Report mineralizzazione acqua distillata da processo di depurazione

Ing. Giammarco Nalin - Materials engineering and Nanotechnologygiammarco.nalin@mail.polimi.it+39 3490935941

http://www.unwater.org/campaigns/world-water-day/en/

http://www.unwater.org/water-cooperation-2013

IL PROBLEMA

REFERENCE

http://www.who.int/water_sanitation_health/publications/dwq_guidelines/en/

Rig Veda datato tra il 1500 e il 1200 A.C. l'acqua deve essere

Sheetham (cold to touch)Sushihi (clean)Sivam (nutritive value, requisite minerals and trace elements)Istham (transparent)Vimalam lahu Shadgunam (its acid base balance should be within normal limits)

Parametri odierni

- concentrazione totale di solidi (TDS in ppm),- pH- conducibilità (uS/cm)

Onorganici tossici (ioni, composti radioattivi)

Organici tossici (pesticidi, produzione chimica)

Inquinanti biologici (batteri, virus e protozoi)

Pericolosità: DOSAGGIO, ESPOSIZONE, POPOLAZIONE

TIPI INQUINANTI

TIPI ACQUA TDS (ppm = mg/l)

Distillata due volte (DDW) – Milli-Q, Distillata (DW)

TDS = 1-50

demineralizzata/deionizzata (“softened”) (DM)

TDS = 100

Minerale (MW) 500 < TDS < 2000

Salmastra TDS > 10000

Salata TDS = 34000-41000

Acqua distillata (DM) non ingeribile!

- 20% minzione in più- no equilibrio omeostatico- riduzione sali in cibi- induce corrosione → metalli pesanti

→ RIMINERALIZZAZIONE PROCESSO FORZATO

TIPI ACQUE

Essenziali per la vitaCa, Na, K, Cl, Mg, Fe, Zn, Cu, Cr, I, Co, Mo

Importanti a livelli nutrizionaleF, B, Mn, Ni, Si

TossiciPb, Cd, Hg, As, Al, Li, Sn, U, Va e Sb

ImprescindibiliCa (40-80 mg/l), Na (40-80 mg/l), Mg (20-30 mg/l)

INORGANICI

PATOGENI

90% DERIVATI DA FECI ESCARTI UMANI ED ANIMALI

- IGIENE PARAMETROFONDAMENTALE

- COTROLLO POSIZIONELATRINE (min 30 m)E TUBAZIONI

- STOCCAGGIO ACQUACRITICO

Substance Formula Health based guideline by the WHO

Alachlor C14  H20  Cl N O2 20 μg/l

Aldicarb C7  H14  N2  O4  S 10 μg/l

Aldrin and dieldrin C12  H8  Cl6/

C12  H8  Cl6  O

0.03 μg/l

Atrazine C8  H14  Cl N5 2 μg/l

Bentazone C10  H12  N2  O3  S 30 μg/l

Carbofuran C12  H15  N O3 5 μg/l

Chlordane C10  H6  Cl8 0.2 μg/l

Chlorotoluron C10  H13  Cl N2  O 30 μg/l

DDT C14  H9  Cl5 2 μg/l

1,2-Dibromo-3-chloropropane

C3  H5  Br2  Cl 1 μg/l

PESTICIDI

50 + non elencati

Pablo-Ernesto-Piovano, Fracan, Provincia di Misiones (Argentina).

“ Nella Provincia di Misiones cinque bambini su mille nati sono affetti da meningocele, una malformazione grave del sistema nervoso centrale per cui i bambini presentano una incompleta chiusura delle vertebre, incontinenza urinaria e fecale e problemi agli arti inferiori. “

Media mondiale 0.6-2.5 per 1000 nascite

Problema estremamente importante per salute e per stabilità a lungo termine delle comunità esposte.

EFFETTI PESTICIDI

http://www.neurochirurgia-udine.it/malattie/malattie.php?id=125#bif2

TIPICO WORKFLOWINDUSTRIALE

http://www.lenntech.com/processes/desalination/general/desalination-key-issue.htm

Possibili punti d'intervento criticidel processo

Ultrafiltrazione

RO con stampa 3D

Remineralizzazione

Stoccaggio

Distribuzione in affiancamentoa soluzioni esistenti

Il processo più diffuso produzione di DM e MW 2000 l/gg

Altamente scalabileDifficoltà/impossibilità di autoproduzione impiantoEnergia per il funzionamento(potenza di punta sopra i 15kW)

RO - membrane

TIPICO WORKFLOWPER PICCOLI VOLUMI

a: Prefiltrationb: Addition of chemicals (pH, floculazione, softening)c: Natural filtration (infiltrazioni in sabbia fine)d: Disinfection (ozono, ipoclorito di sodio)e: Fine filtration (C attivo, sabbia)f: Preservation and storage (Cl2)

Tipico processo bassato sulla filtrazione: non sufficiente per acqua inquinata! Serve almeno ultrafiltrazione (nano).

