La N-metil-D-glucamina (NMG) è una specie chelante utilizzata per applicazioni ambientali grazie alla sua elevata efficienza chelante verso anioni metallici. La tecnologia presentata, denominata CrioPurA, è una realizzazione di idrogeli a base di NMG, prodotti tramite crio-polimerizzazione in acqua. La sintesi di materiali polimerici, funzionalizzati ad hoc con gruppi chelanti, permette costi contenuti e materiali ecosostenibili per ottenere successivamente materiali adsorbenti. In particolare la tecnica adottata per la realizzazione del materiale permette di ottenere strutture e forme di diverse dimensioni, con elevata porosità, permeabilità ed eccellente azione sequestrante verso boro, arsenico, cromo e altri metalli. CrioPura può essere rigenerata, riutilizzata ed impiegata selettivamente per il trattamento di acque.

Stato del brevetto

DEPOSITATO

Numero di priorità

102019000012339

Data di priorità

19/07/2019

Licenza

INTERNAZIONALE

Mercato

Il prodotto trova il suo mercato di riferimento fra le aziende che sviluppano tecnologie e servizi per il trattamento delle acque. Il mercato mostra un trend in crescita, è piuttosto vasto con circa 2200 aziende distribuite sul territorio nazionale ed europeo e migliaia nel mondo. Inoltre, la crescente attenzione al trattamento delle acque reflue in paesi come Stati Uniti, Cina e India ma anche per le comunità rurali, fornisce ulteriori opportunità di crescita. Infatti si prevede che il mercato del trattamento dell’acqua in generale e nello specifico delle acque reflue crescerà con trend annuale del 6,5% dal 2019 al 2025 per raggiungere 211,3 miliardi di dollari entro il 2025. L’attuale richiesta e la crescente domanda globale di acqua pulita, l’adeguamento a nuove normative più rigorose e le crescenti attenzioni ambientali, determinano una forte crescita del suddetto mercato e conseguente sviluppo di nuove tecnologie. In quest’ottica, eventuali problemi legali relativi alla scadenza del brevetto possono essere superati innovando la tecnologia costantemente per esserne sempre i detentori.

Problema

“L’acqua è vita”. Questa frase è probabilmente uno dei messaggi più potenti e realistici, ma è spesso usata come un cliché. L’acqua infatti è stata una risorsa inesauribile per troppo tempo, finché il crescente inquinamento non ha delineato la necessità di tutelare le attuali provviste. In particolare gli ioni di metalli pesanti tossici introdotti nell’ambiente dalle attività industriali esistenti si accumulano biologicamente e non possono essere facilmente decomposti, minacciando la salute dell’uomo attraverso l’intera catena alimentare. Tra le possibili strategie di rimozione, l’adsorbimento è considerato come uno dei metodi più fattibili, versatili ed a basso costo, facendo affidamento sulle interazioni fisiche e/o chimiche tra le molecole mirate e il substrato adsorbente. Tuttavia la contaminazione dell’acqua è un problema complesso che non può essere risolta con un unico materiale. A seconda delle caratteristiche delle acque reflue industriali è necessario impiegare tecnologie mirate per l’eliminazione di contaminanti specifici. Per esempio per l’industria conciaria Cr(VI) e coloranti sono le specie più rilevanti da trattare, mentre per l’agricoltura vanno eliminati pesticidi e boro. Il nostro lavoro si propone di focalizzare l’attenzione direttamente su queste specifiche esigenze proponendo soluzioni innovative e sostenibili.

Limiti attuali tecnologie / Soluzioni

Le resine contenenti NMG sono già presenti sul mercato (ad esempio Amberlite® IRA743, DIAION ™ e DowexXUS 43594.00) per il trattamento delle acque reflue, agricole ed industriali.  Per tali materiali, l’efficienza di sequestro dipende dalla quantità di NMG ’’graffato’’ (parte attiva) alla superficie polimerica che in genere si attesta al 30% rispetto la parte non attiva del materiale. Grazie all’introduzione dell’ 85% di materiale attivo chelante ed alla tipica morfologia porosa interconnessa, possiamo utilizzare quantità di materiale decisamente inferiore rispetto alle attuali resine commerciali, ottenendo le stesse rese chelanti.  Quanto detto costituisce un vantaggio significativo in termini di costi di produzione (utilizzo di energia e materie prime) e smaltimento finale del materiale, con un connesso incremento della sostenibilità ambientale.

Killer Application

CrioPurA trova una perfetta collocazione come resina nel trattamento di acque reflue, per l’abbattimento di As (V) da acque di falda, Cr(VI) da reflui di aziende conciarie e tessili, boro (B) da reflui dell’industria microelettronica. In particolare è notevole l’elevata capacità di adsorbimento dell’arsenico (76,3 mg/g) e del cromo (130,9 mg/g), se comparata con l’analogo commerciale IRA 743, caratterizzato da valori pari a 14,7 mg/g (As) e 29,3 mg/g (Cr).  A tal proposito il primo ‘’case study’’ riguarderà l’utilizzo della tecnologia per la depurazione di acque di falda inquinate.

Tecnologia e nostra soluzione

L’invenzione trova applicazione come resina scambiatrice per la rimozione di inquinanti inorganici dall’acqua. Il nostro materiale può trovare una valida collocazione ed essere facilmente integrato come elemento nei trattamenti terziari delle acque reflue senza costi addizionali di implementazione dell’impianto, come filtro per impianti industriali (conciarie, coloranti, tessili, microelettronica), acque di falda, in agricoltura per rimozione del boro, e cartucce filtranti per acque da rubinetto. In zone remote dove la presenza dell’As (V) nelle acque destinate ad uso domestico è notevolmente superiore ai limiti di legge imposti dall’OMS (10 µg/L), le eccezionali proprietà sequestranti di CrioPurA potrebbero superare la complessità e i costi operativi connessi alle attuali tecnologie.

Vantaggi

I principali vantaggi rispetto alle resine commerciali consistono nella: (i) circa 98% di materiale attivo chelante; (ii) peculiare architettura macroporosa interconnessa ottenuta per crio-sintesi. In particolare, la tecnica adottata per la realizzazione del materiale in oggetto permette di ottenere diverse strutture e forme di diverse dimensioni, con ottime proprietà meccaniche ed elevata porosità, permeabilità e azione sequestrante verso boro, arsenico, cromo e altri metalli.

CrioPurA, contenente il 98 % di NMG, è in grado di complessare quantità maggiori di ioni metallici rispetto alle attuali resine commerciali. Inoltre, la sua natura macroporosa interconnessa fornisce percorsi di rapida diffusione dell’acqua, determinando l’accesso completo a tutti i siti chelanti disponibili, aumentando così il sequestro degli ioni.

Roadmap

Attualmente, si sta sviluppano la produzione di CrioPurA su scala pre-pilota per realizzare il dimostratore. Nello specifico, la sintesi di 1.5 Kg di materiale filtrante avverrà all’interno di un portafiltro commerciale (vedi Figure in alto) e sarà  integrabile direttamente con la linea dell’impianto di depurazione. Allo stesso tempo verranno effettuati tutti i test meccanici e le analisi chimiche per la realizzazione della scheda del prodotto, come anche le certificazioni per l’utilizzo di CrioPurA in Europa. Si passerà in seguito alle azioni di innovazione e business per introdurre CrioPurA sul mercato, con l’aiuto di esperti consulenti del settore. E’ stato già ricevuto un finanziamento pubblico di 80 K € per affrontare parte del percorso e ottenere un TRL di 7.

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