Politecnico di Torino: contrastare la scarsità d’acqua grazie alla dissalazione su scala industriale

Sviluppate membrane poliammidiche per la dissalazione che imitano la struttura delle proteine biologiche

[23 Dicembre 2020]

Secondo l’Organizzazione mondiale della sanità, più di 500 milioni di persone non hanno accesso ad acqua potabile di sufficiente qualità e l’Obiettivodi sviluppo sostenibile 6 dell’Onu è proprio quello di garantire un servizio idrico sicuro e senza restrizioni a tutta la popolazione mondiale entro il 2030.

Al Politecnico di Torino dicono che «Una delle soluzioni percorribili è rappresentata dalla dissalazione dell’acqua di mare tramite membrane in poliammide grazie ad una tecnica di osmosi inversa. Queste membrane sono semplici da costruire e poco costose, ma hanno come limite il problema della rimozione del sale ed una bassa produttività». Lo studio  “Biomimetic artificial water channel membranes for enhanced desalination”, pubblicato su Nature Nanotechnology da un team di ricercatori della King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), del Politecnico di Torino e coordinato da Maria Di Vincenzo dell’Adaptive Supramolecular, Nanosystems Group dell’Institut Européen des Membranes dell’Université de Montpellier, illustra la progettazione di membrane poliammidiche da osmosi inversa contenenti canali d’acqua artificiali è una strategia ibrida messa a punto e brevettata da questo gruppo internazionale e sottolinea che «Il modello permette di combinare la facilità di fabbricazione che caratterizza le membrane di poliammide con le eccezionali proprietà di trasporto dell’acqua e la selettività acqua/soluto tipiche delle proteine biologiche».

Uno degli autori dello studio, Mihail Barboiu dell’Institut Europeen des Membranes, spiega che «I sistemi naturali si sono sviluppati per milioni di anni per sviluppare dispositivi complessi per traslocare le specie attraverso la membrana cellulare. I canali proteici biologici nelle membrane naturali utilizzano pori altamente selettivi per fornire prestazioni di trasporto eccezionali, in grandezze di gran lunga superiori a quelle ottenute dalle membrane polimeriche sintetiche utilizzate per la desalinizzazione e il trattamento dell’acqua. La natura potrebbe fornire risposte per una dissalazione efficiente. I chimici hanno tentato di replicare i sistemi naturali con materiali sinteticamente accessibili e a basso costo con un’elegante combinazione di semplicità e utilità. La biomimizzazione delle proteine ​​a livello molecolare è una sfida importante. Un simile impatto dell’attività di conduzione dell’acqua ottenuto con acquaporine naturali può essere ottenuto utilizzando composti artificiali più semplici che mostrano funzioni di trasporto come quelle naturali. La prima identificazione dei canali d’acqua artificiali – AWC  nel 2011, ha aperto la porta a nuovi processi di dissalazione applicativa vicini a quelli naturali». I ricercatori hanno ipotizzato che gli AWC biomimetici potrebbero servire ad aumentare la forza motrice per il trasporto utilizzando principi naturali e per cambiare i paradigmi della desalinizzazione dell’acqua: gli AWC presentano strutture robuste e funzionali che portano selettivamente l’acqua attraverso la membrana a doppio strato; le AWC possono fornire una comprensione completa delle strutture e dei meccanismi per trasportare efficacemente l’acqua nei sistemi biologici;  la semplice disponibilità di AWC sintetici può dare origine a nuove strategie per la progettazione di membrane per il trasporto dell’acqua altamente selettive.

Al Politecnico di Torino evidenziano che «La creazione di canali artificiali biomimetici, realizzati con reagenti facilmente reperibili e che imitano le funzionalità delle proteine biologiche, permette una grande flessibilità nella costruzione di strutture utilizzabili anche su scala industriale. Le sfide chiave nella costruzione di un tale membrana ibrida sono state il delicato autoassemblaggio adattivo dei canali d’acqua all’interno della poliammide, il mantenimento della loro funzione e la prevenzione nella formazione di difetti mantenendo la migliore omogeneità di distribuzione dei canali artificiali d’acqua».

Le membrane ottenute dal team di ricerca internazionale si presentano come sottili fogli facilmente realizzabili su larga scala e sono state testate e applicate per la dissalazione dell’acqua di mare in condizioni rappresentative dei sistemi in scala reale.

Il risultato del trasporto biomimetico rapido dell’acqua attraverso le AWC potrebbe avere grandi vantaggi e importanti applicazioni pratiche come la desalinizzazione avanzata o la produzione di acqua ultrapura per utilizzarla nell’industria biomedica o elettronica o nella purificazione in una sola fase di soluzioni altamente diluite. Barboiu  è convinto che «I risultati attuali sono correlati a sfide importanti nel tradurre le proprietà di trasporto molecolare in membrane performanti su scala metrica, quindi i moduli di filtrazione necessari per una desalinizzazione efficace. Abbiamo postulato che una delle strategie creative per affrontare tali sfide scale-up e ottenere prestazioni migliori, in termini sia di permeabilità che di selettività, è quella di combinare la poliammide, nota per la sua scalabilità tramite l’integrazione all’interno di un tipico sistema di lavorazione roll-to-roll, con gli AWC altamente permeabili e selettivi. La sfida chiave nella costruzione di questo materiale ibrido è l’interazione adattativa richiesta tra le catene di poliammide e gli AWC, prevenendo la formazione di difetti».

I ricercatori italiani concludono: «Grazie ad una migliore combinazione di produttività e selettività rispetto alle membrane industriali attualmente in uso, il loro flusso è superiore del 75% e richiedono circa il 12% di energia in meno per effettuare la dissalazione; inoltre una serie di esperimenti per testare la resilienza di questo materiale, ha dimostrato la sua robustezza anche rispetto a significative sollecitazioni meccaniche e chimiche, confermando la perfetta incorporazione dei canali d’acqua artificiali nelle membrane poliammidiche».