Spunti per lavoro su filtrazione

http://www.lenntech.com/applications/drinking/purification/drinking-water-preparation.htm

Remin.Process

Description Final Minerals conc.

1 Blend with 1% volume clarified seawater + pH neutralization 15 mg/L Mg + 5 mg/L Ca+ 125 mg/L Na + 220 mg/L Cl + 25mg/L SO4pH 7-7,5

2 CO2  addition + Calcite Limestone (CaCO3, MgO) percolation + Na2CO3 80 mg/L CaCO3pH 7-7,5

3 CO2  addition + Dolomite Limestone (CaCO3, MgCO3) percolation + Na2CO3

80 mg/L CaCO3 + MgCO3pH 7-7,5

4 Addition of CaCl2  + NaHCO3 100 mg/L CaCO3100 mg/L Na + 50 mg/L ClpH 7-7,5

REMINERALIZZAZIONE

Esempio di soluzione molto semplice e sostenibile di problemi complessi

DISINFEZIONE

Filtrazione → virus e batteri hanno bisogno di fase solida per crescere il più piccolo batterio conosciuto d = 0,12 – 0,2 um

Derivati del Cl → da evitare il più possibile per non produzione in loco

Gorgogliamento 03 ozono → possibilità di crearlo da scariche elettriche ma alta energia

Utilizzo UV → abbondanza, ma dipendenza da solare e soglia minima 5mJ/cm2 LED per vicino UV?

RIMOZIONE ORGANICI

Filtrazione → può rimuovere alcuni inquinanti organici

Bollitura → separa forzatamente soluto dal solvente non funziona con molecole troppo piccolo e pressione parziale minore

Chimici specifici → reazioni specifiche dipendenti dalle sostanze in gioco

Utilizzo UV → clivage se molecole fotosensibili

EVAPORATORE SOLARE

EVAPORATORE SOLARE

PRO:CON FILTRAZIONE E STOCCAGGIO (inquinanti organici) E' COMPLETOSCALABILE (next slide)COSTRUIBILE IN LOCOBASSA MANUTENZIONEFACILITA' UTILIZZOPOCA DIPENDENZA DA REALTA' ESTERNE

CONTR:BASSI VOLUMI TRATTATICOSTO D'IMPIANTO PER FAMIGLIA MEDIO-ALTODIPENDENZA DA CONDIZIONI CLIMATICHE (es. monsoni/notte)ALTO IQNUINAMENTO RICHIEDE TECNOLOGIE COMPLEMENTARI

EVAPORATORE SOLARESCALATO

RO - membrane

PRO:PRODOTTO FINALE PERFETTOSCALABILEVOLUMI TRATTATI PROP. GRANDEZZA IMPIANTOINDIPENDENZA ONDIZINI e TIPO INQUINANTI

CONTR:PER COMUNITA' NON FAMIGLIEENERGIA FUNZIONAMENTO (potenza di punta sopra i 15kWNECESSITA DI DISTRIBUZIONE PER MAX EFFICIENZANON COSTRUIBILE IN LOCOALTA MANUTENZIONEALTA COMPLESSITA' UTILIZZOALTA DIPENDENZA DA REALTA' ESTERNE

ALTRE TECNOLOGIE

IONIC EXCHANGE(resine o spugne da inserire in filtri)

MICRO/NANO FILTRATION = ULTRAFILTRATION(membrane, letti porosi, sfruttamento raggi UV → alto potere disinfettante)

ELECTRODIALYSIS REVERSALhttp://www.saltworkstech.com/wp-content/uploads/2015/05/SW_EDR201-RC.pdf(processo a membrane selettive in campo elettrico per migrazione ioni → direttacompetizione con RO)

PROCESSI TERMODINAMICI(impianti per evaporazione in condizioni di supersaturazione per togliere inquinantispecifici. Lavoro su diagrammi di fase e leggi di Raoult)

PRODOTTI COMMERCIALI

LIFESTRAW

Volumi molto piccoli, filtro a consumo (max 18000 litri, efficienza non costante)Basato su nanofiltrazione a pressione (ULTRAFILTRATION MEMBRANE)http://lifestraw.com/

