In molte parti del mondo le acque sotterranee sono inquinate dall’arsenico presente in natura. Il ferro viene utilizzato per filtrare questa sostanza nociva dall’acqua. I ricercatori dell’Eawag hanno ora reso visibile il processo per la prima volta in un nuovo dispositivo sperimentale.
Quando il metallo ferroso si corrode, cioè arrugginisce, si formano ossidi di ferro che possono legare fortemente inquinanti come l’arsenico. Filtri per l’acqua semplici e poco costosi basati su questo principio sono stati sviluppati per consentire alle persone nelle regioni colpite dell’Africa e dell’Asia di trattare da sole l’acqua potabile inquinata da arsenico. Si utilizzano polvere di ferro, trucioli di ferro e chiodi di ferro, spesso in combinazione con la sabbia. Negli ultimi anni sono state condotte numerose ricerche sull’efficacia di questo metodo di filtraggio, anche presso l’Eawag, ad esempio in Bangladesh. "Tuttavia, le ricerche condotte finora presentano uno svantaggio", afferma Andreas Voegelin, responsabile del gruppo di geochimica ambientale molecolare del dipartimento Risorse idriche e acqua potabile dell’Eawag (W+T). "Le reazioni tra ferro e arsenico vengono studiate soprattutto in sospensioni in cui il materiale filtrante galleggia nell’acqua. Ma i risultati non mostrano i processi che avvengono nello spazio dei pori, cioè negli spazi vuoti tra le particelle solide di un filtro". I ricercatori del W+T erano particolarmente interessati a capire come la rimozione dell’arsenico sia influenzata dal funzionamento periodico di un filtro per l’acqua, cioè quando il flusso d’acqua si alterna all’accumulo di acqua.
Questa è la domanda che i gruppi di lavoro di Andreas Voegelin, Joaquin Jimenez-Martinez, Stephan Hug e Michael Berg vogliono indagare in un esperimento congiunto che unisce tutte le rispettive competenze. L’ingegnere ambientale Jonas Wielinski, che ha conseguito il dottorato presso l’Eawag, ha raccolto la sfida e ha sviluppato un dispositivo sperimentale che riproduce e visualizza al meglio le condizioni di un filtro all’arsenico. "Il nostro obiettivo era osservare e comprendere i processi geochimici nello spazio poroso tra le particelle di ferro e i grani di sabbia su scala micrometrica", spiega Wielinski, che ora sta conducendo la sua ricerca alla Carnegie Mellon University negli Stati Uniti come post-doc.
Nel laboratorio di microfluidica di J. Jimenez-Martinez, J. Wielinski ha esaminato al microscopio ottico un filtro all’arsenico in miniatura: un canale profondo 250 micrometri e lungo 45 millimetri, riempito alternativamente con strisce di grani di sabbia di quarzo e strisce di grani di ferro. I ricercatori hanno aggiunto arsenico e altri elementi all’acqua utilizzata per il modello di filtro in concentrazioni tipiche delle acque sotterranee del Bangladesh. La pompa collegata al filtro ha fatto circolare l’acqua nel sistema per dodici ore, seguite da una pausa di dodici ore durante la quale l’acqua ha riposato nel filtro. Durante le diverse settimane di esperimento, Wielinski ha testato regolarmente l’acqua filtrata per verificare la rimozione dell’arsenico. Ogni 30 minuti ha scattato automaticamente una foto del modello di filtro con il microscopio ottico. Queste immagini, mostrate in time-lapse, mostrano in dettaglio come il metallo ferroso si corrode e come gli ossidi di ferro appena formati cambiano colore ciclicamente - da nero-verde a rosso-arancio e marrone quando l’acqua scorre, e viceversa quando non c’è flusso d’acqua. Questi cambiamenti di colore sono la conseguenza dei processi di corrosione in cui vari ossidi di ferro vengono prodotti e trasformati in modo ciclico.
Al termine dell’esperimento, il modello di filtro è stato analizzato mediante microscopia a raggi X per determinare il tipo e la distribuzione degli ossidi di ferro e dell’arsenico ad essi legato. Combinando questi risultati con i cambiamenti di colore osservati al microscopio ottico, i ricercatori sono riusciti a comprendere in dettaglio la formazione e la trasformazione dinamica degli ossidi di ferro nel filtro e il loro effetto sulla rimozione dell’arsenico.
"Con questa nuova configurazione sperimentale, siamo stati in grado di mostrare visivamente come la distribuzione dei grani di ferro e di sabbia di quarzo e il flusso dell’acqua attraverso il filtro influenzino l’andamento spaziale e temporale della rimozione dell’arsenico", spiega Wielinski. In questo caso, l’alternanza tra flusso e accumulo d’acqua ha un effetto positivo sulle prestazioni del filtro. Si tratta di un risultato utile per l’ulteriore ottimizzazione di tali filtri", osserva, e aggiunge: "La configurazione sviluppata in questo studio ha anche un grande potenziale per la ricerca su altri processi biogeochimici nei mezzi porosi, come negli acquiferi o nei suoli".
Wielinski, J.; Jimenez-Martinez, J.; Göttlicher, J.; Steininger, R.; Mangold, S.; Hug, S. J.; Berg, M.; Voegelin, A. (2022) Spatiotemporal mineral phase evolution and arsenic retention in microfluidic models of zerovalent iron-based water treatment (Evoluzione spaziotemporale della fase minerale e ritenzione dell’arsenico in modelli microfluidici di trattamento delle acque a base di ferro zerovalente), Environmental Science and Technology, 56(19), 13696-13708 , doi: 10.1021/acs.est.2c02189 , Repository Istituzionale
