Scoperta 3D nella Nanotecnologia Offre Acqua Pulita Purificata dalla Luce Solare

Tutti avere accesso a acqua potabile sicura e pulita è una delle principali sfide che il mondo affronta oggi.

Circa la metà della popolazione mondiale, secondo il Rapporto sullo Sviluppo delle Risorse Idriche dell’ONU del 2024, sperimenta una grave scarsità d’acqua per almeno una parte dell’anno. I deficit idrici sono stati collegati a un aumento del 10% dei flussi migratori globali.

Bassi livelli di trattamento delle acque reflue causano scarsa qualità dell’acqua nei paesi a basso reddito, mentre il deflusso agricolo è un grosso problema nei paesi ad alto reddito.

Nel frattempo, la domanda di acqua potabile pulita continua a crescere con l’aumento della popolazione mondiale. La rapida crescita demografica, l’urbanizzazione e l’aumento delle esigenze idriche dei settori energetico, agricolo e industriale contribuiscono all’incremento della domanda di acqua.

Tuttavia, i dati suggeriscono che miliardi di persone non avranno accesso ad acqua sicura, servizi igienico-sanitari e igiene entro il 2030. Nel 2022, 703 milioni di persone non avevano un servizio idrico di base, mentre un numero molto più elevato, 2,2 miliardi, mancava di acqua potabile gestita in modo sicuro.

In questo contesto, la disponibilità di acqua sta diventando meno prevedibile, mentre la scarsità d’acqua dovrebbe aumentare con l’innalzamento delle temperature globali dovuto al cambiamento climatico. Le risorse idriche sono anche a rischio di inquinamento e malattie trasmesse dall’acqua.

La Sfida delle Acque Reflue Non Trattate

La stragrande maggioranza dei rifiuti industriali, secondo le Nazioni Unite, viene smaltita nei paesi in via di sviluppo senza essere completamente trattata.

Meanwhile, only a small fraction of the world’s wastewater is adequately treated. According to the UN, the proposition of total wastewater receiving some level of treatment could only be calculated for 73 countries (42% of the world’s population), out og 107 countries (73% of the global population) that reported wastewater statistics for 2022.

Il reporting sul trattamento delle acque reflue industriali è estremamente limitato, con dati riportati solo da 22 paesi (8% della popolazione mondiale), dove appena il 38% delle acque reflue industriali è stato segnalato come trattato. Inoltre, solo il 27% delle acque reflue è stato trattato in modo sicuro.

Per quanto riguarda le acque reflue domestiche (familiari), il 42% non è stato trattato in modo sicuro. La ragione principale è stata la mancanza di un sistema adeguato per la raccolta delle acque grigie e nere.

Le acque reflue sono l’acqua generata dopo l’uso domestico, industriale e commerciale di acqua grezza, acqua dolce o acqua potabile. Contiene varie sostanze che possono essere dannose per gli ecosistemi e la salute umana.

Sostanze come metalli pesanti, inquinanti organici e inorganici, patogeni e scarichi industriali, tra gli altri, introdotte nell’acqua non si decompongono naturalmente, il che significa che persistono nell’ambiente.

Poi ci sono contaminanti emergenti, tra cui detergenti, sostanze chimiche industriali, prodotti farmaceutici, cianotossine, ormoni, sostanze perfluoroalchiliche (PFAS) e nanomateriali, che stanno creando scompiglio.

L’innovazione tecnologica può fornire opzioni di trattamento ad alte prestazioni e a basso costo per garantire acqua pulita e a buon mercato per tutti.

Alcune di queste innovazioni nella purificazione dell’acqua includono tecnologie di membrana avanzate come l’osmosi inversa (RO), l’ultrafiltrazione (UF) e la distillazione a membrana a contatto diretto (DCMD).

I filtri alimentati a energia solare usano l’energia solare per rendere l’acqua pulita accessibile nelle aree remote. Tecnologie emergenti come l’elettrocoagulazione, le celle a combustibile microbiche e i processi di ossidazione avanzata stanno anche contribuendo a migliorare la qualità dell’acqua.

Un’altra innovazione tecnologica che guida la purificazione dell’acqua è la nanotecnologia, che offre una rimozione efficiente di inquinanti e germi.

Nanotecnologia per un Trattamento Idrico Efficace

I metodi convenzionali di disinfezione dell’acqua sono altamente efficaci e, di conseguenza, ampiamente utilizzati, ma hanno i loro svantaggi. Per esempio, nella clorazione esiste il rischio della formazione di prodotti di disinfezione nocivi. La radiazione ultravioletta, nel frattempo, richiede ingenti consumi energetici e ha un’efficacia limitata contro, ad esempio, E. coli resistente alla tetraciclina.

