Lana per la depurazione

Mauro Icardi

La lana è un materiale che sta facendo il suo ingresso nel settore della depurazione delle acque. La ricerca nel settore si sta orientando verso nuove soluzioni che riescano a coniugare effetti depurativi elevati con costi contenuti. Oltre a questo si sperimentano soluzioni che superino i limiti degli impianti di trattamento tradizionali. Da un punto di vista chimico la fibra della lana è un polimero di origine proteica ed è costituita da cheratine ossia da macromolecole risultanti dall’unione di più amminoacidi legati tra loro tramite un legame peptidico. Da un punto di vista spaziale le catene cheratiniche sono disposte a elica a formare una struttura tridimensionale.

La lana di pecora sarda è entrata a fare parte di una serie di prodotti utilizzati per il disinquinamento in situ di idrocarburi. In particolare quello dovuto a sversamenti accidentali. Il prodotto presentato nel 2016 è frutto di una collaborazione tra l’Università di Cagliari (dipartimenti di Scienze Biomediche e di Ingegneria Sanitaria) e la società Geolana. Il principio di funzionamento è quello di lavorare la lana creando delle microcelle adatte ad essere adoperate come habitat da microrganismi in grado di degradare i prodotti petroliferi. Il prodotto può poi essere confezionato sotto forma di “salsicciotti “ assorbenti (forma piuttosto diffusa anche per prodotti a base di enzimi) che vengono posti come barriere assorbenti nelle aree marine da bonificare.

Il principio in ultima analisi ricorda quello dei sistemi a biomassa adesa sia di vecchia concezione (biodischi) che di quelli più recenti (MBRR- Moving-Bed Biofilm Reactor). Va anche ricordato che negli anni si sono sperimentati diversi sistemi di filtrazione per esempio di aria proveniente da locali di trattamento di fanghi con l’utilizzo di biofilitri. Il materiale di riempimento poteva essere costituto da corteccia di alberi, ma anche da gusci di cozze, che negli anni si sono utilizzati in diversi impianti di depurazione proprio per questo scopo.

http://www.infonodo.org/node/12115

Ritornando alla lana e al suo recupero, destinandola alla depurazione delle acque, una notizia recente è stata pubblicata pochi giorni fa, il 10 Gennaio 2018 sul quotidiano “La Stampa”.

La notizia si riferisce a sperimentazioni in corso presso il centro ricerche Smat a Torino. Il titolo dell’articolo è : “Così gli scarti delle lane rendono l’acqua più sicura”.

Scarti della lavorazione della lana, opportunamente trattati come precisato dalla società per bocca del suo presidente Paolo Romano, utilizzati per la rimozione di metalli.

In particolare si tratterebbe di produrre delle cartucce di lana pressata per sostituire processi di osmosi inversa. Questo per diminuire i costi e per facilitare le manutenzioni, che a loro volta incido dal punto di vista economico. Per quanto riguarda i risultati, relativamente all’arsenico l’articolo indica una riduzione di concentrazione da valori iniziali pari a 2000 microgrammi/litro, fino ad arrivare ad una concentrazione di 10 microgrammi litro.

Nell’articolo è indicata anche l’intenzione di estendere le sperimentazioni su altri metalli, quali zinco, nichel, cadmio e cromo esavalente.

In attesa di notizie più precise, credo occorra ricordare alcune cose. Normalmente nelle acque superficiali l’arsenico è presente nella forma pentavalente, come in AsO43-, cioè lo stato ossidato +5.

Su questa forma il trattamento ad osmosi inversa riesce a trattenere fino al 90% dell’arsenico. Ma è inefficace per il trattamento dell’arsenico in forma ridotta come in AsO33- , cioè lo stato ossidato +3. Occorre quindi essere sicuri che tutto l’eventuale arsenico in questione sia eventualmente ossidato a pentavalente. In caso contrario occorre prevedere di utilizzare ossidanti usualmente impiegati (permanganato di potassio, acqua ossigenata o reattivo di Fenton.)

