L’invenzione riguarda un dispositivo robusto, versatile e di basso costo composto da una membrana polimerica a matrice mista, basata su materiali ibridi porosi  noti come Metal-Organic Frameworks (MOFs), usato per la decontaminazione delle acque da metalli inquinanti, come mercurio e cadmio.

Stato del brevetto

DEPOSITATO

Numero di priorità

102020000014074

Data di priorità

12/06/2020

Licenza

INTERNAZIONALE

Mercato

La dimensione del mercato delle membrane dovrebbe crescere da 5,4 miliardi di dollari nel 2019 a 8,3 miliardi di dollari entro il 2024, con un CAGR del 9,0% durante il periodo di previsione (https://www.researchandmarkets.com/reports/4969349/membranes-market-by-material-polymeric). La crescente domanda di acqua potabile, dovuta all’aumento della popolazione, alla rapida industrializzazione e alla crescente urbanizzazione, sono i principali motori del mercato delle membrane. Altri fattori trainanti includono il passaggio dal trattamento chimico dell’acqua al trattamento fisico dell’acqua, un aumento degli investimenti industriali, le sempre più rigorose normative per il trattamento dell’acqua e delle acque reflue. Premesso che la problematica è globale, si può prevedere una distribuzione prima regionale e nazionale, ma potenzialmente estendibile a tutti i paesi interessati a fronteggiare l’alto rischio di inquinamento proveniente da falde acquifere contaminate da mercurio e da altri metalli inquinanti.

Problema

Uno dei problemi ambientali più gravi per le società moderne è la contaminazione dei sistemi acquatici da metalli inquinanti come mercurio e cadmio.

Tra le principali fonti di inquinamento antropico da mercurio si annoverano le attività di combustione del carbon fossile, alcuni processi industriali come la produzione di cemento e la raffinazione del petrolio, l’utilizzo dell’amalgama dentale a base di mercurio in ortodonzia, l’attività estrattiva di mercurio e l’attività estrattiva dell’oro su scala artigianale.

Il cadmio viene rilasciato nell’ambiente con i reflui, può essere legato all’impiego di fertilizzanti e trova anche largo impiego in rivestimenti anti-corrosione e nelle batterie Ni/Cd. La portata del problema è tale che nell’agenda per lo sviluppo sostenibile dell’ONU, l’accesso all’acqua corrente priva di inquinanti è fissato come uno degli obiettivi principali. L’Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti e l’OMS hanno limitato gli standard normativi di mercurio in acqua potabile a valori MCL = 0,002 mg / L (2 ppb) e 0,006 mg / L (6 ppb), rispettivamente.

Il decreto legislativo 152/06 stabilisce un valore limite di 0,02 mg/L per il cadmio, sia per scarico in acque superficiali che per scarico in rete fognaria. E’ dunque auspicabile lo sviluppo di nuovi metodi ecocompatibili, materiali convenienti e selettivi come quello proposto in grado eliminare e recuperare le diverse specie inquinanti dall’acqua. Tale necessità è particolarmente sentita nei paesi in via di sviluppo in cui le acque sotterranee sono comunemente utilizzate per il consumo.

Limiti attuali tecnologie / Soluzioni

I costi operativi dei sistemi basati sull’adsorbimento sono i più bassi tra le tecnologie utilizzate nei protocolli di riciclaggio negli impianti di trattamento delle acque (ossia distillazione, cristallizzazione, fotocatalisi, coagulazione / flocculazione, ossidazione e precipitazione chimica / elettrochimica). Ciò è dovuto al fatto che per l’eliminazione dei contaminanti non è necessario l’uso di energia / reagenti, inoltre, la rigenerazione dei materiali avviene in condizioni sperimentali molto miti (lavaggio con solvente) e in una breve scala temporale. Inoltre, i metodi attualmente utilizzati nel riciclaggio dell’acqua in molti casi portano alla generazione di inquinanti secondari e, cosa ancora più importante, raramente sono in grado di ridurre gli inquinanti inorganici fino ai limiti consentiti dall’OMS. Le uniche membrane sin d’ora testate per la rimozione del mercurio sono basate su derivati del chitosano e altri polimeri. Non esiste però nessun altro gruppo di ricerca che utilizzi MOFs su supporto polimerico per membrane a matrice mista, con promettenti applicazioni ambientali. I MOFs come polveri microcristalline o pellets sono stati utilizzati da diversi gruppi per l’adsorbimento di inquinanti organici, tuttavia, questi materiali possono essere termicamente poco stabili, difficili da maneggiare e poco resistenti all’acqua in quanto tendono a dissociarsi facilmente, anche in funzione del PH, perdendo la loro capacità di legare molecole inquinanti. Inoltre sono poco pratici nella depurazione dinamica delle acque (flussi d’acqua, es. tubature che trasportano l’acqua da consumo).

