I ricercatori del MIT hanno sviluppato un’unità portatile per la desalinizzazione, pesa meno di 10 chilogrammi, è in grado di rimuovere particelle e sali per generare automaticamente acqua potabile che supera gli standard di qualità dell’Organizzazione Mondiale della Sanità.
Il dispositivo delle dimensioni di una valigetta, per funzionare richiede meno energia rispetto a un caricabatterie per cellulare, può anche essere azionato da un piccolo pannello solare portatile, che può essere acquistato online per circa 50 dollari. La tecnologia è racchiusa in un dispositivo intuitivo che funziona con la semplice pressione di un pulsante.
Il dispositivo a differenza di altre unità portatili per la desalinizzazione che richiedono il passaggio dell’acqua attraverso i filtri, utilizza l’energia elettrica per rimuovere le particelle dall’acqua potabile. L’eliminazione della necessità di sostituire i filtri riduce notevolmente i requisiti di manutenzione a lungo termine. Ciò potrebbe consentire all’unità di essere utilizzata in aree remote e con risorse limitate, come comunità su piccole isole o a bordo di navi mercantili. Potrebbe anche essere utilizzato per aiutare i rifugiati in fuga da disastri naturali o dai soldati che svolgono operazioni militari a lungo termine.
L’unità di desalinizzazione portatile è stata realizzata dal team del Laboratorio di Ricerca di Elettronica (RLE) composto da Jongyoon Han, professore di ingegneria elettrica e informatica e di ingegneria biologica; Junghyo Yoon; Hyukjin J. Kwon; SungKu Kang della Northeastern University e Eric Brack del Comando per lo sviluppo delle capacità di combattimento dell’esercito americano (Devcom). Lo studio è stato pubblicato nella rivista Environmental Science & Technology.
Jongyoon Han ha affermato:
«Questo progetto è davvero il culmine di un viaggio di 10 anni che io e il mio gruppo abbiamo intrapreso. Abbiamo lavorato per anni sulla fisica dietro i singoli processi di desalinizzazione, ma mettere tutti questi progressi in una valigetta, costruire un sistema e dimostrarlo nell’oceano, per me è stata un’esperienza davvero significativa e gratificante».
Tecnologia senza filtri
Junghyo Yoon ha detto:
«Le unità di desalinizzazione portatili disponibili in commercio in genere richiedono pompe ad alta pressione per spingere l’acqua attraverso i filtri, sono molto difficili da miniaturizzare senza compromettere l’efficienza energetica del dispositivo».
La nuova unità di desalinizzazione portatile si basa su una tecnica chiamata polarizzazione della concentrazione di ioni (ICP), è stata sperimentata dal team di Jongyoon Han, più di 10 anni fa, invece di filtrare l’acqua, il processo ICP applica un campo elettrico alle membrane poste sopra e sotto un canale d’acqua. Le membrane respingono le particelle con carica positiva o negativa mentre scorrono, comprese le molecole di sale, i batteri e i virus. Le particelle cariche vengono incanalate in un secondo flusso d’acqua che viene infine scaricato.
Il processo rimuove i solidi disciolti e sospesi, consentendo all’acqua pulita di passare attraverso il canale. Poiché richiede solo una pompa a bassa pressione, la polarizzazione della concentrazione di ioni (ICP) utilizza meno energia rispetto ad altre tecniche, ma l’ICP non rimuove sempre tutti i sali che galleggiano nel mezzo del canale, quindi i ricercatori hanno incorporato un secondo processo, noto come elettrodialisi, per rimuovere i rimanenti ioni di sale.
Junghyo Yoon e SungKu Kang hanno utilizzato l’apprendimento automatico per trovare la combinazione ideale di moduli ICP ed elettrodialisi. La configurazione ottimale include un processo ICP a due stadi, con l’acqua che scorre attraverso sei moduli nel primo stadio, poi attraverso tre nel secondo stadio, seguito da un singolo processo di elettrodialisi. Ciò ha ridotto al minimo il consumo di energia garantendo al contempo che il processo rimanga autopulente.
Junghyo Yoon ha detto:
«Sebbene sia vero che alcune particelle cariche potrebbero essere catturate sulla membrana a scambio ionico, se rimangono intrappolate, invertiamo semplicemente la polarità del campo elettrico e le particelle cariche possono essere facilmente rimosse».
I ricercatori hanno ridotto e impilato i moduli ICP ed elettrodialisi per migliorarne l’efficienza energetica e consentire loro di adattarsi all’interno di un dispositivo portatile; per i non esperti hanno progettato il dispositivo con un solo pulsante per avviare il processo automatico di desalinizzazione e purificazione. Il dispositivo una volta che il livello di salinità e il numero di particelle scendono a soglie specifiche, notifica all’utente che l’acqua è potabile
I ricercatori hanno anche creato un’app per smartphone in grado di controllare l’unità in modalità wireless e riportare dati in tempo reale sul consumo di energia e sulla salinità dell’acqua.
Prove in spiaggia
I ricercatori dopo aver eseguito esperimenti di laboratorio utilizzando acqua con diversi livelli di salinità e torbidità, hanno testato il dispositivo sul campo a Carson Beach a Boston. Junghyo Yoon e Junghyo Yoon sistemato il dispositivo vicino alla riva, hanno dettato il tubo di alimentazione nell’acqua, in circa mezz’ora, il dispositivo aveva riempito un bicchiere di plastica con acqua limpida e potabile (vedi video).
Jongyoon Han ha detto:
«Ha avuto successo anche nel primo test, è stato entusiasmante e sorprendente. Penso che il motivo principale per cui abbiamo avuto successo sia l’accumulo di tutti questi piccoli progressi che abbiamo fatto lungo il percorso».
L’acqua risultante ha superato le linee guida sulla qualità dell’Organizzazione Mondiale della Sanità, l’unità di desalinizzazione portatile ha ridotto la quantità di solidi sospesi di almeno un fattore 10. Il prototipo genera acqua potabile a una velocità di 0,3 litri all’ora e richiede solo 20 watt di potenza per litro.
Jongyoon Han ha aggiunto:
«In questo momento, stiamo spingendo la nostra ricerca per aumentare il tasso di produzione, una delle maggiori sfide nella progettazione del sistema portatile è stata la progettazione di un dispositivo intuitivo che potesse essere utilizzato da chiunque».
Junghyo Yoon spera attraverso una startup che prevede di lanciare per commercializzare la tecnologia, di rendere il dispositivo più intuitivo e di migliorarne l’efficienza energetica e il tasso di produzione.
Jongyoon Han in laboratorio vuole applicare le lezioni apprese negli ultimi dieci anni a problemi di qualità dell’acqua che vanno oltre la desalinizzazione, come il rilevamento rapido di contaminanti nell’acqua potabile. Ha affermato:
«Questo è sicuramente un progetto entusiasmante, sono orgoglioso dei progressi che abbiamo fatto finora, ma c’è ancora molto lavoro da fare».
Nidal Hilal, professore di ingegneria e direttore del centro di ricerca sull’acqua di Abu Dhabi della New York University, non è stato coinvolto in questa ricerca, ha osservato:
«Ad esempio, mentre lo sviluppo di sistemi portatili che utilizzano processi a elettro-membrana è una direzione originale ed entusiasmante nella desalinizzazione su piccola scala, non collegato alla rete di distribuzione, gli effetti dell’incrostazione, soprattutto se l’acqua ha un’elevata torbidità, potrebbero aumentare significativamente i requisiti di manutenzione e costi energetici. Un’altra limitazione è l’uso di materiali costosi, sarebbe interessante vedere in atto sistemi simili con materiali a basso costo».