Nel tentativo di migliorare i processi di trattamento dell’acqua, gli scienziati hanno compiuto progressi tecnologici che hanno portato all’uso della nanotecnologia nella purificazione dell’acqua per un consumo sicuro.

La nanotecnologia comporta la manipolazione deliberata della materia a una scala davvero piccola e ha il potenziale di svolgere un ruolo chiave nell’abilitare una gestione integrata dell’acqua per aumentare l’efficacia dei trattamenti e persino espandere le risorse idriche utilizzando fonti d’acqua non convenzionali.

Per aumentare l’accesso ad acqua potabile pulita e sicura, la nanotecnologia tratta acque sotterranee, acque superficiali e acque reflue con nanomateriali innovativi. Alcuni dei progressi nella nanotecnologia utilizzati per il trattamento delle acque reflue includono nanoparticelle magnetiche, nanoparticelle bioattive, nanofiltrazione, nano adsorbenti, nanocatalizzatori, nanopolvere, nano biocidi e nanofibre.

Gli scienziati hanno dimostrato ampiamente l’uso di nanotubi di carbonio e nanocellulosa per la filtrazione dell’acqua. Questi metodi rimuovono metalli pesanti tossici dall’acqua, impediscono l’ingresso di pericoli biologici e chimici nell’acqua e adsorbono contaminanti dai flussi d’acqua. Anche le nanoparticelle d’oro sono state utilizzate per purificare l’acqua da inquinanti come pesticidi e prodotti farmaceutici.

Mentre la nanotecnologia offre soluzioni promettenti per l’acqua potabile pulita, affronta potenziali rischi per la salute e l’ambiente derivanti dai nanomateriali e difficoltà ancora maggiori nella produzione su larga scala e nei costi, da qui l’implementazione limitata.

Ora, i ricercatori dell’Università dello Stato dell’Ohio stanno offrendo un nuovo metodo per purificare l’acqua potabile: coperte nanotech 3D.

Realizzate con nanofibre di diossido di titanio (TiO₂), sfruttano la luce solare per degradare gli inquinanti nocivi nell’acqua e generare energia sostenibile. Non producono sottoprodotti tossici, e il team dispone degli strumenti per scalarle commercialmente.

Un Nuovo Metodo per Purificare l’Acqua Potabile

Nell’ultimo studio, supportato dalla National Science Foundation, i ricercatori hanno creato un nuovo materiale per purificare l’acqua rimuovendo inquinanti pericolosi.

Il nuovo materiale è stato sviluppato combinando due metodi — gel di chimica morbida e elettrofilatura a miscela.

Nell’elettrofilatura, un metodo di produzione di fibre, una forza elettrica viene applicata a una soluzione per creare nanofibre. Questo metodo è comunemente usato per preparare nanofibre lunghe e continue. Il team ha sviluppato strisce sottili simili a fibre di diossido di titanio in questo modo.

Il diossido di titanio (TiO₂) è un composto inorganico tipicamente usato in sensori di gas, celle solari, fotocatalisi e tecnologie auto-pulenti.

Mentre il composto è una grande fonte alternativa di energia, i sistemi di carburante solare che utilizzano le sue nanoparticelle sono solitamente limitati in potenza. Ciò perché possono effettuare fotocatalisi solo assorbendo luce ultravioletta (UV) non visibile, risultando in bassa efficienza e richiedendo sistemi di filtrazione complessi che creano sfide nella loro implementazione.

Inoltre, la breve durata degli elettroni e dei buchi fotogenerati nelle nanoparticelle di TiO₂ ostacola il loro utilizzo efficace, mentre la mancanza di una nanostruttura autoportante facilmente recuperabile rimane una sfida.

Vari studi hanno esplorato il suo doping con vari ioni metallici come Ag (Argento), Fe (Ferro), Pd (Palladio), Pt (Platinum), Zn (Zinco), Mn (Manganese), B (Boro) e Zr (Zirconio) per superare queste limitazioni e potenziare le proprietà fotocatalitiche del diossido di titanio.

Ma è stato il rame (Cu) a mostrare potenzialità. L’aggiunta di questo metallo morbido con altissima conduttività termica ed elettrica al materiale ha cambiato le cose. Tuttavia, ciò ha richiesto la riduzione della banda ottica e l’aumento del rapporto superficie/volume della titania dopata con Cu per ottenere l’attività fotocatalitica desiderata, il che ha generato altri problemi.

Quindi, i ricercatori hanno dovuto progettare un sistema che fornisca nanoparticelle di TiO₂ dopate con Cu stabili con un alto rapporto superficie/volume attraverso processi basati su nanofibre.

Clicca qui per scoprire come la desalinizzazione alimentata a energia solare sta risolvendo la scarsità d’acqua.

Uno Strumento per la Bonifica dell’Acqua e la Generazione di Energia

Lo studio, pubblicato sulla rivista Advanced Science¹, ha dettagliato le nuove strutture risultanti, chiamate nano-mat. Questi nano-mat potrebbero assorbire sufficiente energia luminosa per degradare inquinanti pericolosi nell’aria e nell’acqua.

