Gli ingegneri chimici del MIT hanno creato un sistema idrogel “zwitterionico” per il trattamento dell’acqua in un’unica fase con un impatto ambientale minimo.
di Lisa Borreani
“Zwitterionico” potrebbe non essere una parola che si incontra tutti i giorni, ma per il professor Patrick Doyle del Dipartimento di ingegneria chimica del MIT, è un termine fondamentale per la tecnologia che il suo gruppo sta sviluppando per rimuovere i microinquinanti dall’acqua. Derivato dalla parola tedesca “zwitter”, che significa “ibrido”, le molecole “zwitterioniche” sono quelle con un numero uguale di cariche positive e negative.
Devashish Gokhale, uno studente del dottorato nel laboratorio di Doyle, usa l’esempio di un magnete per descrivere i materiali zwitterionici. “Su un magnete, hai un polo nord e un polo sud che si attaccano l’uno all’altro, e su una molecola zwitterionica, hai una carica positiva e una carica negativa che si attaccano l’una all’altra in modo simile.”
Poiché molti microinquinanti inorganici e alcuni microinquinanti organici sono essi stessi carichi, Doyle e il suo team hanno studiato come utilizzare molecole zwitterioniche per catturare i microinquinanti nell’acqua.
La tecnologia e le prime fasi della ricerca
In passato, le molecole zwitterioniche sono state utilizzate come rivestimenti sulle membrane per il trattamento dell’acqua sfruttando le loro proprietà anti-incrostazione. Nel sistema del gruppo Doyle, le molecole zwitterioniche vengono utilizzate per formare il materiale dell’impalcatura, o spina dorsale all’interno dell’idrogel, una rete tridimensionale porosa di catene polimeriche che contiene una quantità significativa di acqua. “Le molecole zwitterioniche hanno un’attrazione molto forte per l’acqua rispetto agli altri materiali utilizzati per produrre idrogel o polimeri“, afferma Gokhale. Inoltre, le cariche positive e negative sulle molecole zwitterioniche fanno sì che gli idrogel abbiano una comprimibilità inferiore rispetto a quella comunemente osservata. Ciò rende idrogel significativamente più rigonfi, robusti e porosi, il che è importante per l’espansione del sistema basato su idrogel per il trattamento dell’acqua.
Le prime fasi di questa ricerca sono state sostenute da una sovvenzione iniziale da parte dell’Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS) del MIT. Il gruppo di Doyle sta ora perseguendo la commercializzazione della piattaforma sia per uso domestico che per applicazioni su scala industriale.
Soluzione sostenibile
I microinquinanti sono materiali chimicamente diversi che possono essere dannosi per la salute umana e per l’ambiente, anche se si trovano generalmente a basse concentrazioni (da microgrammi a milligrammi per litro) rispetto ai contaminanti convenzionali. I microinquinanti possono essere organici o inorganici e possono essere presenti in natura o sintetici. I microinquinanti organici sono per lo più molecole a base di carbonio e includono pesticidi e sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFAS), note come “sostanze chimiche per sempre”. I microinquinanti inorganici, tipo i metalli pesanti come piombo e arsenico, tendono ad essere più piccoli dei microinquinanti organici. Sfortunatamente, sia i microinquinanti organici che quelli inorganici sono pervasivi nell’ambiente.
Molti microinquinanti provengono da processi industriali, ma anche gli effetti dei cambiamenti climatici indotti dall’uomo contribuiscono alla diffusione ambientale dei microinquinanti. Gokhale spiega che, in California, ad esempio, gli incendi bruciano cavi elettrici di plastica e disperdono microinquinanti negli ecosistemi naturali. Doyle aggiunge che “al di fuori dei cambiamenti climatici, eventi come le pandemie possono aumentare il numero di microinquinanti organici nell’ambiente a causa delle elevate concentrazioni di prodotti farmaceutici nelle acque reflue”.
Queste sostanze chimiche hanno attirato l’attenzione dei media e hanno portato a “cambiamenti significativi nell’ingegneria ambientale e nel panorama normativo”, afferma Gokhale. Nel marzo 2023, l’Environmental Protection Agency (EPA) degli Stati Uniti ha proposto un rigoroso standard federale che regolerebbe la concentrazione di sei diversi prodotti chimici PFAS nell’acqua potabile. Proprio lo scorso ottobre, l’EPA ha proposto di vietare il microinquinante tricloroetilene, una sostanza chimica cancerogena che può essere trovata nei detergenti per freni e in altri prodotti di consumo. A livello internazionale, Gokhale prende atto della Convenzione di Oslo-Parigi, la cui missione è quella di proteggere l’ambiente marino dell’Oceano Atlantico nord-orientale, compresa la graduale eliminazione dello scarico di prodotti chimici offshore da parte delle industrie del petrolio e del gas.
