nel loro studio, ci sono due modi principali per desalinizzare l'acqua salata. Un modo è quello di estrarre molecole di acqua pura dall’acqua salata, come si fa in distillazione e osmosi inversa, in particolare per acqua con una elevata concentrazione di sale. L'approccio opposto è quello di rimuovere gli ioni di sale dall’acqua di mare fino a ottenere acqua dolce, il che si fa in deionizzazione e in tecniche di dissalazione che utilizzano, tra le altre cose, batterie e cellule microbiche.
Qui, gli scienziati hanno usato il secondo approccio. Hanno tolto ioni di sodio a carica positiva e ioni di cloro caricati negativamente dall’acqua salmastra per la produzione di acqua dolce. Per fare questo, hanno progettato un dispositivo costituito da due barre di grafite o fili sottili, che sono economici e altamente conduttivi. Hanno ricoperto la superficie esterna dei fili con uno strato poroso di elettrodo di carbonio, in modo che un filo possa fungere come un catodo e l’altro come un anodo. I fili sono stati bloccati a breve distanza l’uno dall’altro in un supporto in plastica, con ogni filo schiacciato contro una striscia di rame.
Per attivare gli elettrodi, i ricercatori hanno immerso sette serie di coppie di fili in un contenitore di acqua salmastra e hanno fatto correre cavi elettrici dalle strisce di rame a una fonte di alimentazione esterna. Dopo, applicando una piccola differenza di tensione (1-2 V) tra i due fili di grafite di ciascuna coppia di fili, un filo è diventato il catodo e ha assorbito i cationi di sodio caricati positivamente, mentre l'altro filo è diventato l'anodo e ha assorbito gli anioni di cloro caricati negativamente dall'acqua salata.


(A) coppie multiple di fili porosi - elettrodi che assorbono ioni di sale sotto una tensione applicata.
(B) Un elettrodo poroso raccoglie temporaneamente ioni quando il dispositivo è inserito nel contenitore con la salamoia.
(C) Dopo, cortocircuitando le celle, il sale viene rilasciato nel contenitore salamoia, ed i fili vengono trasferiti nuovamente al contenitore d'acqua dolce.
Image credit: S. Porada, et al. © 2012 American Chemical Society