Nei processi di osmosi inversa occorre per eliminazione di arsenico occorre verificare il problema dello sporcamento delle membrane. Ho trattato il problema dal punto di vista dell’osmosi. Potrebbe essere utilizzata eventualmente la tecnica dell’adsorbimento, ma non mi è chiaro come si potrebbero utilizzare allumina o idrossido di ferro sullo strato di lana che fungerebbe da letto di riempimento. Perché per esempio utilizzando allumina occorre a volte addizionare l’acqua di acido e successivamente neutralizzarla per la rigenerazione del filtro di adsorbimento.

In letteratura si trovano lavori sperimentali che trattano della rimozione dell’arsenico con metodi di questa concezione.

Modificando la struttura delle piume di pollo e verificando sperimentalmente che la cheratina risulterebbe particolarmente efficace nell’assorbimento dell’arsenico.

(RSC Adv. , 2013,3,20800)

Un altro lavoro sperimentale di ricercatori italiani che indica come efficienti agenti di rimozione dell’arsenico nelle acque di falda la chitina ed il chitosano. Ipotizzandone anche l’uso in medicina come nano particella naturale, per i veicolare il triossido di arsenico nei tessuti, ad uso chemioterapico.

(Mars. Drugs 2010 , 8,1518-1525; doi: 10.3390/md 8051518)

Sarà interessante verificare in ogni caso il procedere di questa sperimentazione torinese. Se risulterà promettente sarà un deciso passo in avanti verso recupero di materiali e diminuzione di rifiuti. E in ultima analisi il rilancio di tecniche di filtrazione che a loro tempo furono le prime (ed è intuitivo pensarlo) utilizzate nella purificazione delle acque.

Altra considerazione da fare: utilizzare le materie seconde, studiarne le potenzialità nell’ottica dell’applicazione concreta dell’economia circolare.

Up-Top: un nuovo approccio nella trasformazione dei materiali naturali

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo.

a cura di Alessandro Ianiro**

Negli ultimi anni i biopolimeri naturali, tra i quali cellulosa, chitina ed amido, hanno fortemente attirato l’attenzione della comunità scientifica. L’ampia disponibilità a basso costo, la biocompatibilità e le ottime proprietà meccaniche candidano questi materiali a molti tipi di applicazioni e il loro potenziale è ben lontano dall’essere esaurito.

uptop1

Calamaro europeo (loligo vulgaris). Al suo interno è presente il gladio, detto anche penna, una struttura composta di chitina, proteine ed altro materiale biologico, avente la forma di una piuma.

Prendiamo ad esempio la chitina. Essa è il secondo biomateriale più abbondante della terra dopo la cellulosa e viene sintetizzata da una grande varietà di organismi, nei quali spesso assume una funzione strutturale. Nelle sue forme naturali è un materiale parzialmente cristallino e forma polimorfi che differiscono per l’orientazione relativa delle catene polimeriche. Quella presente nel guscio dei crostacei, ad esempio, è la forma α, caratterizzata da domini cristallini in cui le macromolecole sono disposte con orientazione antiparallela, mentre quella presente nelle penne di calamaro (forma b) è caratterizzata da una disposizione parallela delle catene polimeriche. Queste differenze strutturali, riflettendosi sulla capacità di formare legami a idrogeno inter-catena, sono in grado di influenzare sensibilmente il comportamento chimico-fisico del materiale.

Pur essendo un materiale dalle molteplici virtù come la resistenza meccanica e chimica, la biocompatibilità, la capacità di rimuovere inquinanti dall’acqua e di accelerare la cicatrizzazione delle lesioni cutanee prevenendo la proliferazione dei batteri, la chitina non trova larga applicazione industriale. L’ostacolo principale risiede nelle difficoltà di lavorazione dovute alla sua natura chimica. Va sottolineato il fatto che la chitina è un prodotto di scarto dell’industria alimentare ittica (quindi una materia prima a basso costo) con un elevato impatto ambientale, il cui riutilizzo potrebbe rappresentare sia un’opportunità economica, sia la soluzione ad un problema ecologico.

uptop2

Immagine in birifrangenza* con polarizzatori incrociati di due campioni di penna di calamaro (gladius), costituiti da chitina cristallina.