Con ogni nuova normativa necessaria per proteggere la sicurezza delle nostre risorse idriche, cresce la necessità di processi efficaci di trattamento delle acque. Ad aggravare questa sfida c’è l’esigenza di realizzare processi di trattamento dell’acqua che siano sostenibili ed efficienti dal punto di vista energetico.
Oggi il metodo di riferimento per il trattamento dei microinquinanti presenti nell’acqua è il sistema a carboni attivi. Gokhale afferma che “sono necessari circa quattro chilogrammi di carbone per produrre un chilogrammo di carbone attivo, quindi si disperde una quantità significativa di anidride carbonica nell’ambiente. Dobbiamo sviluppare metodi che abbiano un impatto climatico minore rispetto ai metodi utilizzati oggi a livello industriale”.
Nel settembre 2019, Doyle e il suo laboratorio hanno avviato un progetto iniziale per sviluppare una piattaforma basata su microparticelle per rimuovere un’ampia gamma di microinquinanti dall’acqua. Il gruppo di Doyle utilizzava gli idrogel nella lavorazione farmaceutica per formulare molecole di farmaci in formato pillola. Quando ha saputo dell’opportunità di sovvenzione per le sementi J-WAFS per la ricerca in fase iniziale nei sistemi idrici e alimentari, Doyle ha capito che il suo lavoro farmaceutico con gli idrogel poteva essere applicato a problematiche ambientali come il trattamento delle acque.
Nel marzo 2022, Doyle, Gokhale e lo studente universitario del MIT Ian Chen hanno pubblicato i risultati del lavoro sulle sovvenzioni sui semi, descrivendo il loro uso delle micelle all’interno idrogel per il trattamento delle acque. Le micelle sono strutture sferiche che si formano quando molecole chiamate tensioattivi (presenti in prodotti come il sapone), entrano in contatto con acqua o altri liquidi. Il team è stato in grado di sintetizzare particelle di idrogel cariche di micelle che assorbono i microinquinanti dall’acqua come una spugna. A differenza del carbone attivo, il sistema di particelle di idrogel è realizzato con materiali rispettosi dell’ambiente. Inoltre, i materiali del sistema sono realizzati a temperatura ambiente, il che li rende estremamente più sostenibili del carbone attivo.
Sulla base del successo del progetto iniziale, i ricercatori sono stati in grado di costruire, testare e perfezionare prototipi su scala pilota della loro piattaforma di idrogel.
La rapida eliminazione dei microinquinanti è di particolare importanza nei processi commerciali di trattamento dell’acqua, dove il tempo che l’acqua può trascorrere all’interno dell’unità di filtraggio operativa è limitato. Questo si chiama tempo di contatto, spiega Gokhale. Nei sistemi di trattamento dell’acqua su scala comunale o industriale, i tempi di contatto sono generalmente inferiori a 20 minuti e possono arrivare fino a cinque minuti.
“Ma quando le persone hanno cercato di prendere di mira questi microinquinanti emergenti che destano preoccupazione, si sono resi conto che non è possibile raggiungere concentrazioni sufficientemente basse negli stessi tempi dei contaminanti convenzionali”, afferma Gokhale. “La maggior parte delle tecnologie si concentra solo su molecole specifiche o classi specifiche di molecole. Quindi, ci sono intere tecnologie che si concentrano solo sui PFAS, e poi ci sono altre tecnologie per piombo e metalli. Quando si inizia a pensare alla rimozione di tutti questi contaminanti dall’acqua, ci si ritrova con progetti che prevedono un numero molto elevato di operazioni unitarie. E questo è un problema perché ci sono impianti che si trovano nel mezzo di grandi città e non hanno necessariamente spazio per espandersi per aumentare i tempi di contatto per rimuovere in modo efficiente più microinquinanti”, aggiunge.
Poiché le molecole zwitterioniche possiedono proprietà uniche che conferiscono un’elevata porosità, i ricercatori sono stati in grado di progettare un sistema per un assorbimento più rapido dei microinquinanti dall’acqua. I test dimostrano che gli idrogel possono eliminare sei microinquinanti chimicamente diversi almeno 10 volte più velocemente del carbone attivo commerciale. Il sistema è inoltre compatibile con una serie diversificata di materiali, rendendolo multifunzionale. I microinquinanti possono legarsi a molti siti diversi all’interno della piattaforma dell’idrogel: i microinquinanti organici si legano alle micelle o ai tensioattivi mentre i microinquinanti inorganici si legano alle molecole zwitterioniche. Micelle, tensioattivi, molecole zwitterioniche e altri agenti chelanti possono essere scambiati dentro e fuori per ottimizzare essenzialmente il sistema con funzionalità diverse in base al profilo dell’acqua da trattare. Questo tipo di aggiunta “plug-and-play” di vari agenti funzionali non richiede un cambiamento nella progettazione o nella sintesi della piattaforma di idrogel, e l’aggiunta di ulteriori funzionalità non toglie funzionalità a quelle esistenti. In questo modo, il sistema basato su zwitterionico può rimuovere rapidamente più contaminanti a concentrazioni più basse in un unico passaggio, senza la necessità di grandi unità industriali o spese in conto capitale.
