Una struttura a spirale stampata in 3d in grado di rimuovere diciotto sottoprodotti di disinfezione (DBP) dall’acqua potabile

I RICERCATORI DELL’UNIVERSITÀ DI HUELVA CREANO SPIRALI PER LA PURIFICAZIONE DELL’ACQUA STAMPATE IN 3D

Gli scienziati dell’Università spagnola di Huelva hanno utilizzato la stampa 3D per creare una struttura a spirale in grado di rimuovere diciotto sottoprodotti di disinfezione (DBP) dall’acqua potabile.

È stato dimostrato che l’esposizione cronica a tali sostanze chimiche aumenta i rischi per la salute, compresa la minaccia di cancro, e il progetto di ricerca del team mira a rendere il processo di purificazione più efficiente nel rimuoverli. Il nuovo approccio degli scienziati potrebbe avere applicazioni negli impianti di trattamento delle acque, per identificare e separare le sostanze chimiche più pericolose e rendere l’acqua più sicura da bere.

Sottoprodotti di disinfezione nell’acqua potabile

Mentre la disinfezione dell’acqua è essenziale per la salute pubblica, a seguito del processo possono formarsi sostanze tossiche. Questi includono un gruppo non regolato particolarmente volatile di sostanze chimiche chiamato alcetoni (HK), trialometani (THM) e sottoprodotti di disinfezione azotati (N-DBP), che si formano dopo numerosi processi di trattamento. Esistono molti metodi diversi per rimuovere le HK, ma anche se la prima tecnica è stata ideata nel 1995, sono in corso ricerche per semplificare il processo. I ricercatori dell’Università di Cordoba, ad esempio, hanno sviluppato un metodo per rimuovere 14 HK dall’acqua trattata nel 2015, che ha fornito limiti di rilevazione inferiori rispetto agli studi precedenti.

Secondo i ricercatori di Huelva, il metodo Cordoba ha presentato inconvenienti, come la scarsa riproducibilità e una bassa capacità di estrazione a causa della piccola area assorbente. Gli scienziati di Huelva hanno optato invece per una tecnica esistente chiamata microestrazione in fase liquida a fibra cava (HF-LPME).

L’uso della stampa 3D per creare l’assemblaggio ha reso più facile il funzionamento, più robusto e disponibile a un costo inferiore rispetto alle precedenti iterazioni, secondo i ricercatori. Inoltre, la struttura mostrava un’area superficiale superiore per l’estrazione e la natura usa e getta della fibra riduceva il rischio di contaminazione incrociata o effetto di trascinamento. La produzione additiva ha inoltre permesso agli scienziati di superare le carenze identificate nei progetti precedenti, come la difficoltà a miniaturizzare l’assemblaggio e la produzione di prototipi commerciali.

Progettato utilizzando il software CAM, il dispositivo è stato stampato in 3D utilizzando materiali a fibra cava di polipropilene Wuppertal, in una stampante 3D open source Prusa i3. Il dispositivo finale presentava un diametro interno di 600 μm, uno spessore della parete di 200 μm e 0,2 μm di pori. Composto da cinque pezzi: il setto del cappuccio, il setto, il pezzo di tappo, il posizionatore della fibra cava e il pezzo di chiusura, il design era collegato da un ago della siringa che attraversava tutti i componenti.

Una volta che queste parti erano state combinate, il posizionatore a fibra cava del dispositivo veniva quindi inserito nella fase dell’accettore. Ciò ha comportato l’applicazione di 20 μL di ottanolo per 2 minuti per aprire i suoi pori, oltre a renderlo più flessibile. Una miscela di solfato di sodio e acqua aggiustata per pH è stata quindi aggiunta per aumentare l’efficienza di estrazione dei DBP, prima di essere introdotta in 20 ml di acqua potabile del campione.

L’estrazione dei prodotti chimici target ha avuto luogo per un periodo di 30 minuti, con la soluzione riscaldata a una temperatura di 45 o C. L’effervescenza è stata applicata al processo sotto forma di bolle di gas CO2 che hanno causato il trasferimento degli analiti volatili dal donatore fase (liquido) alla fase accettore (gas). Ciò ha impedito il riscaldamento dell’acqua del campione, favorendo la selettività, poiché solo i composti volatili possono essere recuperati a bassa temperatura. Inoltre, la turbolenza prodotta nel liquido dalla formazione delle bolle ha favorito l’agitazione naturale, che ha quindi ridotto al minimo i tempi di estrazione.

Il dispositivo stampato in 3D è stato fondamentale per il processo, con la sua semplice gestione delle fibre, la riproducibilità e l’efficienza di estrazione che rappresentavano importanti miglioramenti su altre tecniche basate su aghi. La struttura ha anche permesso di aumentare la superficie della fibra anche con un volume di campione basso, che ha facilitato significativamente l’estrazione.

I risultati dei test hanno mostrato limiti di rilevamento che vanno da 10 a 35 THM e da 10 a 16 HK, ben all’interno degli 80-100 μg e 20-70 μg raccomandati per l’acqua potabile sicura dall’Organizzazione mondiale della sanità (OMS). L’applicabilità del metodo è stata valutata in 6 sistemi locali di distribuzione dell’acqua. Sebbene la concentrazione di THM nei serbatoi fosse superiore a quella nell’acqua trattata della loro pianta di origine, i ricercatori suggeriscono che ciò è dovuto al possibile degrado lungo il sistema di distribuzione.

Gli scienziati di Huelva hanno ritenuto che il metodo fosse riproducibile e in grado di facilitare le operazioni di purificazione esistenti, aprendo opportunità per ulteriori indagini utilizzando strumenti miniaturizzati in futuro.

La stampa 3D è stata utilizzata in modo simile da hobbisti e gruppi di imprese, con l’intenzione di rendere più sicure le diverse forniture idriche.

Nel luglio 2017, un progetto di stampa 3D per hobby di un team multidisciplinare dell’Università di Bath ha creato una “lastra” di plastica. Progettato per fornire acqua potabile pulita alle comunità in alcune parti dell’Asia, dell’Africa e dell’America Latina, il suo design simile a un labirinto sfruttava il calore e la luce ultravioletta del sole, per uccidere i microbi dannosi che vivono in liquidi contaminati.

I ricercatori hanno utilizzato la mesh spaziale avanzata stampata in 3D a novembre 2016, per consentire un uso più produttivo dell’osmosi inversa per produrre acqua sicura da bere. Il materiale è stato trovato per ridurre i costi, i tempi e il rischio del processo e il team ha mirato a sviluppare una strategia per le membrane ad osmosi inversa sulla costa del Pacifico del Messico.

Il primo consorzio di produzione additiva (Conmad) in America Latina, è stato ospitato in Messico nel 2018, con oltre 13 milioni di dollari investiti in progetti di stampa 3D. L’agenzia governativa messicana Conacyt ha partecipato all’evento, impegnandosi a fornire acqua potabile pulita alle comunità sulla costa del Pacifico del Messico.

I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro articolo intitolato ” Microestrazione a spirale in fase liquida a spirale cava assistita da effervescenza di trialometani, alonitrometani, aloacetonitrili e haloketoni in acqua potabile “, pubblicato nel volume 397 del Journal of Hazardous Materials . È stato scritto da A. Dominguez-Tello, A.Dominguez-Alfaro JL Gómez-Ariza, A. Arias-Borrego e T. García-Barrera.

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