“Non c’è stato un modo semplice per creare qualcosa come una coperta che si può posare sull’acqua e iniziare a generare energia. Ma siamo gli unici ad aver realizzato queste strutture e gli unici a dimostrare che funzionano davvero.”

Ciò che l’aggiunta di rame ha fatto al diossido di titanio è stato potenziare il processo di distruzione degli inquinanti.

In questo processo, quando il TiO₂ assorbe la luce, si formano elettroni, che ossidano l’acqua e attaccano gli inquinanti, i quali vengono distrutti fino a diventare innocui.

Per determinare l’alta efficacia del nuovo materiale, i ricercatori hanno caratterizzato le proprietà aggiornate del nano-mat. Questo li ha aiutati a comprendere come si comportasse e cosa lo rendesse diverso dalle altre nanoparticelle auto-pulenti.

I ricercatori hanno scoperto che, quando esposti alla luce solare naturale, questi nano-mat possono essere più efficaci nella generazione di energia rispetto alle tradizionali celle solari.

“Questi nano-mat possono essere usati come generatore di energia, o come strumenti di bonifica dell’acqua. In entrambi i casi, si ha un catalizzatore con l’efficienza più alta mai riportata.”

– Gouma

Inoltre, questi tappetini in fibra sono leggeri, facili da rimuovere e possono galleggiare e funzionare sopra qualsiasi corpo d’acqua. Sono anche riutilizzabili e possono subire più cicli di pulizia.

Data l’alta efficacia di questi nano-mat, i ricercatori vedono il loro utilizzo nella rimozione di inquinanti industriali dall’acqua nei paesi in via di sviluppo e nella trasformazione di fiumi e laghi contaminati in fonti di acqua potabile pulita.

In più, il fatto che questa tecnologia non generi sottoprodotti tossici rende i nano-mat ecologicamente sostenibili.

“È un materiale sicuro, non danneggerà nulla, ed è pulito al massimo.”

– Gouma

Per quanto riguarda la commercializzazione di questa tecnologia efficiente, per la quale il team dispone degli strumenti adeguati, dipende dal fatto che le industrie la notino.

“Abbiamo gli strumenti per produrle in grandi quantità e trasferirle a varie industrie. L’unica limitazione è che serve qualcuno che sfrutti queste risorse abbondanti.”

– Gouma

Nel complesso, il team crede nel potenziale dei nano-mat. Potrebbero essere usati per fornire acqua potabile pulita negli impianti di trattamento dell’acqua, nelle aree remote e negli interventi di soccorso in caso di catastrofi. A seconda di ulteriori test e della scalabilità, le applicazioni commerciali potrebbero emergere entro 3-5 anni.

Il team crede che questi nano-mat possano anche essere strumenti promettenti in molte future applicazioni fotocatalitiche. Queste includono sforzi di sostenibilità a lungo termine come la produzione di idrogeno alimentata dal sole e la bonifica ambientale.

Per ora, il team sta lavorando su modi per perfezionare il materiale, che è completamente nuovo. Questa nuova forma di nanotecnologia, ha detto Gouma, è “davvero impressionante e qualcosa per cui siamo molto entusiasti.”

Azienda Innovativa

Xylem Inc.  

Un leader globale nella tecnologia dell’acqua, Xylem sviluppa soluzioni innovative per la purificazione e il trattamento dell’acqua, rendendola un candidato forte per l’integrazione di sistemi di purificazione dell’acqua basati su nanotecnologia.

L’azienda offre prodotti per una gamma di applicazioni, tra cui acqua, pompe per acqua, attrezzature di trattamento, pompe, valvole e scambiatori di calore. Fornisce anche strumentazione analitica per il test dell’acqua e soluzioni per l’uso intelligente e la conservazione delle risorse idriche ed energetiche critiche.

Per quanto riguarda il trattamento delle acque reflue, Xylem fornisce un processo biologico chiamato trattamento aerobico, che avviene in presenza di ossigeno e converte gli organici in anidride carbonica e nuova biomassa. Poi c’è il trattamento anaerobico delle acque reflue, che avviene in assenza di ossigeno, dove i microrganismi degradano i rifiuti organici. È solitamente usato per il trattamento di acque reflue industriali calde e ad alta concentrazione con una grande quantità di materia organica biodegradabile.

Xylem offre anche una soluzione digitale di gestione dell’acqua chiamata Water One® che ottimizza il tuo sistema di trattamento dell’acqua per una maggiore efficienza.

I sistemi di disinfezione dell’azienda sono offerti per applicazioni idriche municipali, industriali e ricreative. Includono analizzatori e controller di processo, apparecchiature per la generazione di diossido di cloro, sistemi di alimentazione di gas, sistemi a ozono, sistemi di generazione di ipoclorito, sistemi di disinfezione a raggi ultravioletti e altro.

