Ogni giorno, microinquinanti finiscono nei laghi, nei fiumi e nei torrenti del mondo. La maggior parte degli impianti convenzionali di trattamento delle acque reflue non sono attrezzati per rimuovere questi residui potenzialmente pericolosi. La società francese Eden Tech sta sviluppando un sistema compatto di trattamento delle acque per aiutare ad affrontare questo problema. Il loro innovativo design AKVO (che prende il nome dalla parola latina aqua) combina due processi fisici in un unico sistema… composto da un materiale insolito: i compact disc (CD)!
La crescente preoccupazione per i contaminanti
“Sono molti i modi in cui i microinquinanti raggiungono le acque reflue”, racconta Wei Zhao, senior chemical engineer e chief product officer in Eden Tech. Tra le fonti di questi contaminanti ci sono le acque reflue domestiche, il deflusso agricolo e il drenaggio derivato dalle delle attività industriali.
Molti impianti convenzionali di trattamento delle acque reflue (WasteWater Treatment Plants, WWTP, Figura 1) non sono progettati per rimuovere questi contaminanti. Anche se il rischio che rappresentano per la salute umana e ambientale non è del tutto chiaro, la crescente quantità di inquinanti presente nei bacini idrici del mondo è preoccupante.
Figura 1. La maggior parte degli impianti convenzionali di trattamento delle acque non è in grado di rimuovere i microinquinanti. Foto di Ivan Bandura su Unsplash.
Tenendo presente questo problema in rapida crescita, Eden Tech si è impegnata per sviluppare una soluzione: così è nato AKVO. Ogni nucleo di CD AKVO è progettato con un diametro di 15 cm e uno spessore di 2 mm. Una cartuccia AKVO è composta da CD impilati di numero variabile, combinati per creare una fabbrica miniaturizzata. Un nucleo AKVO tratta da 0,5 a 2 m3 d’acqua al giorno: questo significa che un sistema AKVO composto da 10.000 CD può trattare il fabbisogno di un comune di medie dimensioni. Ma come può un dispositivo fatto di CD decontaminare l’acqua?
Un metodo sostenibile per il trattamento delle acque reflue
Un singolo sistema AKVO (Figura 2) consiste in una cartuccia su misura riempita di CD impilati, su ciascuno dei quali è incisa una rete di microcanali. Il sistema rimuove gli elementi indesiderati nelle acque reflue, come i microinquinanti, facendo circolare l’acqua nelle sue reti di microcanali. Queste reti sono efficienti dal punto di vista energetico perché richiedono solo una piccola pompa per far circolare e pulire grandi volumi d’acqua. Le cartucce del sistema AKVO possono essere facilmente sostituite e Eden Tech si occupa del loro riciclaggio.
Figura 2. AKVO con l’indicazione di tutti i suoi componenti.
AKVO combina la microfluidica con la fotocatalisi, un tipo di processo di ossidazione avanzata (Advanced Oxidation Process, AOP). La fotocatalisi è un modo veloce ed efficace per rimuovere i microinquinanti dalle acque reflue. Rispetto ad altri AOP, è considerato più sicuro e più sostenibile perché è alimentato da una fonte di luce. Durante la fotocatalisi, la luce viene assorbita dai fotocatalizzatori che hanno la capacità di creare coppie di elettroni-vacanze, che a loro volta generano radicali idrossili liberi capaci di reagire con gli inquinanti target e degradarli. “È un progetto molto ambizioso”, dichiara Zhao. “Vogliamo sviluppare un metodo innovativo per offrire un modo ecologico ed efficiente di trattare le acque reflue”. Tuttavia, Zhao e il suo team hanno affrontato diverse sfide di progettazione prima di poter raggiungere i loro obiettivi.