Killer Application

Il dispositivo e il relativo metodo possono essere vantaggiosamente usati per la decontaminazione e il riciclaggio di acqua contaminata da mercurio. Le membrane con cui è formato sono abili (selettivi ed efficienti) nel decontaminare acque anche con basso livello di inquinamento ossia contenenti quantità di Hg(II) di poco superiori al valore MCL = 0,002 mg / L (2 ppb) consentiti dall’OMS, fino a renderle acque potabili. Sono implementabili negli impianti di riciclaggio di percorsi d’acqua prossimi a possibili sorgenti inquinanti dell’industria (farmaceutica, tessile, alimentare, produzione di poliuretano), di aziende agricole e di uso domestico. Sono utilizzabili anche a monte delle tubature facenti parte dei sistemi comunali di acque potabili per un maggiore controllo e sicurezza sulla qualità delle acque distribuite nelle singole abitazioni.

Tecnologia e nostra soluzione

L’invenzione riguarda l’uso di materiali porosi avanzati e intelligenti come adsorbenti, specificatamente funzionalizzati e dispersi in maniera uniforme nel supporto polimerico di una membrana, di cui migliorano apprezzabilmente le prestazioni in termini di efficienza, selettività e rendendo la membrana a matrice mista così ottenuta unica per le sue capacità adsorbenti. Nell’adsorbimento delle membrane il contaminante viene riconosciuto chimicamente e rapidamente catturato dal materiale ibrido poroso incorporato come assorbente nella membrana di supporto. Il dispositivo è mediamente robusto (min-max di pressione supportata 1.5-3 bar), versatile e di basso costo. Il dispositivo finale è performante nel catturare il contaminante, ad esempio il mercurio ionico, anche quando quest’ultimo è presente in tracce, mediante un processo di microfiltrazione mente l’acqua contaminata permea attraverso la membrana riportando l’acqua a valori di potabilità. La percentuale di rimozione dopo un appropriato numero di cicli arriva a 99,6 %. In una particolare realizzazione, l’invenzione permette la rimozione, in modo molto efficiente, di Hg(II) tossico da mezzi acquosi, riducendo la concentrazione [Hg2+] dai pericolosi 3.7 ppm (mg/L) a limiti accettabili per l’acqua potabile, cioè al di sotto di 2 ppb (μg/L). E’ stata dimostrata un’alta efficienza di cattura anche verso il cadmio presente in acque contaminate.

Vantaggi

La natura rigenerabile e riciclabile dei materiali: il dispositivo è facilmente rigenerabile per immersione in diversi solventi e utilizzabile ripetutamente – testati 10 cicli – senza apprezzare una diminuzione delle sue proprietà.

Costi di produzione, implementazione e funzionamento sostenibili: tutti i materiali da utilizzare (reagenti e/o solventi per la sintesi dei materiali porosi e polimero per la preparazione della membrana) non danneggiano l’ambiente e sono ottenuti in condizioni sperimentali che non richiedono l’uso di processi di produzione intensivi contrariamente alla maggior parte dei MOFs in commercio. Questa invenzione mira a ridurre l’impatto ambientale (ad es. minimizzare la generazione di rifiuti nei diversi processi e minimizzare l’uso di reagenti/solventi tossici dei dispositivi utili alla rigenerazione delle acque attraverso la messa in commercio di membrane polimeriche miste ecofriendly).

Maneggevolezza: l’integrazione dei materiali porosi (MOF) in dispositivi a membrana nanostrutturati consente il trasferimento dei risultati su scala di laboratorio in un impianto pilota in condizioni operative reali.

Versatilità nelle dimensioni delle membrane facilmente adattabili alle specifiche applicazioni (diametro tubolari, superficie, ecc.).

Decontaminazione di acque con bassissimo livello di inquinamento fino a renderle potabili.

Roadmap

L’invenzione è in fase sperimentale su scala di laboratorio (TRL4). Con le strutture appropriate potrebbero essere ottenute membrane su scala dei m2 dopo la produzione di materiali porosi in scala di chilogrammi, il che faciliterebbe la sua potenziale applicazione in un impianto pilota. Il consorzio CNR-ITM-UniCal dispone di strutture all’avanguardia in cui sono già in fase di sviluppo membrane polimeriche di applicazione industriale. Al momento, i limiti tecnici delle strutture universitarie impediscono di intensificare gli esperimenti. Un’azienda potrebbe garantire anche la struttura necessaria, in termini di spazi e strumenti per la realizzazione di dispositivi su larga scala. Dopo la realizzazione, sarebbe necessario verificare la sua  efficienza di decontaminazione in un impianto pilota in un tempo non inferiore ai sei mesi.

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