Un mare di acqua pura

Titolo della ricerca

DESAL- Computational Design of Nanoporous Materials for Water Desalination Mambranes 

Area scientifica

Studio di membrane, Simulazioni, Ossido di grafene

Coordinatore

Giancarlo Cicero

Abstract 

In questo progetto vengono studiate membrane porose ultra sottili per la desalinizzazione delle acque. In particolare, si utilizzano metodi computazionali per ottimizzare membrane a base di ossido di grafene ridotto, proposto come materiale nanoporoso alternativo e a basso costo per la filtrazione dell’acqua.

Descrizione del progetto di ricerca 

Le membrane studiate nell’ambito di questo progetto impiegano ossido di grafene ridotto (rGO) e funzionano come dei filtri molecolari. Esse sono in grado di separare le molecole di acqua dai sali in essa disciolti qualora impiegate in regime di osmosi inversa. Il loro funzionamento è relativamente semplice: una soluzione salina viene spinta da una pressione esterna attraverso la membrana porosa e, se i pori sono sufficientemente piccoli (cioè hanno diametri dell’ordine di pochi Angstrom), solo le molecole di acqua sono in grado di attraversarla. Al termine del processo l’acqua che si raccoglie a valle della membrana è acqua pura, formata dalle sole molecole di acqua, priva di sali o di altre impurità eventualmente presenti nella soluzione di partenza.

La riduzione di ossido di grafene (GO) è un processo molto complesso. In particolare, rispetto all’impiego di questo materiale in applicazioni di desalinizzazione delle acque, è importante capire quali siano le condizioni di riduzione che conducono alla produzione di nanopori in grado di separare le molecole di acqua in modo selettivo ed efficiente. Quale è l’ambiente riducente più adatto per la formazione di nanopori di dimensioni controllate? Quale è la dimensione dei pori che massimizza l’efficienza di desalinizzazione? Quali sono le configurazioni iniziali del GO che facilitano la formazione di nanopori della dimensione desiderata?

Impatto sulla società

Al giorno d’oggi, l’acqua desalinizzata costa più di dieci volte l’acqua potabile ottenuta da riserve naturali di acqua dolce. L’energia richiesta e il costo operativo degli impianti di desalinizzazione dell’acqua per osmosi inversa dipendono direttamente dalle proprietà del materiale utilizzato nella realizzazione delle membrane e sono largamente determinati dalla permeabilità dell’acqua attraverso le membrane stesse. Il risparmio nei costi di produzione di acqua pura possibile grazie all’impiego di membrane ad elevata permeabilità, quali quelle studiate durante lo sviluppo di questo progetto, è fondamentale non solo per le industrie italiane ma anche per i paesi con scarse risorse idriche che hanno sbocchi sul mare. In effetti, l’acqua di mare desalinizzata può essere utilizzata sia per impieghi domestici (come acqua potabile) che per impieghi industriali (ad esempio in agricoltura).

Risultati della ricerca

In questo progetto di ricerca sono stati impiegati diversi metodi di simulazione per comprendere appunto quali siano le condizioni di processo ottimali per produrre rGO a porosità controllata partendo da GO. Quest’ultimo è un materiale a basso costo e facilmente reperibile. Qualora opportunamente forato, Il grafene permette di realizzare membrane estremamente sottili, caratterizzate da una elevata permeabilità dell’acqua, che rendono il processo di desalinizzazione efficiente ed economicamente più conveniente rispetto alle membrane attualmente impiegate negli impianti di desalinizzazione.

In particolare:

  • Protocollo per realizzare membrane a singolo strato di grafene poroso
  • Nuova collaborazione con ENI
  • Collaborazioni con MIT- Massachusetts Institute of Technology e Imperial College
  • 3 nuove posizioni post-doc presso il Politecnico di Torino

Gruppo di lavoro 

Al Politecnico di Torino:

Francesca Risplendi, Marco Laurenti, Federico Raffone

  • Budget: 148.675
  • Data inizio: 15/12/2015
  • Data fine: 14/12/2017