Sterilizzazione Acque Primarie mediante Plasma

La sterilizzazione di acque primarie è una importantissima applicazione sempre più richiesta dall’utenza industriale e dalle piccole comunità. Hoene ha studiato sistemi di trattamento a basso impatto ambientale ed a basso costo basati sull’utilizzo di moduli di ossidazione avanzata (AOPs) mediante Plasma in grado di eliminare forme micro biologiche (virus, batteri ..spore etc) in alternativa alle tecniche tradizionali presenti sul mercato (clorazione, ozonizzazione e la filtrazione a membrana).

Azione sinergica di più processi (pirolisi, elettroni, Ozono, UV , radicali ..)	Piccoli moduli con consumi energetici minimi (anche per aree rurali)
Assenza di sotto prodotti tossici	Nessun dosaggio di chemicals ed eluati da smaltire

STERILIZZARE ACQUA CON PLASMA

La tecnologia di sterilizzazione di acque mediante Plasma è un metodo economicamente efficace ed ecocompatibile in grado di realizzare la distruzione di microrganismi nell’acqua contaminata e renderla disponibile per il consumo o, nel caso di acque reflue, riutilizzabile in forma declassata (acqua industriale, irrigazione agricola).

La disinfezione delle acque viene condotta all’interno di un reattore di piccole dimensioni alimentato in continuo dove l’acqua viene trattata mediante scarica diretta ad alto voltaggio tra due elettrodi configurati opportunamente ovvero con Plasma. Il processo consiste nella generazione contestuale di un elevato campo elettrico, radiazioni ultraviolette (UV), onde d’urto (shock waves), ozono, H₂O₂, specie attive di breve durata (OH, H, O, O₂, HO₂, O₂ ^–) oltre a numerose altre particelle ionizzate che, tutte insieme, risultano molto efficaci nel processo di disinfezione di acque.

L’utilizzo di sorgenti Plasma per sanificare acque primarie non prevede il dosaggio di alcun chemical e non produce sottoprodotti potenzialmente dannosi per la salute cosicché, visti anche i consumi energetici limitati e le dimensioni minime dei moduli stessi, si candida per essere una tecnologia leader nell’ambito del trattamento di acque in aree rurali ma anche in ambiti diversi come ad esempio quello navale (es. Ballast Water).

Il contributo sinergico dei singoli processi rende la tecnica con Plasma NTP più efficace rispetto alle tecniche tradizionali utilizzate singolarmente e ne consente, grazie ai modesti consumi energetici e l’assenza di sottoprodotti, l’utilizzo per la sanificazione di reti idriche anche in aree rurali o esposte a rischio biologico.

Caratteristiche generali processo

• Modulo Plasma NTP
• Dimensioni: 10×300 mm
• Capacità Modulo standard circa 1000 lt/h
• Consumo energetico specifico 22 Wh/m3 di acqua trattata (per acque primarie)
• Riduzione E.Coli > log 6 (per acque primarie)

TECNOLOGIE TRADIZIONALI PER LA STERILIZZAZIONE DI ACQUE

Attualmente, per la decontaminazione delle acque, vengono utilizzati diversi metodi tra i quali, i più diffusi, Sono sicuramente la clorazione, ozonizzazione, radiazioni UV e la filtrazione a membrana.

Prima di approfondire il tema dell’articolo, la sterilizzazione con Plasma, riteniamo opportuno passare in rassegna i punti fondanti le tecniche menzionate per evidenziarne sinteticamente vantaggi e svantaggi.

Clorazione: è sicuramente la tecnica più comune anche se incontra sempre maggiori resistenze nel suo impiego dovute principalmente alla criticità nella manipolazione di Cloro e delle caratteristiche di corrosività dello stesso. In alcune circostanze, il cloro può reagire con composti organici in soluzione formando sottoprodotti come ad esempio trialometani (THM) ed acidi aloacetici (HAA) entrambi altamente cancerogeni.

Filtri a membrana: Microfiltrazione ed Ultrafiltrazione sono tecniche comunemente utilizzate per rimuovere sostanze indesiderate come materiali sospesi e colloidali ma anche biologici come appunto virus e batteri. Le membrane sono classificate a seconda delle dimensioni dei pori nella membrana per cui abbiamo

–Membrane di microfiltrazione (MF) con dimensione dei pori da 0,03 a 10 micron (1 micron e 0,001 mm) sono efficaci nel rimuovere sabbia, limo, alghe e alcuni specie batteriche ma non sono in grado di separare virus.

– Membrane di ultrafiltrazione (UF) sono simili a MF, tuttavia hanno una dimensione del poro più piccola da 0,001 a 0,03 micron (e fenomeni di trasporto diversi). UF è in grado di rimuovere tutte le particelle rimosse da MF, compresi alcuni virus,

Se l’efficienza di rimozione batterica è molto elevata, soprattutto per membrane UF, queste sono soggette a fenomeni di sporcamento ed incrostazioni che impongono l’adozione di processi di lavaggio e sanificazione periodici che impattano sensibilmente sulla gestione tecnica ed economica dei processi.