I suoi sistemi di acqua ad alta purezza, nel frattempo, trattano l’acqua attraverso diversi passaggi per aiutarti a soddisfare gli standard di qualità per applicazioni critiche nei laboratori, nella sanità, nell’industria farmaceutica e dei semiconduttori.

Le soluzioni di filtrazione di Xylem, nel frattempo, coprono tutto, dai filtri a media rigenerabile, filtri a disco, filtri a sabbia, filtri microsabbia ad alta efficienza e filtri a pressione, alle membrane di osmosi inversa, pompe a vite, sistemi UF, microfiltrazione, sistemi di controllo degli odori in fase di vapore e addolcitori d’acqua. Questo offre un’ampia gamma di opzioni per usi ricreativi e industriali, nonché per piscine e trattamenti di acque reflue terziari per i comuni.

Ora, Xylem è un’azienda con una capitalizzazione di mercato di 29,65 miliardi di dollari le cui azioni, al momento della stesura, sono quotate a 122,02 dollari, in rialzo del 5,17% YTD. Ha un EPS (TTM) di 3,65, un rapporto P/E (TTM) di 33,40 e un ROE (TTM) dell’8,55%. L’azienda paga un rendimento da dividendo dell’1,31%.

Per quanto riguarda i dati finanziari dell’azienda, per il Q4 2024, ha registrato un aumento del 7% dei ricavi a 2,3 miliardi di dollari, mentre gli ordini erano 2,2 miliardi di dollari. L’utile per azione del trimestre è stato di 1,34 dollari, in crescita del 22%, e di 1,18 dollari su base rettificata, in aumento del 19%.

“Il team ha consegnato un quarto trimestre solido per chiudere un anno record per Xylem. Tutti i segmenti hanno registrato una forte crescita degli ordini nel Q4, dandoci slancio per il 2025 grazie a una domanda di base resiliente.”

– CEO Matthew Pine

L’utile netto durante il trimestre è stato di 326 milioni di dollari, e l’utile netto rettificato è stato di 287 milioni di dollari. Xylem ha aumentato il dividendo del primo trimestre dell’11% a 0,40 dollari per azione, pagato agli azionisti questo mese.

Per l’intero anno 2024, i ricavi sono stati di 8,6 miliardi di dollari, un aumento del 16%. L’utile per azione è stato di 3,65 dollari, in crescita del 31% e 4,27 dollari su base rettificata, in aumento del 13%.

Per l’intero anno, le previsioni di Xylem prevedono ricavi tra 8,6 e 8,7 miliardi di dollari, e un margine di flusso di cassa libero previsto tra il 9 e il 10 percento.

L’azienda prevede che l’utile per azione per quest’anno sarà compreso tra 4,50 e 4,70 dollari. Secondo Pine:

“Le nostre linee guida per il 2025 riflettono l’impegno del team al nostro quadro a lungo termine mentre continuiamo a consentire ai nostri clienti di affrontare le più grandi sfide idriche del mondo.”

Ultime Notizie su Xylem Inc.

Conclusione

Il mondo sta affrontando una crisi idrica con milioni di persone che non hanno accesso a acqua potabile sicura e servizi igienico-sanitari. Questa scarsità d’acqua è il risultato di una popolazione in crescita, inquinamento, sfruttamento eccessivo e cambiamento climatico. La situazione è destinata a peggiorare nei prossimi anni, creando la necessità di soluzioni più economiche ed efficienti per affrontare il problema.

Il trattamento delle acque reflue è una di queste strategie cruciali che può aiutare a mitigare la carenza d’acqua migliorando la qualità dell’acqua, aumentando l’accesso all’acqua, riducendo la dipendenza dalle fonti di acqua dolce e rendendo l’acqua una risorsa più sostenibile.

La nanotecnologia ha a lungo promesso di rivoluzionare la purificazione dell’acqua, ma non ha ancora ottenuto un’adozione diffusa. Pertanto, lo sviluppo delle coperte nanotech 3D rappresenta una svolta significativa. Queste coperte utilizzano la luce solare per rimuovere gli inquinanti generando energia sostenibile.

La natura leggera e riutilizzabile di questi nano-mat, combinata con l’assenza di sottoprodotti tossici, li rende un’alternativa ecologica ai metodi di filtrazione convenzionali. Man mano che le industrie li notano, questa nuova tecnologia potrebbe ridefinire il nostro approccio al trattamento dell’acqua a livello globale. Una commercializzazione di successo, nel frattempo, soddisferà le esigenze di acqua potabile pulita e sicura di centinaia di milioni di persone in tutto il mondo!

Clicca qui per un elenco delle principali azioni di nanotecnologia.