Forse la cosa più importante è che le particelle del sistema del gruppo Doyle possono essere rigenerate e utilizzate più e più volte. Immergendo semplicemente le particelle in un bagno di etanolo, è possibile lavarle dai microinquinanti per un uso indefinito senza perdita di efficacia. Quando il carbone attivo viene utilizzato per il trattamento dell’acqua, il carbone attivo stesso viene contaminato da microinquinanti e deve essere trattato come rifiuto chimico tossico e smaltito in apposite discariche. Nel corso del tempo, i microinquinanti presenti nelle discariche rientreranno nell’ecosistema, perpetuando il problema.
Il team ha scoperto che gli idrogel zwitterionici potrebbero essere utilizzati in diversi contesti del mondo reale, che vanno dai letti industriali su larga scala alle applicazioni su piccola scala, portatili e off-grid, ad esempio in compresse che potrebbero pulire l’acqua in una mensa. – e hanno iniziato a sperimentare la tecnologia attraverso una serie di programmi di commercializzazione al MIT e nell’area metropolitana di Boston.
In quattro anni, la tecnologia è riuscita a trasformarsi da un’idea iniziale in una tecnologia con applicazioni scalabili e reali, rendendola un progetto J-WAFS esemplare.
L’importanza del sapone
Il sapone pulisce ogni cosa, dalle nostre mani e dal nostro corpo, ai piatti sporchi fino ai vestiti, quindi forse la chimica del sapone potrebbe essere applicata anche per disinfettare l’acqua. Il sapone ha molecole chiamate tensioattivi che hanno componenti sia idrofobi (che odiano l’acqua) che idrofili (che amano l’acqua). Quando l’acqua entra in contatto con il sapone, le parti idrofobe del tensioattivo si uniscono, assemblandosi in strutture sferiche chiamate micelle con le porzioni idrofobe delle molecole all’interno. I nuclei micellari idrofobici intrappolano e aiutano a portare via le sostanze oleose come lo sporco.
Il laboratorio di Doyle ha sintetizzato particelle di idrogel cariche di micelle per purificare essenzialmente l’acqua. Gokhale spiega di aver utilizzato la microfluidica che “implica l’elaborazione di fluidi su scale molto piccole, simili a micron” per generare particelle uniformi di idrogel polimerico in modo continuo e riproducibile. Questi idrogel, che sono porosi e assorbenti, incorporano un tensioattivo, un fotoiniziatore (una molecola che crea specie reattive) e un agente reticolante noto come PEGDA. Il tensioattivo si assembla in micelle che vengono legate chimicamente all’idrogel utilizzando la luce ultravioletta. Quando l’acqua scorre attraverso questo sistema di microparticelle, i microinquinanti si attaccano alle micelle e si separano dall’acqua. L’interazione fisica utilizzata nel sistema è abbastanza forte da estrarre i microinquinanti dall’acqua, ma abbastanza debole da consentire alle particelle di idrogel di essere separate dai microinquinanti, ristabilizzate e riutilizzate. I test di laboratorio mostrano che sia la velocità che l’entità della rimozione degli inquinanti aumentano quando aumenta la quantità di tensioattivo incorporato negli idrogel.
“Abbiamo dimostrato già con la nostra simulazione iniziale, che possiamo superare le prestazioni del carbone attivo”, afferma Doyle. “Possiamo effettivamente rigenerare queste particelle molto facilmente a temperatura ambiente. Quasi 10 cicli di rigenerazione con un cambiamento minimo nelle prestazioni”, aggiunge.
La rigenerazione delle particelle avviene immergendo le micelle in etanolo al 90%, per cui “tutti gli inquinanti escono dalle particelle e ritornano nell’etanolo”, afferma Gokhale. L’etanolo è biosicuro a basse concentrazioni, economico e combustibile, consentendo uno smaltimento sicuro ed economicamente fattibile. Il riciclaggio delle particelle di idrogel rende questa tecnologia sostenibile, il che rappresenta un grande vantaggio rispetto al carbone attivo. Gli idrogel possono anche essere adattati a qualsiasi microinquinante idrofobo, rendendo questo sistema un approccio nuovo e flessibile alla purificazione dell’acqua.
