Filtro ad alta efficienza per i metalli pesanti
I ricercatori del Fare ricerca all'ETH stanno sviluppando un nuovo tipo di sistema di filtraggio dell'acqua che è superiore ai sistemi precedenti sotto molti aspetti: rimuove vari ioni di metalli pesanti tossici e sostanze radioattive dall'acqua in modo estremamente efficiente e può essere utilizzato anche per recuperare l'oro.
Nel novembre 2015 il Brasile ha subito un disastro ambientale senza precedenti. Due dighe di una miniera di ferro sono scoppiate e un liquame tossico contenente metalli pesanti si è riversato nel Rio Doce, raggiungendo giorni dopo l'Oceano Atlantico. Le conseguenze per la natura e per le persone sono state devastanti: innumerevoli pesci, uccelli e animali domestici sono morti e un quarto di milione di persone non ha più acqua potabile.
Il caso lo dimostra: L'inquinamento dell'acqua è uno dei maggiori problemi del mondo. Il trattamento dell'acqua contaminata da metalli pesanti o sostanze radioattive non poteva essere risolto in modo soddisfacente in termini tecnici. I precedenti metodi utilizzati per rimuovere i metalli pesanti dall'acqua, ad esempio, presentano diversi svantaggi: sono troppo specifici per un particolare elemento o la capacità del filtro è troppo piccola. Inoltre, le soluzioni esistenti sono spesso troppo costose.
Filtrare i metalli pesanti in modo efficiente
Un nuovo tipo di membrana filtrante ibrida sviluppata nel laboratorio di Raffaele Mezzenga, professore di Alimenti e materiali morbidi all'ETH di Zurigo, potrebbe ora fornire un rimedio. Questa tecnologia non solo è estremamente semplice nella progettazione, ma è anche costituita da materie prime poco costose come le fibre di proteine del siero di latte e il carbone attivo. Gli ioni di metalli pesanti possono essere rimossi quasi completamente dall'acqua con un solo passaggio attraverso la membrana del filtro.
"Questo progetto potrebbe essere una delle cose più importanti che abbia mai fatto in vita mia", afferma l'ETH, soddisfatto del nuovo sviluppo del suo laboratorio. Ci hanno lavorato solo lui e il suo collaboratore Sreenath Bolisetty. La loro pubblicazione è appena apparsa su Nature Nanotechnology.
Siero di latte e carbone attivo necessari
Il cuore del sistema di filtraggio è costituito da un'inedita membrana ibrida composta da carbone attivo e da fibre rigide e resistenti realizzate con proteine del siero di latte. I due componenti sono disponibili a basso costo e facili da produrre.
Le proteine del siero di latte vengono prima denaturate. In questo modo si allungano e diverse di esse si depositano insieme sotto forma di cosiddette fibrille amiloidi. Insieme al carbone attivo (contenuto anche nelle compresse di carbone medico), vengono applicate su un materiale di supporto adatto, come la carta da filtro di cellulosa. Il contenuto di carbone è pari al 98%, mentre le proteine rappresentano solo il 2%.
Recupero dell'oro grazie a una membrana filtrante
Questa membrana ibrida assorbe vari metalli pesanti, in modo non specifico. Tra questi, elementi di rilevanza industriale come piombo, mercurio, oro e palladio. Tuttavia, assorbe anche sostanze radioattive come l'uranio o il fosforo-32, che sono rilevanti nei rifiuti radioattivi o per alcune terapie antitumorali.
La membrana elimina dall'acqua anche i cianuri metallici altamente tossici. Questa classe di sostanze comprende il cianuro d'oro, spesso utilizzato nell'industria elettronica per la produzione di piste conduttrici sui circuiti stampati. Grazie a questa membrana, il metallo prezioso può essere filtrato e facilmente recuperato. Ciò significa che il sistema di filtraggio potrebbe un giorno dare un importante contributo al riciclaggio dell'oro. "Il profitto generato dall'oro recuperato supera di 200 volte il costo della membrana ibrida", sottolinea Mezzenga.
Numerosi siti di legame per le tossine
Il processo di filtrazione è molto semplice: l'acqua contaminata viene aspirata attraverso la membrana utilizzando il vuoto. "Un vuoto sufficientemente grande può essere generato anche con una semplice pompa manuale", spiega Mezzenga, "quindi il sistema di filtraggio può funzionare anche senza elettricità". Il sistema è inoltre scalabile all'infinito, il che significa che anche grandi quantità di acqua possono essere filtrate in modo economico.
Le sostanze tossiche si "attaccano" principalmente alle fibre proteiche quando l'acqua viene aspirata. Queste ultime hanno numerosi siti di legame ai quali possono agganciarsi i singoli ioni metallici. Tuttavia, il carbone attivo, con la sua grande superficie, può anche assorbire grandi quantità di sostanze tossiche. Questo sposta il limite di saturazione della membrana verso l'alto. Inoltre, le fibre proteiche conferiscono alla membrana la sua resistenza meccanica e permettono la conversione chimica degli ioni intrappolati in preziose nanoparticelle metalliche ad alte temperature.
Capacità di assorbimento senza pari
Mezzenga è soddisfatto della capacità di filtrazione della membrana ibrida: nei test con il cloruro mercurico, ad esempio, la concentrazione di mercurio nel filtrato è diminuita di oltre il 99,5%. La membrana ibrida ha assorbito in modo ancora più efficiente un composto tossico di cianuro d'oro e potassio o sali di piombo: il 99,98% del primo è stato legato nella membrana, il 99,97% del secondo. Per quanto riguarda l'uranio radioattivo, la filtrazione ha legato il 99,4% della concentrazione originale. "Abbiamo ottenuto questi valori elevati con un solo passaggio", sottolinea il co-inventore Bolisetty.
La membrana ibrida filtra le tossine in modo molto affidabile, anche per Chi siamo. La concentrazione di mercurio nel filtrato è aumentata di dieci volte dopo dieci cicli, da 0,4 ppm a 4,2 ppm (parti per milione). Tuttavia, la quantità di proteina utilizzata era estremamente ridotta. Per filtrare un totale di mezzo litro di acqua contaminata, i ricercatori hanno utilizzato una membrana che pesava appena un decimo di grammo, di cui il sette per cento del peso era rappresentato dalle fibre proteiche.
"Un chilo di proteine può purificare 90.000 litri d'acqua, più o meno il fabbisogno di un essere umano", spiega l'ETH. Tuttavia, questo significa anche che l'efficienza della membrana filtrante può essere ulteriormente aumentata in base alle esigenze, aumentando di conseguenza il suo contenuto proteico. "Questo dimostra la flessibilità dell'approccio scelto", aggiunge Mezzenga.
Un potenziale promettente
Mezzenga è fiducioso che la sua tecnologia troverà spazio sul mercato. "Le applicazioni sono molteplici e il problema dell'acqua è uno dei più urgenti del nostro tempo", afferma, soprattutto alla luce della colata di fango in Brasile. Il professore dell'ETH ha anche fatto brevettare la sua tecnologia e nel marzo 2015 è stato nominato per il premio Spark dell'ETH di Zurigo. Tuttavia, poiché la pubblicazione scientifica ha dovuto superare un processo di revisione di nove mesi, Bolisetty e Mezzenga sono in grado di presentare la loro invenzione al pubblico solo ora.
Riferimento alla letteratura
Bolisetty S, Mezzenga R. Membrane ibride amiloide-carbonio per la purificazione universale dell'acqua. Nature Nanotechnology, Advanced Online Publication 25 gennaio 2016. doi: pagina esterna10.1038/nnano.2015.310