Uno dei punti di forza dei materiali naturali è la sofisticatissima struttura gerarchica, frutto di una sperimentazione durata milioni di anni: l’evoluzione. Questa organizzazione strutturale intelligente, che parte dalla scala molecolare e arriva fino alla scala macroscopica, conferisce ai biomateriali delle proprietà particolari ed innovative che l’uomo è ben lontano dal saper riprodurre.

Queste idee sono un fertile campo di attività di ricerca e anche presso l’Università di Bologna opera un Gruppo che si occupa di biomineralizzazione e biocristallografia, con l’obiettivo di utilizzare i biomateriali non come materia prima da trasformare, ma come nuovi materiali.

Questo approccio, denominato up-top, rappresenta la convergenza tra i classici approcci bottom-up e top-down, e prevede che la struttura nativa (bottom-up) non replicabile dall’uomo, venga preservata quanto più possibile. Per rendere questi materiali adattabili a differenti campi applicativi, vengono utilizzate tecniche chimiche e fisiche (top-down) per modificarne le proprietà nanometriche e micrometriche.

Così facendo è possibile unire le singolari caratteristiche dei materiali naturali alla modulabilità dei materiali sintetici, aprendo la strada a nuove applicazioni in campo tecnologico, biomedico ed ambientale.

Si ringrazia il Prof. Giuseppe Falini, per l’uso della seconda figura, ottenuta in laboratorio con il sistema dei due polarizzatori incrociati.

Per saperne di più

Fernandez J. G. and Ingber D. E. Bioinspired chitinous material solutions for environmental sustainability and medicine. Advanced Functional Materials, 23(36):4454-4466, 2013.

Fei-Chi Yang,a   Robert D. Peters,a   Hannah Diesa and   Maikel C. Rheinstädter, Hierarchical, self-similar structure in native squid pen, Soft Matter, 10:5541-5549, 2014

Alessandro Ianiro, Matteo Di Giosia, Simona Fermani, Chiara Samorì, Marianna Barbalinardo, Francesco Valle, Graziella Pellegrini, Fabio Biscarini, Francesco Zerbetto, Matteo Calvaresi, Giuseppe Falini, Customizing Properties of β-Chitin in Squid Pen (Gladius) by Chemical Treatments, Marine Drugs; 12(12): 5979–5992, 2014

**Alessandro Ianiro ha conseguito la laurea magistrale in Chimica presso l’Università di Bologna nel 2014.

Attualmente è assegnista di ricerca presso il Dipartimento di Chimica “Giacomo Ciamician” e i suoi interessi riguardano in maniera specifica la sintesi di nanomateriali ad attività fotocatalitica e la preparazione di materiali compositi derivati da fonti naturali, per applicazioni nel campo della medicina rigenerativa e della water remediation.

*Quando un cristallo birifrangente, sia esso monoassico (come la chitina) o poliassico, viene posto tra due filtri polarizzatori incrociati (aventi i piani di polarizzazione a 90°) in modo tale che l’asse ottico del cristallo non sia parallelo alla direzione di polarizzazione dei due filtri, questo può assumere colorazioni di diversa intensità e tonalità se illuminato da una sorgente posta prima del primo filtro polarizzatore. In questa configurazione infatti si ha che le componenti vettoriali dei due raggi rifratti dal cristallo parallele al secondo filtro polarizzatore non sono nulle e quindi sono in grado di emergere dal filtro. Tali componenti hanno una diversa fase, per cui la loro somma dà luogo ad interferenze di tipo costruttivo e distruttivo, causando la comparsa dei colori.