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Filtrazione dell'acqua a basso consumo energetico
La maggior parte delle tecnologie di filtrazione dell'acqua richiede molta energia per spingere l'acqua attraverso le membrane che alla fine si sporcano e devono essere sostituite. Entrambi i fattori rendono costosa la filtrazione dell'acqua per la maggior parte delle applicazioni.
Ciclo di rotazione: Il depuratore d'acqua mostrato sopra separa i contaminanti usando la forza centrifuga.
Ora i ricercatori del Palo Alto Research Center (PARC) sono stati in grado di superare queste sfide incorporando approfondimenti scientifici dalla fisica dei movimenti delle particelle di toner in un dispositivo di filtrazione dell'acqua a bassa energia che non utilizza membrane.
Questa è una buona notizia per lo spettro incombente del filtraggio dell'acqua potabile salmastra che minaccia gran parte del mondo in via di sviluppo e persino alcune aree con problemi idrici nei paesi sviluppati. In passato, tuttavia, l'economia è stata l'ostacolo per la creazione di sistemi di trattamento dell'acqua a prezzi accessibili. Le Nazioni Unite stimano che nei prossimi otto anni circa 900 milioni di persone avranno bisogno di un approvvigionamento sicuro di acqua potabile.
I ricercatori del PARC chiamano il loro dispositivo il concentratore a spirale. È un pezzo di tubo di plastica a forma di spirale, lungo 50 centimetri e con un diametro di un millimetro. Quando l'acqua viene pompata attraverso un'estremità del dispositivo, le particelle nell'acqua vengono premute contro le pareti del tubo. Le particelle di dimensioni fino a un micron vengono separate dalla forza centrifuga e deviate dall'acqua pulita tramite forcelle divergenti nel concentratore a spirale.
Il vantaggio di questo approccio è che non richiede tanta energia quanta ne richiederebbe per spingere l'acqua contaminata attraverso una membrana. Tali membrane sono tipicamente costruite in resina e hanno molti piccoli fori perforati, di dimensioni variabili da pochi micrometri a pochi nanometri.
L'innovazione del PARC è scaturita da un precedente progetto di ricerca a contratto con l'esercito degli Stati Uniti. L'obiettivo era progettare un dispositivo per concentrare i rischi biologici come l'antrace concentrando poche parti per litro di contaminanti in modo che un sensore potesse rilevarne la presenza.
I ricercatori del PARC hanno molta esperienza nello studio della fisica delle particelle. Il toner nelle fotocopiatrici è costituito da particelle in miniatura caricate di elettroni. Comprendere la fisica di come queste particelle cariche si muovono sia nell'aria che nel liquido è stata un'area chiave della ricerca PARC. Le lezioni apprese dai ricercatori sul toner per particelle sono state utilizzate per il sistema di rilevamento dell'agente biologico del PARC e per il depuratore d'acqua.
Il depuratore richiede una portata d'acqua costante in modo che i movimenti delle particelle si conformino ai modelli previsti. Quel flusso d'acqua può essere ottenuto con una pompa a bassa potenza che può essere azionata da un pannello di celle solari.
Tuttavia, poiché il concentratore di spin può separare particelle di dimensioni non inferiori a un micron, non può rimuovere i batteri. Scott Elrod, direttore del laboratorio di sistemi hardware al PARC, afferma che le particelle più piccole potrebbero essere separate aggiungendo allume all'acqua filtrata. L'allume viene utilizzato negli impianti di trattamento delle acque per legare chimicamente le particelle piccole a quelle più grandi, che possono quindi essere separate per gravità. Nel caso del concentratore di spin, la forza centrifuga fornirà la potenza per rimuovere quelle particelle congelate.
Elrod afferma che nei prossimi due mesi i ricercatori prevedono di ridimensionare il dispositivo in una pila parallela di concentratori di spin abbastanza piccoli da essere venduti commercialmente. Hanno anche in programma di testare il sistema con volumi d'acqua maggiori, per raggiungere il volume massimo di 100 litri al minuto di velocità di filtrazione. I ricercatori hanno già eseguito i calcoli su carta indicando che lo schema parallelo e il volume dell'acqua dovrebbero essere in grado di essere gestiti.