Purificare l'acqua con la forza del sole

Oct 16, 2023

Pubblicato: 17 marzo 2023

Autore: Brett Beasley

“Oggi le grandi sfide sono l’informatica e l’energia”, spiega László Forró, Professore di Fisica della Materia Quantistica Complessa presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Notre Dame, Aurora e Thomas Marquez, “ma domani la grande sfida sarà acqua."

L’Organizzazione Mondiale della Sanità riferisce che oggi quasi due miliardi di persone consumano regolarmente acqua contaminata. Si stima che entro il 2025 metà della popolazione mondiale potrebbe trovarsi ad affrontare la scarsità d’acqua. Molte delle persone colpite si trovano in aree rurali prive delle infrastrutture necessarie per gestire moderni depuratori d’acqua, mentre molti altri si trovano in aree colpite da guerre, disastri naturali o inquinamento. C’è più che mai bisogno di modi innovativi per estendere l’accesso all’acqua a coloro che vivono senza elettricità, servizi igienico-sanitari e reti di trasporto.

Recentemente, il laboratorio di Forró ha sviluppato proprio una soluzione del genere. Hanno creato un depuratore d’acqua, descritto nella rivista partner di Nature Clean Water, che è alimentato da una risorsa a cui hanno accesso quasi tutte le persone più vulnerabili del mondo: il sole.

Il componente chiave del sistema Forró è il biossido di titanio. Il biossido di titanio è un materiale facilmente disponibile noto per le sue proprietà di diffusione della luce. In una forma, è un pigmento che conferisce ad alcune vernici e dentifrici il loro caratteristico colore “bianco titanio”. Serve anche come ingrediente attivo nelle creme solari, assorbendo la luce prima che raggiunga la pelle.

Il biossido di titanio può anche reagire alla luce in un altro modo: producendo forme di ossigeno altamente reattive chiamate “radicali liberi”. Questi radicali liberi sono in grado di distruggere parassiti, batteri e virus presenti nell’acqua contaminata.

Forró e i suoi colleghi si sono resi conto che se fossero riusciti a produrre una quantità sufficiente di biossido di titanio sotto forma di nanofili, avrebbero potuto trovare un modo per usarlo per purificare l’acqua. I nanofili avevano una larghezza di circa 10 nanometri, circa un 6.000esimo della larghezza di un capello umano. Il problema era che la maggior parte dei laboratori poteva creare solo pochi grammi di nanofili alla volta. Tuttavia, Forró e Endre Horváth, un chimico, hanno aperto la strada a un nuovo processo che ha generato nanofili di biossido di titanio in grandi quantità. Il nuovo processo ha avuto un vantaggio importante. Potrebbe produrre un chilogrammo (più di due libbre) di nanofili alla volta.

Con maggiori quantità di nanofili di biossido di titanio a loro disposizione, Forró e i suoi colleghi sono stati in grado di formare nuovi materiali compositi. Hanno mescolato i nanofili con nanotubi di carbonio in sospensione per formare una sorta di rete. Hanno drenato la rete e l'hanno assottigliata utilizzando una lama fino a renderla più sottile di un foglio di carta per fotocopie. Quindi hanno riscaldato il materiale finché i suoi componenti non si sono fusi insieme per formare una membrana che potevano utilizzare come filtro.

Per costruire un sistema di purificazione, il team di Forró ha inserito il filtro tra lastre di vetro e ha creato un'entrata nella parte superiore di un'estremità e un'uscita nella parte inferiore dell'estremità opposta. Hanno ipotizzato che l'acqua che scorre nel dispositivo sarebbe stata purificata da tre processi distinti che funzionavano in parallelo tra loro. Uno è la filtrazione meccanica. Il materiale filtrante impedirebbe alle particelle più grandi di passare attraverso la carta. Allo stesso tempo, la luce solare interagirebbe con il biossido di titanio per produrre radicali liberi e distruggere eventuali microbi presenti nell’acqua. Allo stesso tempo, la luce solare riscalderebbe la carta da filtro e l’acqua circostante, pastorizzandola e garantendo ulteriormente la distruzione di eventuali microrganismi dannosi. Quindi l'acqua purificata potrebbe uscire dal dispositivo pronta per il consumo.

Con il prototipo completamente assemblato, Forró e i suoi colleghi hanno potuto sottoporlo a una serie di test. Un test ha coinvolto l’acqua di un fiume vicino. Hanno analizzato l'acqua per individuare l'E. coli prima e dopo la filtrazione e hanno scoperto che il dispositivo era in grado di eliminare completamente qualsiasi E. coli dall'acqua. Hanno anche testato il dispositivo su acqua mescolata con un “cocktail” di nove diversi inquinanti. Questi includevano residui di farmaci, pesticidi, prodotti per la manutenzione, ormoni e cosmetici. Hanno scoperto che il processo di sanificazione in tre parti del filtro rimuoveva porzioni significative anche di queste molecole inquinanti dall’acqua.