Radiazioni ultraviolette UV si sono dimostrate efficaci nei processi di decontaminazione e stanno guadagnando popolarità perché non lasciano sottoprodotti indesiderati nell’acqua. Il vantaggio di questo sistema risiede nel fatto che sia la temperatura che il pH dell’acqua trattata non sono significativamente influenzati, e non vengono creati sottoprodotti indesiderati mentre tra gli aspetti negativi, deve essere sicuramente menzionato il così detto “effetto ombra” ovvero la schermatura da parte di particolati sospesi che riducono l’efficienza della radiazione. In definita si tratta di una tecnica valida ma costosa soprattutto in termini energetici e, quindi, poco indicata per applicazioni di grandi dimensioni.

L’ozonizzazione (O₃) consiste nell’insufflazione di gas di ozono compresso in una soluzione contaminata all’interno della quale il gas diffonde ed esplica la sua azione disinfettante. L’ozono è in grado di inattivare in modo efficiente i microrganismi a un livello paragonabile al cloro. Il tempo di contatto del processo è strettamente condizionato dalla temperatura e dal pH della soluzione; ad alte temperature ed ad alto pH, ad esempio, l’ozono tende a decomporsi in ossigeno molecolare mentre a temperature basse la sua stabilità è migliore e l’efficacia del trattamento aumenta notevolmente. Il raggiungimento di una riduzione log 4 a 20 °C con una concentrazione di ozono di 0,16 mg/L richiede, in genere, un tempo di esposizione di 0,1 min.

Uno dei motivi per cui l’ozono non è ampiamente utilizzato è sicuramente il costo relativamente elevato di produzione, allorquando il sistema di disinfezione richiede un circuito dedicato per il dosaggio di aria secca o ossigeno concentrato, un compressore, un sistema di iniezione di gas di ozono ed elettricità. Inoltre, se il gas di ozono viene accumulato in uno spazio chiuso accidentalmente, può essere altamente tossico per l’uomo.

FATTORI CARATTERIZZANTI LA STERILIZZAZIONE MEDIANTE PLASMA NON TERMICO (NTP)

La sterilizzazione mediante Plasma, come anticipato, viene innescata mediante scarica elettrica ad alto voltaggio ed è un processo alquanto complicato determinato com’è da diversi singoli fattori quali effetto termico, particelle cariche, specie ossidanti eccitate, specie reattive neutre ed irraggiamento UV.

L’interazione tra tutti questi processi determina poi il risultato finale cosicché diventa molto importante dettagliare i singoli aspetti del processo.

Effetto termico (pirolisi): il Plasma NTP, non determina, generalmente, innalzamenti della temperatura dell’acqua ciò non di meno bisogna considerare come all’interno di uno stream plasma la temperatura per un breve lasso di tempo e di spazio può raggiungere diverse centinaia di gradi celsius contribuendo in modo significativo al processo di sterilizzazione nel suo insieme aumentando l’efficacia dell’azione di Ozono e radicali presenti.

Azione di elettroni e ioni: le particelle cariche giocano un ruolo fondamentale nella sterilizzazione di acque; in realtà gli elettroni agiscono come particella idratata in un solvente polare (acqua) ed in questo contesto rimangono stabili il lasso di tempo per innescare reazioni tra cui la più importante è la conversione di ossigeno in superossido O₂^–altamente reattivo il quale stimola la formazione a sua volta di radicali OH e perossido di idrogeno al loro volta molto efficaci nell’azione sterilizzante.

Anche gli ioni caricati positivamente influiscono sul rendimento del processo e rendono l’acqua tendenzialmente acida.

Radiazioni UV: il Plasma è una fonte di raggi UV a diverse lunghezze d’onda che svolgono anch’esse azione disinfettante. In realtà l’efficienza della radiazione dipende molto dalla configurazione del sistema Plasma ma, in genere, apporta sempre un suo contributo.

Ozono: è sicuramente il componente che gioca il ruolo più importante nel processo di disinfezione a causa della maggiore stabilità rispetto a specie più ossidanti come ad esempio i radicali OH, che hanno una vita media ed un raggio di azione critici ed agiscono di fatto nella sola vicinanza degli elettrodi.

APPLICAZIONI DI FONTI PLASMA PER ACQUE POTABILI

La qualità della acqua sterilizzata con le varie tecniche disponibili viene, in genere, indicata con il tasso di rimozione di batteri e virus e viene eseguita con protocolli analitici riconosciuti a livello internazionale. L’effettiva salubrità dell’acqua, invece, è un aspetto spesso sottaciuto e se da un lato la rimozione di microrganismi viene giustamente enfatizzata gli effetti del consumo nel tempo di questa acqua non sono spesso adeguatamente considerati.

L’acqua prodotta mediante Plasma NTP ha, tra le altre peculiarità, quella di non rilasciare in soluzione sotto prodotti e di non modificare la natura chimico fisica dell’acqua rendendola sicura per il consumo umano e per l’utilizzo in agricoltura . A tale riguardo esistono studi che mettono in relazione lo sviluppo di specie biologiche selezionate cresciute in acqua post plasma (ad esempio posiamo citare test con alghe Pseudokirchneriella subcapitata Selenastrum Capricornutum) che evidenziano come non vi siano effetti se non positivi sulla crescita delle stesse.

Una tecnica così potente è anche facile da installare e gestire in aree rurali o dove le comunità ne sono sprovviste (paesi sotto sviluppati, casi di calamità) o per migliorare le infrastrutture esistenti con investimenti limitati. Piccoli moduli di semplice costruzione non necessitano di particolari set up e possono essere alimentati anche con energia solare (fino a log 4 di rimozione di E Coli per una capacità di 80 lt/minuto con un consumo energetico di 120 W)

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