Plasma contro le sostanze chimiche PFAS tossiche

L'atmosfera plasmatica è chiaramente visibile nel reattore attraverso il bagliore caratteristico e le scariche di fulmini. © Fraunhofer IGB / The plasma atmosphere is clearly visible in the reactor through the characteristic glow and flashes of light. © Fraunhofer IGB

Reattore al plasma: creando un plasma applicando una tensione all'elettrodo di rame. L'acqua contaminata viene pompata verso l'alto e scorre di nuovo verso il basso attraverso uno spazio nella zona di scarica del plasma, attaccando i PFAS nel processo. © Fraunhofer IGB

Reattore a plasma: La plasma viene creata applicando una tensione all'elettrodo di rame. L'acqua contaminata viene pompata verso l'alto e scorre di nuovo verso il basso attraverso un'intercapedine nella zona di scarica plasma, attaccando i PFAS nel processo. © Fraunhofer IGB

Impianto di prova per l'eliminazione di PFAS. Dopo i primi successi delle prove, la tecnologia deve essere ora ottimizzata e scalata per applicazioni pratiche su scala industriale. © Fraunhofer IGB / Impianto pilota per l'eliminazione di PFAS. Dopo il successo iniziale delle prove, la tecnologia deve essere ora ottimizzata e scalata per applicazioni pratiche su scala industriale. © Fraunhofer IGB

Le sostanze chimiche dannose per la salute PFAS sono ormai rintracciabili in molti terreni e corpi idrici. La loro eliminazione con tecniche di filtrazione convenzionali è molto complessa e difficile da realizzare. Ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per le Tecnologie delle Interfacce e dei Processi Biologici IGB stanno utilizzando con successo una tecnologia basata sul plasma nel progetto congiunto AtWaPlas. L'acqua contaminata viene immessa in un cilindro combinato di vetro e acciaio inossidabile e trattata con il gas ionizzato – il plasma. Questo riduce le catene molecolari di PFAS e permette così un'eliminazione economica della sostanza tossica.

I composti perfluorurati e polifluorurati, brevemente: PFAS (inglese: per- and polyfluoroalkyl substances), possiedono molte qualità. Sono termicamente e chimicamente stabili, e allo stesso tempo idro-, lipidi- e repellenti allo sporco. Di conseguenza si trovano in molte applicazioni quotidiane: le scatole per pizza sono rivestite con questo materiale o anche la carta da forno, così come shampoo e creme. Nell'industria, i PFAS vengono utilizzati come agenti antincendio e di rete. Nell'agricoltura, sono impiegati nei pesticidi. Ormai si possono rintracciare tracce di PFAS anche nei luoghi inappropriati: nel suolo, nei corsi d'acqua e nelle acque sotterranee, negli alimenti e nell'acqua potabile. In questo modo, le sostanze dannose finiscono anche nel corpo umano. A causa della loro stabilità chimica, la loro eliminazione, nota come chimica dell'eternità, è finora difficile e poco praticabile con metodi convenzionali.

Il progetto congiunto AtWaPlas mira a cambiare questa situazione. L'acronimo sta per trattamento con plasma atmosferico-acqua. Il progetto innovativo è attualmente in corso presso l'Istituto Fraunhofer per le Tecnologie delle Interfacce e dei Processi Biologici IGB a Stoccarda, in collaborazione con il partner industriale HYDR.O. Geologi e ingegneri di Aquisgrana stanno portando avanti il progetto. L'obiettivo è il trattamento e il recupero di acque contaminate da PFAS mediante tecnologia al plasma.

Il team di ricercatori guidato dal Dr. Georg Umlauf, esperto di superfici funzionali e materiali, sfrutta la capacità del plasma di attaccare le catene molecolari delle sostanze. Il gas conduttore elettrico viene generato da elettroni e ioni mediante applicazione di alta tensione. «Nei nostri esperimenti con il plasma, siamo riusciti a accorciare le catene molecolari di PFAS nell'acqua. Questo rappresenta un passo importante verso un'eliminazione efficiente di questi inquinanti ostinati», afferma Umlauf.