Vincere le sfide di progettazione
Durante l’uso, un agente chimico (catalizzatore) e l’acqua di scarico vengono dispersi attraverso le pareti dei microcanali di AKVO. Lo scopo del catalizzatore, in questo caso il biossido di titanio, è quello di reagire con i microinquinanti e contribuire alla loro rimozione. Tuttavia, la velocità di flusso di AKVO complica questa azione. “A volte, quando mettiamo l’agente chimico all’interno di una delle pareti dei canali, i microinquinanti nelle acque reflue non possono reagire in modo efficiente con l’agente”, spiega Zhao. Per ampliare l’opportunità di contatto tra i microinquinanti e l’agente chimico immobilizzato, Zhao e il suo team hanno creato un progetto di micromiscelatore a spina di pesce sfalsato (Staggered Herringbone Micromixer, SHM) per le reti di microcanali di AKVO (Figura 3).
Figura 3. Una parte della geometria delle reti di microcanali di AKVO.
Per analizzare le prestazioni del progetto SHM in modo da supportare le reazioni chimiche finalizzate alla degradazione dei microinquinanti, Zhao ha usato il software COMSOL Multiphysics®.
Simulazione delle reazioni chimiche per la degradazione dei microinquinanti
Zhao ha costruito due diversi modelli in COMSOL Multiphysics® (Figura 4), chiamati Explicit Surface Adsorption (ESA) e Converted Surface Concentration (CSC). Entrambi questi modelli tengono conto di fenomeni chimici e fluidodinamica.
Figure 4. In COMSOL Multiphysics®, Zhao ha utilizzato le interfacce Chemistry, Transport of Diluted Species, Laminar Flow e Reacting Flow, Diluted Species.
Entrambi i modelli hanno mostrato come la struttura SHM di AKVO crei vortici nel flusso che si muove attraverso di essa; questo permette ai microinquinanti e all’agente chimico di avere un periodo di reazione più lungo e migliora il trasferimento di massa tra ogni strato fluido. Tuttavia, i risultati del modello ESA mostrano che il progetto ha purificato solo il 50% circa dei microinquinanti sotto trattamento, cioè una quantità inferiore a quella che Zhao si aspettava.
Figura 5. Risultati del modello Explicit Surface Adsorption.
A differenza del modello ESA (Figura 5), nel modello CSC si assume che non ci sia alcuna limitazione di adsorbimento. Pertanto, finché un microinquinante arriva alla superficie di un catalizzatore, avviene una reazione, che è stata discussa nella letteratura esistente (Rif. 1). In questo modello, Zhao ha analizzato il funzionamento del progetto per la degradazione di sei diversi microinquinanti, tra cui gemfibrozil, ciprofloxacina, carbamazepina, acido clofibrico, bisfenolo A e acetaminofene (Figura 6). I risultati si sono rivelati in linea con quello che Zhao si aspettava, con più del 95% dei microinquinanti trattati.
Figura 6. Confronto delle prestazioni del progetto SHM per la fotodegradazione di sei diversi microinquinanti.
“Siamo davvero soddisfatti dei risultati ottenuti con COMSOL Multiphysics®. I miei prossimi passi saranno dedicati ai test di laboratorio [del prototipo AKVO]. Ci aspettiamo di avere il nostro primo prototipo pronto per l’inizio del 2022”, spiega Zhao. Il prototipo sarà infine testato in ospedali e stazioni di trattamento delle acque nel sud della Francia.
La simulazione ha aiutato il team di Eden Tech a risparmiare tempo e denaro. Sviluppare un prototipo di un sistema microfluidico come AKVO è costoso. Fabbricare una fotomaschera per imprimere reti di microcanali su un CD costerebbe circa 3000 euro, quindi è importante essere sicuri che il sistema funzioni bene prima della sua fabbricazione. “COMSOL Multiphysics® ci ha davvero aiutato a validare i nostri modelli e i nostri progetti”, conclude Zhao.
di Rachel Keatley
Riferimenti
- C.S. Turchi and D. F. Ollis, “Photocatalytic degradation of organic water contaminants: Mechanisms involving hydroxyl radical attack,” Journal of Catalysis, Vol. 122, p. 178, 1990.
COMSOL Multiphysics è un marchio registrato di COMSOL AB.
La versione completa di questo articolo è stata originariamente pubblicata su: https://www.comsol.it/story/designing-a-miniaturized-wastewater-treatment-plant-for-micropollutant-degradati-102891