PRODOTTI COMMERCIALI

http://www.watercone.com/product.html

WATERCONE

Incredibilmente semplice ed economico (PC UV resistente)certificato TÜV Rheinland, basato su evaporazione

PRODOTTI COMMERCIALI

http://www.iconlifesaver.eu/lifesaver-products/lifesaver-jerrycan

http://www.iconlifesaver.eu/lifesaver-products/lifesaver-c2

LIFESAVER

Basato su esclusiva nanofiltrazione a 15nmin pressione manuale

PRODOTTI COMMERCIALI

http://www.tataswach.com/

TATA SWACH

Diversi modelli, da RO con UV a NANO FILTRAZIONE + NP Ag + UV

PRODOTTI COMMERCIALI

http://www.slingshotdoc.com/

SLINGHOT - patented

Patent http://www.rexresearch.com/kamen/04159536.pdf

NORWATER-REVERSE-OSMOSIS-CONTAINER

http://www.lenntech.com/applications/emergency-seawater-desalination-units.htm

PRODOTTI COMMERCIALI

Soluzione definitiva, da integrare con progetto di distribuzione

- società- costumi- reali utilizzi

CONTESTUALIZZAZIONE DEL PRODOTTO FUORI DAL LABORATORIO

IL CASO DEL SENEGAL

- Le acque di falda sono ricche naturalmente in NaCl e fluoro (F-)

- Nelle zone rurali operatori privati per produzione, manutenzione, distribuzione

- Scarso accesso a sistemi di trattamento delle acque reflue

- La fluorinzione è sia artificiale che naturale

- Più del 95% degli ioni fluoro F- provengono dal complesso magnesio-fluoro MgF+

- Il controllo sul fluoro viene tuttavia effettuato misurando e abbattendo CaF2

- valori limite 0,5 – 1,0 mg/l (0,5 – 1 TDS) [WHO]

- importante effetto sulla salute denti e ossa in dosi controllate

- possibili effetti negativi se assunzione eccessiva (es. fluorosi dentale/ossea. Quantità limite in discussione*)

Possibile trattamento locale dell'utente finale

*Fluorine-induced apoptosis and lipid peroxidation in human hair follicles in vitro. [Wang ZH., Li XL., Yang ZQ., Xu M.] Molecular mechanisms of fluoride toxicity. [Barbier O., Arreola-Mendoza L., Del Razo LM.] http://www.who.int/water_sanitation_health/publications/fluoride_drinking_water_full.pdf

TECNOLOGIE GENERALIReverse Osmosis (RO)Ion ExchangeEvaporazione e condesazione

TECNOLOGIE SPECIFICHETiO2 e/o Al2O3 per fotocatalisi Nalgonda processBone charcoal filtration (carbone animale)Filtro in polvere d'argilla

Possibili tecnologieper trattamento acque

TECNOLOGIE SPECIFICHEBone charcoal filtration (carbone animale)

- Filtro in impianto o il erogatore- Importato/prodotto da piccoli/medi impianti locali-Spesso insieme a derivati di Ca e P

VANTAGGI: economico, basso livello tecnologico (applicazione), produzione locale, possibile rigenerazione

SVANTAGGI: difficoltà tecnica (produzione/distribuzione), se male trattato abbandono immediato, possibile difficoltà di accettazione dalla comunità

TECNOLOGIE SPECIFICHENalgonda process

- Solfato di alluminio Al3(SO4)3 portato a flocculazione- CaCO3 per aggiustare acidità- Filtrazione del precipitato

VANTAGGI: economico, molto efficiente, scalabile

SVANTAGGI: difficoltà tecnica (procedura), importazione della polvere di solfato, dispersione scarti (creazione fertilizzanti) = no rigenerazione

TECNOLOGIE SPECIFICHETiO2 o Al2O3 assorbimento

- Polevere di Al2O3 specifica- Classica colonna di filtrazione- Rigenerazione con NaOH

VANTAGGI: possibile da pochi anni, molto efficiente, scalabile, rigenerabile

SVANTAGGI: difficoltà tecnica (installazione, manutenzione), importazione della polvere, non adatto per grandi volumi

TECNOLOGIE SPECIFICHEFiltro in polvere d'argilla

- Polevere di argilla da scarti di lavorazione- Unione di filtri più grossolani- Classica colonna di filtrazione basata su densità

VANTAGGI: molto economica, semplice, argilla molto diffusa, rigenerabile, stabile nel tempo

SVANTAGGI: lenta, efficienza dipendente dal tipo di materia prima, non adatta per conc. troppo alte di F, pretrattamento argilla (calcinazione), no grandi volumi

Thank you!

Grazie per l'attenzione!