[14/03/2013] News

Il grafene renderą pił economici ed efficienti i dissalatori?

La Lockheed Martin, uno dei più grandi appaltatori militari del mondo (noto in Italia anche per vecchie storie di tangenti), ha messo a punto un procedimento che riduce significativamente la quantità di energia necessaria per desalinizzare l'acqua. Un'innovazione che potrebbe aiutare le comunità di tutto il mondo ad affrontare la crescente minaccia della carenza idrica. 

La multinazionale statunitense, più conosciuta per i missili e gli aerei da combattimento che per i prodotti destinati al mercato "civile", ha spiegato che il nuovo processo di desalinizzazione utilizza membrane di carbonio ultra-sottili con fori abbastanza grandi da permettere all'acqua di passare attraverso, ma abbastanza piccoli da bloccare le molecole di sale contenute nell'acqua di mare. 

Dato che queste innovative membrane realizzate con il nuovo materiale il "Perforene", una variante del  "magico" grafene, hanno fori sottili come un singolo atomo, il processo richiede molta meno energia rispetto alle tecnologie di dissalazione esistenti, che si basano sull'osmosi inversa. Secondo John Stetson, un ingegnere di Lockheed Martin,  «E' 500 volte più sottile del migliore filtro oggi sul mercato e mille volte più forte. L'energia richiesta e la pressione necessaria per filtrare il sale sono circa 100 volte meno». La Lockheed prevede di realizzare con il Perforene altre applicazioni in campo sanitario, in particolare per la dialisi, e per filtrare i prodotti chimici dall'acqua utilizzata nella fratturazione idraulica, il famigerato "fracking", per estrarre petrolio e gas.

Uno studio della Yale University del 2011 ha rilevato che la dissalazione potrebbe essere approccio più economico per soddisfare le esigenze crescenti di acqua del pianeta ed un rapporto del governo Usa dice che nei prossimi 30 anni la disponibilità di riserve d'acqua dolce diventerà un problema di sicurezza internazionale, visto che  non riuscirà a tenere il passo con la crescita della popolazione mondiale, a meno che i Paesi non sviluppino migliori strategie di gestione delle risorse idriche. Secondo un rapporto 'Onu del 2012, circa 780 milioni di persone non hanno accesso all'acqua potabile ed entro il 2025 questo numero è destinato a raddoppiare. Il team della Yale afferma che la dissalazione potrebbe essere la risposta: «Gli oceani del globo sono una fonte pressoché inesauribile di acqua, ma il processo di rimozione del loro sale è costoso e ad alta intensità energetica - spiegava Menachem Elimelech, professore di chimica ed ingegneria ambientale alla Yale - Gli sforzi per la dissalazione si sono concentrati sull'osmosi inversa, forzando acqua di mare attraverso una membrana che filtra il sale, e cercando di ridurre la quantità di energia richiesta.»

Elimelech e William Phillip, del l'Università di Notre Dame, facevano già osservare che esiste una quantità minima di energia necessaria per l'osmosi inversa e che le tecnologie attuali fossero ormai vicine. Invece, secondo i due scienziati i grossi guadagni di efficienza dovrebbero essere fatti nella fase di pre e post trattamento dell'acqua e in quella di desalinizzazione. L'acqua di mare contiene materia organica e particolato che devono essere filtrati prima di passare attraverso la membrana che rimuove il sale e per ripulire l'acqua e coagulare i materiali vengono aggiunti agenti chimici. Ma se una membrana non accumulasse la materia organica sulla sua superficie, la maggior parte, se non tutti, i pre-trattamenti potrebbero essere evitati ed invece di rimuovere il materiale durante una distinta fase di post-trattamento, servirebbe una  membrana in grado di filtrare e rimuovere al tempo il sale in maniera più efficiente rispetto a quel che può essere fatto fino ad ora. Elimelech avvertiva: «Tutto questo richiederà nuovi materiali e nuova chimica, ma crediamo che sia su questo che dobbiamo concentrare i nostri sforzi per il futuro. Il problema della mancanza d'acqua potrà solo peggiorare e dobbiamo essere pronti ad affrontare la sfida con una migliorata tecnologia sostenibile».

A quanto pare è proprio quello che ha fatto la Lockheed Martin con un materiale che consentirebbe di produrre  filtri con sottilissime  membrane di carbonio con fori regolari della dimensione di circa un nanometro, un miliardesimo di metro. «Dato che gli strati di carbonio puro, noto come grafene, sono così sottili, un solo atomo di spessore, ci vuole molta meno energia far passare l'acqua di mare attraverso il filtro con la spinta necessaria a separare il sale dall'acqua», dicono alla Lockheed Martin. Questo materiale potrebbe consentire ai Paesi in via di sviluppo di non realizzare le costose stazioni di pompaggio necessarie per gli impianti che utilizzano l'osmosi inversa.

Tom Notaro, business manager per i materiali avanzati della Lockheed, ha spiegato alla Reuters il legame tra dissalazione e sicurezza militare: «Una delle aree per le quali siamo molto preoccupati, in termini di sicurezza globale è l'accesso all'acqua potabile pulita e conveniente. Mentre sempre più Paesi diventano più sviluppato ... l'accesso a t quest'acqua per la loro vita quotidiana sta diventando sempre più critico».

La Lockheed ammette di dover ancora affrontare una serie di sfide per riuscire a produrre filtri in grafene: lavorare con un materiale così sottile è difficile ed altrettanto difficile sarà avviare una produzione commercialmente sostenibile, gli ingegneri stanno ancora affinando il processo di messa a punto dei micro-fori. Inoltre non si sa se la Lockheed dovrà affrontare una concorrenza commerciale in questo settore, doto che non è la sola a lavorare a questa tecnologia.

Jeffrey Grossman, del Massachusetts institute of technology, che ha fatto delle ricerche sulle membrane di grafene per la filtrazione, ha detto alla Reuters di saperne molto poco del lavoro della Lockheed, ma ha sottolineato che «Trovare un modo per produrre strati di  grafene con fori di dimensioni nanometriche è in grado di far fare un grande passo avanti in termini di efficienza della dissalazione. Se è possibile progettare una membrana che sia completamente diversa da quelle che usiamo oggi, allora c'è una possibilità di più di due ordini di grandezza (100 volte) di aumentare la permeabilità della membrana».

Stetson ha cominciato a lavorare a questo problema nel 2007 e dice che se il Perforene fosse paragonato allo spessore di un foglio di carta, la membrana più sottile attualmente in uso avrebbe uno spessore paragonabile a 3 risme di carta. Al microscopio elettronico il Perforene mostra piccoli atomi di carbonio legati insieme in una pellicola diafana, liscia e continua, «Ma è dello spessore di un atomo ed è mille volte più forte dell'acciaio - sottolinea Stetson - La quantità di lavoro necessario per spremere l'acqua attraverso il percorso tortuoso delle migliori membrane odierne è superata con il Perforene, Passa letteralmente oltre la membrana, perché il filtraggio avviene con atomi più sottili».

Notaro ha detto che la Lockheed alla fine si aspetta di ottenere un prototipo per realizzare un filtro che potrà essere usato  per rimpiazzare i filtri attualmente utilizzati negli impianti ad osmosi inversa e sta cercando partner industriali per commercializzare i filtri di Perforene entro il  2014 - 2015.    

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