Sistema tridimensionale di filtrazione dell’acqua stampato per la rimozione economica dell’arsenico sul posto

Lo studio internazionale sviluppa un filtro per l’acqua stampato in 3D per la rimozione economica dell’arsenico

Ricercatori indonesiani e coreani si sono uniti per migliorare in particolare i sistemi di filtrazione dell’acqua per i paesi in via di sviluppo, rilasciando i risultati di un recente studio su ” Sistema tridimensionale di filtrazione dell’acqua stampato per la rimozione economica dell’arsenico sul posto “.

Un elemento naturale trovato sulla Terra, l’arsenico è noto come una tossina per l’uomo, infatti può danneggiare i polmoni, la vescica, il fegato, i reni e persino causare la morte. Milioni di persone sono a rischio in paesi come la Cina, così come i paesi in via di sviluppo, a causa dell’acqua potabile contaminata:

“La minaccia alla salute pubblica nei paesi in via di sviluppo è più grave di quanto non lo sia nei paesi sviluppati perché, nei paesi in via di sviluppo, l’approvvigionamento idrico domestico proviene principalmente da fonti idriche sotterranee naturali, che contengono alti livelli di arsenico; quindi, questo diffuso rischio per la salute nei paesi in via di sviluppo è un grave problema di immediata preoccupazione “, hanno spiegato gli autori.

Proponendo la stampa 3D come metodo potenzialmente conveniente e accessibile per filtrare l’arsenico, i ricercatori affermano che un dispositivo automatizzato e riconfigurabile potrebbe essere creato per fungere da “piattaforma di reazione chimica”.

I campioni sono stati progettati in AutoCAD, ciascuno con esterni alti 40 mm e diametri esterni 30 mm. I dati sono stati trasferiti su Simplify3D e quindi i campioni sono stati stampati in 3D su una stampante 3D DeltaBot utilizzando il filamento PLA.

Il rivestimento di ossido di ferro (III) sui canali stampati in 3D.
(A) Superficie interna calcolata e volume totale del canale dei filtri in funzione della larghezza del canale. La superficie interna rappresenta l’area totale dei canali quadrati all’interno dei filtri (cerchi blu). Il volume totale del canale è la somma degli spazi vuoti nei filtri che possono essere occupati dall’eluente durante il processo di filtraggio (quadrati neri). (B) Schemi trasversali dei processi di preparazione e filtrazione del campione. Le fotografie reali sono mostrate nelle inserzioni. Dopo idrolisi acida, all’interno dei canali si formano gruppi carbossilici e idrossilici. I filtri idrolizzati vengono quindi immersi in una soluzione di ferro (III)-idrossido ed essiccati, portando alla deposizione di ossido di ferro (III) sulla superficie. Gli ossidi di ferro depositato (III) sono semplificati come unità di formula (cerchi marroni). Dopo le fasi di preparazione del campione, La soluzione di As (III) scorre attraverso i filtri e gli ioni As (III) (cerchi blu) vengono adsorbiti sull’ossido di ferro (III). (C) Quantità di carico di ossido di ferro (III) dei filtri in funzione della larghezza del canale. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231475.g002

Progettazione del filtro tridimensionale e illustrazione della preparazione del campione.
(A) Disegni computerizzati dei filtri. Sono stati progettati quattro filtri di dimensioni diverse e le larghezze dei canali dei quadrati delle unità erano 0,8, 1,0, 1,8 e 4,0 mm. Tutti i numeri nella figura sono in millimetri. (B) Illustrazione del processo di preparazione del campione sulla superficie di un filtro PLA stampato in 3D: idrolisi acida, caricamento e asciugatura dell’ossido di ferro. (C, D) Immagini della parte superiore (sinistra) e inferiore (destra) di un filtro stampato 3D (C) prima e (D) dopo gli adsorbimenti dell’ossido di ferro (III).
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231475.g001

Sono state eseguite valutazioni sui dispositivi stampati in 3D per quanto riguarda l’adsorbimento degli ioni arsenico agli ossidi di ferro. Alla fine, i ricercatori hanno notato una distribuzione uniforme del ferro. Non è stato trovato arsenico prima della filtrazione, ma sulla superficie del filtro era presente una “quantità sostanziale”.

Immagini SEM-EDX e analisi elementare dei filtri stampati in 3D.
(A) Immagini SEM e mappatura elementare EDX (carbonio (C), ossigeno (O), ferro (Fe) e arsenico (As)) del filtro dopo la filtrazione. Immagini SEM della superficie del filtro (B) prima e (C) dopo la filtrazione As (III). (D) Distribuzione quantitativa degli elementi in percentuale in peso prima e dopo la filtrazione As (III).
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231475.g004

Capacità di adsorbimento di As (III) riportate per adsorbenti a differenza.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231475.t001

Capacità di adsorbimento di As (III) con ossido di ferro per diversi materiali di supporto.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231475.t002

“Man mano che la larghezza del canale si restringeva, corrispondente ad un aumento della superficie interna del filtro stampato in 3D, (1) più ossido di ferro (III) (adsorbente) si depositava sulla superficie interna del filtro e (2) il la portata in condizioni atmosferiche (senza pompaggio esterno) è diminuita “, hanno concluso i ricercatori.

“È stato condotto uno studio su colonna per studiare l’effetto della superficie interna sulla filtrazione di adsorbimento e ha mostrato una migliore rimozione dell’arsenico nella filtrazione di adsorbimento. Lo studio ha anche dimostrato che un filtro con una superficie interna più ampia era più efficace nella filtrazione adsorbente rispetto a un filtro con una superficie inferiore. Poiché la portata dell’acqua attraverso il filtro può essere controllata dall’architettura del filtro stesso, non è necessario un pompaggio aggiuntivo. Il filtro compatto presentato in questo rapporto dovrebbe servire anche come unità di purificazione dell’acqua su piccola scala che può essere facilmente trasportata in qualsiasi sito con acqua contaminata da arsenico. “

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