Come produrre acqua potabile anche nelle zone aride?

Questo martedì, 22 marzo 2022, che segnerà l'inizio della primavera, segnerà anche il Giornata Mondiale dell'acqua. Una giornata che ci dà l'opportunità di concentrarci sulla disponibilità di questa risorsa vitale nel mondo.

L'acqua sul nostro pianeta blu è salata per il 97,2%; si trova negli oceani, nei mari, ma anche in alcune acque sotterranee. L'acqua dolce rappresenta solo il 2,8% dell'acqua totale mondiale. I ghiacciai polari contengono il 2,1%.

Per quanto riguarda l'acqua dolce accessibile, essa corrisponde solo allo 0,7% del totale che deve essere distribuito tra agricoltura, il suo maggior consumatore (~70% dell'acqua prelevata), industria (~20%) e uso domestico (~10%).

Non solo l'acqua dolce è geograficamente mal distribuita sulla Terra, ma è anche, e spesso, molto mal utilizzata.

Questo problema, grave nei nostri paesi temperati, diventa gravissimo altrove, dove mancano i mezzi finanziari e/o tecnologici: 11% della popolazione mondiale quindi non ha accesso all'acqua potabile e quasi 30% di questa popolazione non hanno accesso all'acqua potabile nelle loro case.

Processi di purificazione dell'acqua ancestrali o innovativi

Trasformare l'acqua che inizialmente non era potabile in acqua potabile è diventato un gioco da ragazzi... o quasi. Le tecnologie – alcune ispirate a processi ancestrali (distillazione, letto di adsorbenti, ecc.) e altre molto innovative – sono diventate all'ordine del giorno, offrendo una panoplia di soluzioni adattabili a quasi tutte le situazioni.

Qui si possono identificare due grandi famiglie di tecnologie: quelle basate sulla distillazione, che quindi consumano calore; quelli che utilizzano membrane e operano principalmente con energia elettrica. Parleremo ad esempio di “distillazione multiflash”, “distillazione a compressione di vapore” per la prima famiglia; di “osmosi inversa”, “nanofiltrazione”, “elettrodialisi” per il secondo.

Il principale svantaggio di queste tecniche è che sono molto sofisticate e richiedono ingenti investimenti, impossibili da garantire da paesi senza mezzi finanziari o tecnici significativi, associati a infrastrutture di distribuzione robuste e ben ramificate.

È possibile offrire soluzioni meno costose in questo settore?

L'esempio dell'acqua carica di fluoro

Il fluoro è un oligoelemento presente in quantità molto piccole (~2 grammi) nel corpo umano. A basse dosi è molto utile per prevenire la carie dentale; aiuta nella mineralizzazione delle ossa, allo stesso modo del calcio e del fosforo.

Ma quando la dose di fluoro diventa elevata, può causare fluorosi dentale; e, a dosi molto elevate, fluorosi scheletrica. Queste due malattie sono comuni in Africa dove l'acqua potabile proviene da acque sotterranee ad alto contenuto di fluoro (più di 1,5 mgF-/L per la fluorosi dentale e più di 4 mgF-/L per la fluorosi ossea).

Denti con fluorosi dentale.
Nizil Shah/Wikimedia, CC BY-NC-ND

La fluorosi dentale provoca la comparsa di macchie bianche sui denti; si evolvono con l'età per diventare marroni, il che può persino portare alla calcificazione dei denti. La fluorosi ossea, caratterizzata da una massiccia fissazione ossea del fluoro spesso di origine idrotellurica, provoca ostruzioni articolari, anche gravi handicap motori.

Defluorizzazione delle acque sotterranee in Senegal

In Senegal, una tecnica molto antica, recentemente rivisitata nell'ambito del progetto di miglioramento e rafforzamento dei punti d'acqua nel bacino delle arachidi, consiste nel fissare ioni fluoro per adsorbimento su ossa calcinate.

Le acque sotterranee di questo bacino (Kaolack, Diourbel e Fatick) sono infatti note per il loro alto contenuto di fluoro, spesso superiore a 5 mg F-/L. Questo progetto aveva portato alla progettazione e produzione di defluoruratori familiari.

Le ossa degli animali raccolte nei macelli autorizzati vengono calcinate, frantumate, setacciate e messe a forma di colonna, associando altre tipologie di materiali (ghiaia, carbone). L'acqua di pozzo, ricca di F-, passa quindi attraverso questa colonna che fisserà buona parte dell'F- per adsorbimento sui granelli fini di osso calcinato.

