Depurazione delle acque reflue con elettricità e luce
La maggior parte degli impianti europei di trattamento delle acque reflue è già molto avanzata, ma crescono le preoccupazioni riguardo ai contaminanti emergenti, difficili da rimuovere con i trattamenti biologici convenzionali. Tra questi vi sono alcuni contaminanti emergenti come le sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFAS), i farmaci e i geni resistenti agli antimicrobici. Il vanadato di bismuto (BiVO4) è un materiale unico nel suo genere che si prospetta promettente nella rimozione di questi agenti inquinanti dall’acqua. A contatto con la luce e l’elettricità, infatti, il BiVO4 degrada gli agenti inquinanti attraverso un processo noto come ossidazione fotoelettrochimica. «Il vanadato di bismuto è un materiale estremamente interessante per il trattamento dell’acqua che sfrutta l’energia solare, perché assorbe la luce visibile», spiega Sanjeeb Mohapatra, borsista del programma Marie Skłodowska-Curie(si apre in una nuova finestra) presso il Politecnico di Delft(si apre in una nuova finestra). Quando la luce colpisce il BiVO4, genera elettroni con carica negativa e «vuoti» con carica positiva nel materiale. Questi vuoti devono raggiungere l’interfaccia tra l’elettrodo e l’acqua per reagire con gli agenti inquinanti, ma un numero significativo di essi viene semplicemente attratto dagli elettroni e si ricombina prima di poter svolgere la propria funzione. «La sfida fondamentale è trovare il modo di sfruttare al meglio l’energia solare assorbita dal BiVO4, migliorando la separazione delle cariche, il loro trasporto e le reazioni superficiali», aggiunge Mohapatra. Attraverso il progetto SOLUTION, finanziato dall’UE, Mohapatra ha lavorato a una soluzione a questo problema, sviluppando un rivestimento per la superficie del BiVO4 che migliora il flusso di carica dell’intero “fotoanodo”, ovvero la combinazione del materiale fotoattivo e del rivestimento. «L’approccio che ho adottato è stato quello di progettare il fotoanodo in modo che le cariche fotogenerate potessero essere separate e trasferite in modo più efficiente, migliorando al contempo le reazioni che avvengono in superficie», spiega il ricercatore.
Sviluppo di un nuovo materiale per il fotoanodo per aumentare l’efficienza del trattamento delle acque reflue
Nel corso del progetto, Mohapatra e colleghi hanno sviluppato e ottimizzato il fotoanodo usando una combinazione di sintesi dei materiali, caratterizzazione elettrochimica e test delle prestazioni. «Abbiamo studiato sistematicamente in che modo la composizione e la struttura del materiale influenzassero il trasferimento di carica e gli agenti inquinanti, come la degradazione dei farmaci, e abbiamo usato queste informazioni per ottimizzare l’elettrodo», osserva Mohapatra. L’équipe è anche uscita dal laboratorio per mettere alla prova la tecnologia con acque reflue reali, compresi gli effluenti fognari. «È stato importante farlo, perché le acque reflue reali contengono molti componenti organici e inorganici diversi che possono competere per le specie reattive generate al livello del fotoanodo», spiega Mohapatra.
Una dimostrazione delle prestazioni migliori nella rimozione dei prodotti farmaceutici
Il risultato più importante è stata la dimostrazione di un miglioramento delle prestazioni del sistema di ossidazione fotoelettrochimica, che ha affrontato i limiti fondamentali del fotoanodo stesso. «Siamo riusciti a definire la relazione tra le proprietà del materiale e la rimozione dei farmaci», osserva Mohapatra. «Questo è scientificamente importante dal momento che ci permette di comprendere molto meglio perché il materiale offre prestazioni migliori e come possa essere ottimizzato ulteriormente.» Mohapatra sottolinea inoltre l’importanza di testare la tecnologia in condizioni di acque reflue reali, poiché si tratta di uno scenario di prova di gran lunga più complesso rispetto a quello di laboratorio. «Dimostrare le prestazioni in condizioni realistiche rende la tecnologia un passo più vicina all’applicazione pratica», aggiunge.
Migliorare il trattamento delle acque reflue
L’opportunità principale è che questa tecnologia integri, anziché sostituire immediatamente, il trattamento convenzionale delle acque reflue. Il nostro lavoro contribuisce a questo obiettivo a lungo termine sviluppando materiali fotoanodici più efficienti che possano ridurre i requisiti energetici e operativi del trattamento basato sull’energia solare. «Il progetto ha dimostrato che il trattamento fotoelettrochimico dall’energia solare può diventare una tecnologia complementare per rimuovere i farmaci dalle acque reflue», afferma Mohapatra.