Ciclo dell'acqua nel cilindro in acciaio inossidabile

Per il procedimento, i ricercatori Fraunhofer utilizzano una struttura a forma di cilindro. All'interno si trova un tubo in acciaio inossidabile che funge da elettrodo di massa del circuito elettrico. Una rete di rame esterna funge da elettrodo ad alta tensione ed è schermata verso l’interno da un dielettrico di vetro. Tra i due rimane uno spaziotempo molto piccolo, riempito con una miscela di aria. Applicando diverse chilovolt di tensione, questa miscela di aria si trasforma in plasma. Per l'occhio umano, è visibile grazie al caratteristico bagliore e ai lampi di scarica.

Nel processo di pulizia, l'acqua contaminata da PFAS viene immessa sul fondo del serbatoio in acciaio e pompata verso l'alto. Nello spazio tra gli elettrodi, scorre verso il basso attraversando l’atmosfera di plasma attivo elettricamente. Durante lo scarico, il plasma rompe le catene molecolari di PFAS e le accorcia. L'acqua viene ricircolata continuamente attraverso il reattore più resistente e la zona di scarica del plasma nello spaziotempo, riducendo ulteriormente le molecole di PFAS fino alla mineralizzazione completa. «Idealmente, le sostanze dannose PFAS vengono eliminate completamente, in modo che non siano più rilevabili con analisi di spettrometria di massa. In questo modo, si rispettano anche le severe normative sulla qualità dell'acqua potabile riguardo alla concentrazione di PFAS», afferma Umlauf.

Rispetto ai metodi tradizionali come la filtrazione con carbone attivo, la tecnologia sviluppata presso l'Istituto Fraunhofer presenta un vantaggio decisivo: «I filtri a carbone attivo possono legare le sostanze dannose, ma non eliminarle. Pertanto, devono essere sostituiti e smaltiti regolarmente. La tecnologia AtWaPlas, invece, può eliminare le sostanze dannose senza residui, lavorando in modo molto efficiente e con poca manutenzione», spiega l’esperto Fraunhofer Umlauf.

Campioni d'acqua reali invece di campioni sintetici di laboratorio

Per garantire un’efficacia reale, i ricercatori Fraunhofer testano la pulizia con plasma in condizioni di difficoltà. I metodi di prova convenzionali utilizzano acqua perfettamente pulita e soluzioni di PFAS preparate sinteticamente in laboratorio. Tuttavia, il team di ricerca di Stoccarda utilizza campioni di acqua «reali», provenienti da zone contaminate da PFAS. I campioni vengono forniti dal partner del progetto HYDR.O. Geologi e ingegneri GbR di Aquisgrana. L’azienda è specializzata nel risanamento di siti contaminati e conduce anche simulazioni idrodinamiche.

Le vere acque campione con cui lavora Umlauf e il suo team contengono, oltre a PFAS, anche altre particelle, sospensioni e sostanze organiche. «In questo modo, garantiamo che AtWaPlas dimostri la sua efficacia di pulizia non solo con campioni di laboratorio sintetici, ma anche in condizioni reali con variazioni nella qualità dell’acqua. Allo stesso tempo, possiamo regolare e migliorare continuamente i parametri del processo», spiega Umlauf.

Il metodo al plasma può essere anche utilizzato per la decomposizione di altre sostanze nocive. Tra queste ci sono residui di farmaci nelle acque reflue, pesticidi e erbicidi, ma anche sostanze chimiche industriali come il cianuro. Inoltre, AtWaPlas può essere impiegato per il trattamento sostenibile ed economico dell’acqua potabile in applicazioni mobili.

Il progetto congiunto AtWaPlas è iniziato nel luglio 2021. Dopo le prove di successo in scala di laboratorio con un reattore da 5 litri, il team Fraunhofer sta collaborando con il partner per ottimizzare ulteriormente il procedimento. Georg Umlauf afferma: «Il nostro obiettivo ora è eliminare completamente le PFAS tossiche attraverso tempi di processo più lunghi e più cicli nel serbatoio, rendendo la tecnologia AtWaPlas disponibile anche per applicazioni pratiche su larga scala». In futuro, gli impianti corrispondenti potrebbero essere installati come stadi di trattamento autonomi negli impianti di depurazione o in contenitori trasportabili per l’uso in aree contaminate all’aperto.