Questa tecnica permette di trattare un grande volume d'acqua (concentrazione di fluoro <1,5 mgF-/L) ad un costo compreso tra 780 e 2500 franchi CFA/m3 di acqua trattata (ovvero 1,20 €/m3 a 3,80 €/m3).

Tuttavia, la sua diffusione non è stata possibile a causa di problemi di gusto e odore riscontrati durante la lavorazione.

È la tecnica dell'osmosi inversa che è stata finora promossa dagli enti locali, con alcune installazioni fisse nelle città più grandi. Certo, questa tecnica permette di avere acqua di migliore qualità, ma ad un prezzo molto alto, intorno agli 8 €/mq.3 ; questo è estremamente costoso per la popolazione.

Calcinazione delle ossa nel villaggio di Ndiago (Kaolack, Senegal) nel 2008. Pĥotos preso da M. Ndong e E. Ngom.
M.Ndong / E.Ngom, Fornito dall'autore
Defluoridatore a base di polvere d'osso calcinata in funzione (villaggio di Ndiago in Senegal, 2008).
M.Ndong / E.Ngom, Fornito dall'autore

Un nuovo processo promettente

entro l'Istituto Paris-Est di Chimica e Materiali, abbiamo sviluppato un'altra tecnica. Si tratta di una tecnica a membrana molto semplice, accessibile e molto meno rischiosa in termini di salute, ma con un prezzo di costo molto paragonabile a quello dell'adsorbimento su ossa calcinate.

Lasad Dammak, CC BY-NC-ND

Questa tecnica, descritta nella figura a fianco, è chiamata dialisi cross-ionica. Viene utilizzata una membrana a scambio anionico (MEA) che consente il passaggio solo di ioni negativi. È costituito da un foglio di un polimero speciale con uno spessore di ~150 µm, posto tra due scomparti; uno (indicato con F) alimentato con acqua da trattare, l'altro (indicato con C), contenente una soluzione costituita dalla stessa acqua arricchita con sale da cucina (NaCl) alla concentrazione di 5 g NaCl/L .

Sotto l'effetto della loro differenza di concentrazione, i Cl- ioni attraversano la MEA. Poiché gli ioni sodio positivi non possono attraversare la MEA, una quantità equivalente di F-anioni deve passare dal compartimento F a C per bilanciare le cariche elettriche.

Pertanto, l'acqua viene impoverita in F- e arricchita in Cl-, un anione altamente tollerato dall'organismo purché la sua concentrazione nell'acqua potabile sia inferiore a ~250 mgCl-/L (Direttiva Europea 98/83 del 3 novembre 1998 ).

Per far circolare, a bassissima portata, le soluzioni dei compartimenti F e C, qui è sufficiente un po' di corrente a bassa potenza per azionare le pompe dell'acquario. In assenza di rete elettrica, queste pompe funzionanti in corrente continua possono essere alimentate da pannelli fotovoltaici. Possiamo anche usare semplicemente la gravità per far defluire l'acqua da trattare verso il compartimento F.

Trenta litri d'acqua ogni notte

I test di laboratorio con acqua ricostituita si sono rivelati molto conclusivi e hanno consentito di ottimizzare i parametri di processo. Questi test sono confermati da prove con acqua reale su un pilota in formato A4.

Questo formato consente di produrre durante la notte acqua sufficiente per il consumo giornaliero di una famiglia di una decina di persone, ovvero una trentina di litri per notte. Il prezzo di costo rimane piuttosto contenuto in quanto non vi è alcun dispendio energetico significativo e la membrana utilizzata si è rivelata abbastanza efficace.

Tuttavia, come per qualsiasi installazione, il dializzatore ionico richiede una manutenzione quindicinale. Ciò comporta il lavaggio con soluzioni abbastanza diluite di acido citrico o aceto, seguito da un lavaggio con soda o lime.

Completamente pronto a livello tecnico, il progetto è attualmente in attesa di finanziamento per distribuire questi dializzatori ionici agli utenti.


Martedì 22 marzo 2022 in occasione della Giornata Mondiale dell'Acqua, ilIUT di Créteil-Vitry invita il pubblico a scoprire il lavoro svolto da vari laboratori di ricerca (LEESU, IMRB e ICMPE) e diverse aziende nonché le apparecchiature utilizzate nel campo del trattamento delle acque.

Lasad Dammak, Professore di Scienza dei Materiali e Ingegneria dei Processi, Università Paris-Est Créteil Val de Marne (UPEC)

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto licenza Creative Commons. Leggi ilarticolo originale.

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