Gli ioni vengono temporaneamente raccolti all'interno dei nanopori del rivestimento dell'elettrodo di carbonio fino a che la coppia di fili è sollevata manualmente dalla soluzione già trattata e immerso in un altro contenitore di acque reflue, o salamoia. Poi i ricercatori hanno rimosso la tensione, il che ha causato il rilascio da parte degli elettrodi degli ioni raccolti nelle acque di scarico, aumentando la loro salinità. Ripetendo questo ciclo otto volte, i ricercatori hanno misurato che la concentrazione salina dell'acqua salmastra originale, 20 mM (millimolars), si riduce a circa 7 mm. L'acqua è considerata potabile quando ha una salinità inferiore a circa 15 mM. Come Biesheuvel ha spiegato, questo miglioramento potrebbe essere utile per applicazioni che comportano il trattamento di acqua moderatamente salata.
"La nuova tecnica non è così adatta per acque estremamente salate, in quanto si basa sulla rimozione del sale, e rende la restante acqua meno salata", ha detto Biesheuvel a Phys.org , spiegando che distillazione e osmosi inversa sono ancora superiori per la dissalazione dell'acqua di mare (salinità di 500 mM e superiore). "La nuova tecnica è più adatta, per esempio, per le acque sotterranee, o per l'acqua per applicazioni di consumo che deve essere trattata per rimuovere gli ioni della cosiddetta durezza e per renderla meno salina. Questi flussi d'acqua sono giò all’origine meno salini, diciamo 100 mM o 30 mM. Oppure questo nuovo approccio può essere utile per il trattamento dell'acqua nell'industria per rimuovere gli ioni (sali) che lentamente si accumulano nel processo. In questo modo non c'è più bisogno di prelevare acqua dolce e / o di scaricare l'acqua usata (operazione soggetta ad alta sanzione pecuniaria). "
Uno dei maggiori vantaggi della tecnica è che evita la miscelazione inavvertita della salamoia con l'acqua trattata durante il processo, cosa che limita l'efficienza di deionizzazione in altre tecniche. Utilizzando un dispositivo manuale basato su un filo e producendo acqua dolce in un flusso continuo, i ricercatori possono dividere i due tipi di acqua in contenitori separati per evitare la miscelazione. Solo una quantità minima di salamoia, circa 0,26 mL per elettrodo, viene trasferito tra i contenitori, il che limita il grado di desalinizzazione, ma in misura minore rispetto ad altre tecniche. Un altro vantaggio della nuova tecnica è che è potenzialmente meno costosa rispetto ad altri metodi di dissalazione.
"Questa tecnica può essere resa molto poco costosa, solo barre di carbonio o fili per condurre gli elettroni, su cui si può semplicemente 'dipingere' l'impasto di carbone attivo, che diventa l'elettrodo di carbone poroso", ha detto Biesheuvel. "A causa della sua semplicità e basso costo, potrebbe entrare in competizione con le tecnologie già in uso per determinate applicazioni, e può anche avere vantaggi rispetto alla tecnologia chiamata deionizzazione capacitiva (CDI o cap-DI), che è oltre la fase di sviluppo e commercialmente disponibile. Inoltre, la tensione richiesta è bassa, solo 1,2 V per esempio, e a corrente continua, perfettamente compatibile con pannelli solari. Così può essere utilizzata al di fuori della rete di distribuzione elettrica o in posizioni remote".
Inoltre, Biesheuvel ha spiegato che le coppie di fili possono essere utilizzate più volte senza consumarsi, il che potrebbe dare al dispositivo una lunga durata.
"In tecniche capacitive in cui vengono utilizzati gli elettrodi al carbonio porosi per acquisire e rilasciare ioni di nuovo (nei cosiddetti 'doppi strati elettrici’ o EDL, formati nei pori molto piccoli all'interno del carbonio), è noto che il ciclo può essere utilizzato per migliaia o decine di migliaia di volte (fino a quando lo sperimentatore si stanca) senza alcun apprezzabile decadimento", ha detto. "Per i fili noi abbiamo provato a ripetere le operazioni solo fino a sei volte e non abbiamo trovato, come previsto, nessuna modifica. Questo è in contrasto con le tecniche che usano le batterie, sia per lo stoccaggio dell'energia sia per la dissalazione, in cui ci si aspetterebbe di perdere le prestazioni (come le batterie ricaricabili, che possono essere usate, ad esempio, 100 volte con successo). Questo perché in quelle tecniche c’è un vero processo chimico in corso, cambiamenti di fase, il cambiamento della micromorfologia dei materiali di anodo / catodo. Qui, nella tecnologia della dissalazione a filo, niente di questo genere, la EDL è un fenomeno puramente fisico in cui sono raccolti gli ioni vicino al carbonio carico nei nanopori sotto l'azione della tensione applicata, e in seguito rilasciati".
I ricercatori hanno anche trovato che l'efficienza potrebbe essere migliorata con l'aggiunta di un secondo rivestimento sulla membrana agli elettrodi. Ad esempio, una membrana cationica sul filo - catodo ha una elevata selettività verso cationi di sodio, bloccando l’assorbimento di anioni di cloro all'interno della regione dell'elettrodo. Come risultato, membrane cationiche (e, sul filo anodico, anioniche) potrebbero consentire agli elettrodi di assorbire e rimuovere più ioni rispetto a prima.
In futuro, i ricercatori prevedono di effettuare ulteriori esperimenti utilizzando le membrane cationiche e anioniche. Essi prevedono che tali miglioramenti possano aumentare il fattore di desalinizzazione di 3-4 volte dopo otto cicli, con l'80% dell'acqua di recupero (cioè, il 20% dell'acqua originale che diventa salamoia). I ricercatori vogliono anche utilizzare la tecnica per il trattamento di grandi volumi di acqua, che dicono potrebbe essere fatto utilizzando molte coppie di fili in parallelo per accelerare il processo di dissalazione.
"Questa ricerca continua migliorando e ingrandendo la tecnologia (prova con più grandi reti di fili), confezionando le membrane più da vicino, e applicando sistemi di automazione per muovere le aste automaticamente da un flusso d'acqua in un altro", ha detto Biesheuvel. "Vogliamo anche verificare il processo sul terreno, con acque 'reali' / acque di superficie, e non solo su semplici miscele artificiali di acqua e sale come l’abbiamo testato".

Per maggiori informazioni: S. Porada, et al. “Water Desalination with Wires.” The Journal of Physical Chemistry Letters.

Fonte: articolo su Phys Org, 8 giugno 2012, Copyright 2012 PhysOrg.


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