Nanoinnovation 2018.

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Luigi Campanella, già Presidente SCI

Torno a parlare del NANOFORUM (http://www.nanoinnovation.eu/2018 ) in corso dall’11 al 14 presso la Facoltà di Ingegneria della Sapienza a Roma non solo per l’importanza dell’evento, ma per focalizzare ancora una volta il peso e l’influenza delle nanoscienze sulla nostra vita di tutti i giorni, quindi sulla stessa qualità del nostro vivere quotidiano.

Il nanomateriale forse più noto, più studiato, più utilizzato è probabilmente il grafene. Per comprenderne la specificità e l’originalitá basta pensare che con esso la distribuzione degli atomi costituenti perde una delle tradizionali 3 dimensioni delle molecole che rappresentiamo nello spazio: il grafene è un composto bidimensionale, si sviluppa cioè sul piano. Esso è costituito da un singolo strato di carbonio dello spessore di un solo atomo:lo possiamo immaginare come uno strato tipo millefoglie,tanto per addolcire una spiegazione tecnica. Questa caratteristica sin dalla sua scoperta l’ha fatto individuare come un materiale prezioso con aspettative rispetto ad esso confrontabili con quanto atteso da materiali naturali che hanno segnato la storia della nostra civiltà (bronzo, ferro, acciaio, silicio). Al grafene è correlato il premio Nobel ai 2 russi (Geim e Noviselov) che con i loro studi sul comportamento degli elettroni nello spazio a 2 dimensioni hanno di fatto aperto la corsa alle possibili applicazioni del grafene stesso, che sono risultate così molteplici e speciali da assegnare al grafene stesso la denominazione di supermateriale. Come accade in genere per gli strati sottilissimi è trasparente, flessibile, conduttore elettrico (anzi in effetti il grafene è un superconduttore) e termico, ma al contrario  di essi è resistentissimo, impermeabile a gas e liquidi. Una proprietà quasi unica è quella di interagire con luce di qualsiasi lunghezza d’onda e quindi colore.Volendo confrontarlo con i materiali a noi noti si può dire che il grafene si comporta similmente ad una gomma.

Gli studi sul grafene sono stati condotti in tutto il mondo e l’Europa ha addirittura lanciato il”graphene flagship”, un consorzio con un miliardo di euro a disposizione, tanto che simulando la Silicon Valley,ci si riferisce all’Europa come alla Graphene Valley. Non si deve credere che la struttura bidimensionale del grafene sia unica: esistono migliaia di composti con questa caratteristica, il grafene è solo il capostipite più conosciuto.

Come si diceva queste proprietà sono state già sfruttate in molte applicazioni e di certo lo saranno in molte altre.

Le applicazioni già mature sono nei campi

-delle batterie con innovazioni che migliorano dimensioni, potenza e ciclo di vita

-delle telecomunicazioni nel passaggio dal 4G al 5G

-della sensoristica applicata alle tecnologie di portabilità ( vestiti e imballaggi) per il controllo ai fini ambientali ed igienico sanitari

-della sicurezza alimentare con la realizzazione di etichette intelligenti.

La produzione del grafene è oggi possibile a livelli di tonnellate o chilometri, ma resta il problema della diversificazione del prodotto in funzione dell’applicazione.

La ricerca è però molto attiva , anche in Italia presso l’Università di Pisa, i Politecnici di Torino e Milano, il CNR ed anche imprese privati e certamente arriveranno le risposte a molte delle attuali domande.

Depuratori del futuro: trattamenti a membrana, nanotecnologie e grafene.

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Mauro Icardi

Le tecnologie a membrana per i trattamenti di depurazione e potabilizzazione delle acque, sono note e in fase di sviluppo ed applicazione. Ma lo sviluppo tecnologico nel settore è in costante crescita e può trovare un giusto abbinamento con le energie rinnovabili, per ottenere sia una qualità dell’acqua migliore, che la riduzione di consumi energetici ed emissioni.

Il grafene è un materiale che si presta molto bene ad ottenere membrane che siano meno soggette a problemi di intasamento e di incrostazione da accumulo e deposito di organismi viventi, animali e vegetali (bioincrostazione o biofouling).

Due società australiane hanno iniziato un progetto pilota di produzione di membrane in ossido di grafene, in collaborazione con la Monash University di Melbourne.

Secondo i ricercatori impegnati in questo progetto le prospettive dell’utilizzo di questo materiale sono estremamente incoraggianti e si prevede che possano ridurre in maniera significativa i consumi energetici per il processo di filtrazione delle acque.

Altre membrane di nuova progettazione e concezione sono le cosiddette membrane “biomimetiche”.

Il loro funzionamento si ispira al meccanismo con il quale le radici delle piante di mangrovia riescono a utilizzare l’acqua salmastra delle lagune costiere, o dei litorali delle coste marine tropicali. All’interno delle radici ci sono membrane che funzionano grazie a speciali proteine (le acquaporine che sono presenti anche nei reni). Funzionano esattamente come le membrane di osmosi inversa, quindi filtrano l’acqua trattenendo all’esterno i sali. Ma per la loro speciale struttura non richiedono però l’applicazione di alte pressioni di esercizio, e anche in questo caso si ottiene un notevole risparmio energetico ed un maggior vita operativa delle cartucce di filtrazione.

La società danese “Acquaporin” ha già messo in commercio cartucce di filtrazione per uso domestico basate su questo principio. Per il futuro pensa ad una applicazione su scala industriale per la dissalazione a costi concorrenziali delle acque marine, da destinare poi all’utilizzo potabile o industriale.

Altra tecnologia applicata alle membrane, in questo caso destinate alla depurazione delle acque reflue, è quella di costruire membrane costituite da migliaia di tubicini in polimetilsilossano (una resina permeabile appartenente alla categoria dei siliconi). In questo modo si ottiene una maggiore efficienza di diffusione dell’aria alla popolazione batterica che dovrà operare le reazioni di biodegradazione.

In particolare membrane di questo genere riescono ad ottenere un’efficienza di trasferimento di aria pari al 50 – 60%, rispetto al 35% dei diffusori a microbolle presenti negli impianti di depurazione tradizionali.

Se si opera con ossigeno puro l’efficienza può arrivare anche al 100%. Con l’adozione di questo tipo di membrane l’energia necessaria per la depurazione di 1 mc di acqua passa da 0.5-0.6 a 0.2 kWh.

I tempi di trattamento sono ridotti del 40%, e la produzione di fanghi di circa 1/3. La produzione di biofilm risulta limitata dalla maggiore efficacia nella diffusione dell’aria o dell’ossigeno, che produce effetti di cavitazione idrodinamica sui fiocchi di fango biologico, e che riduce quindi la deposizione sulle membrane.

La depurazione, e più in generale il trattamento delle acque sta vivendo un momento di rinnovamento e di implementazione di tecnologie che aiutano nella gestione del bene acqua. E questo è un segnale incoraggiante. Ora l’auspicio è che queste tecniche trovino una diffusione generalizzata sia negli impianti di più antica progettazione e realizzazione, che in quelli di nuova costruzione.