Relazione di esperti sulle prestazioni di declorazione del processo LaVie per l’acqua potabile del professor Nicolas ROCHE, Università Aix-Marseille

Del professor Nicolas ROCHE
Università di Aix-Marseille

Professeur Nicolas ROCHE, Aix-Marseille Université

Professor Nicolas ROCHE
Università di Aix-Marseille
Coord. Pôle de Recherche Interdisciplinaire et Intersectoriel Environnement Lab. Meccanica, modellazione e processi puliti (M2P2 – UMR 7340)
Dipartimento. Ingegneria chimica, Ingegneria dei processi, IUT di Aix-Marseille

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AIX – MARSIGLIA UNIVERSITÀ AMU
LM2P2 (UMR7340)
IUT di Aix-Marseille

Preambolo

SAS SOLABLE ha sviluppato un sistema di depurazione innovativo (processo LAVIE® ) per l’acqua della rete.

Secondo SOLABLE :

  • Questo sistema, basato sui raggi UVA, dovrebbe consentire di “scomporre” le molecole di cloro trasformando la bottiglia in POA (Processo di Ossidazione Avanzata, dimostrato dall’abbattimento del blu di metilene in 15 minuti). Questa AOP dovrebbe anche consentire il trattamento profondo di sapori e odori, e persino di altri inquinanti disciolti come pesticidi o tracce di farmaci, senza la necessità di un filtro o di far passare l’acqua attraverso un circuito secondario.
  • In questo modo si evita completamente l’inquinamento batterico che si può trovare nei sistemi di filtraggio a caraffa e si può conservare l’acqua depurata in bottiglie di vetro, che si adattano perfettamente ai frigoriferi.
  • L’assenza dell’uso di diversi materiali di consumo (supporti o reagenti chimici) è un altro punto a favore che consente di utilizzarlo in qualsiasi momento, senza errori di manipolazione. Una funzione di sicurezza (che interrompe la luce UVA quando la scatola viene aperta) consente persino di estendere l’uso ai bambini.

Questi nuovi utilizzi, che rappresentano una rottura con l’uso delle caraffe filtranti in particolare, hanno portato SOLABLE a richiedere una valutazione scientifica delle prestazioni quantitative di declorazione dell’acqua potabile e della sua capacità qualitativa di decolorare l’acqua colorata con blu di metilene.
Poiché questo prodotto è destinato a purificare l’acqua potabile, i test sono stati effettuati su acqua di rubinetto prelevata a Lambesc (13), drogata con cloro entro i limiti di clorazione autorizzati in Francia: tra 0,2 e 0,4 mg/litro.

Introduzione :

L’acqua potabile deve avere una serie di caratteristiche tali da poter essere utilizzata per il consumo umano diretto senza rischi. I valori dei diversi criteri monitorati possono variare da Paese a Paese, ma possono essere classificati in tre categorie principali:

  • parametri fisico-chimici (pH, TOC, temperatura, conducibilità, nitrati, ammonio, cloruri, solfati, ecc.)
  • sostanze tossiche
  • parametri microbiologici (patogeni come i coliformi fecali).

Per la Francia, questi criteri sono contenuti nel decreto dell’11 gennaio 2007 sui limiti di qualità e i riferimenti per l’acqua grezza e l’acqua destinata al consumo umano di cui agli articoli R. 1321-2, R. 1321-3, R. 1321-7 e R. 1321-38 del codice di sanità pubblica.

Per garantire la qualità di quest’acqua, prima di essere distribuita, vengono applicati dei trattamenti all’acqua prelevata, a seconda della sua origine (acque superficiali, acque sotterranee, desalinizzazione, acque piovane, riutilizzo), assicurando che rimanga idonea al consumo umano fino al punto di utilizzo.

I parametri fisico-chimici richiesti vengono raggiunti attraverso l’implementazione di processi di trattamento e separazione fisico-chimici. La disinfezione richiede l’uso di soluzioni di ossidazione avanzate come l’ozonizzazione, la clorazione e il trattamento con luce UV. Qualunque sia il processo utilizzato, molto spesso prima della distribuzione viene effettuata una fase di clorazione per garantire la qualità batteriologica dell’acqua distribuita fino al punto di utilizzo, grazie al potere persistente del cloro.
I processi di clorazione sono utilizzati molto spesso per disinfettare l’acqua destinata al consumo (Health Canada, 2009)*. Il cloro ha un forte potere ossidante che gli permette di uccidere o inattivare rapidamente (tempo di contatto di circa 30 minuti) i microrganismi contenuti nell’acqua e viene generalmente utilizzato in due forme principali, solida (pastiglia) o liquida (candeggina o ipoclorito di sodio), a seconda della sua ampia gamma di usi (collettivi o individuali). Inoltre, il cloro ha una certa stabilità nell’acqua, che gli conferisce un potere persistente. È quindi importante poter aggiungere dosi sufficienti di cloro per garantire la disinfezione dell’acqua da un lato e il suo potere persistente dall’altro.

I processi di disinfezione mediante clorazione presentano molti vantaggi reali: sono efficaci, veloci, poco costosi, multi-scala e relativamente semplici da implementare. Tuttavia, presentano una serie di svantaggi che è importante considerare in quanto possono avere un effetto sulla salute umana. Infatti, una dose eccessiva di cloro può portare a reazioni del cloro con altri composti presenti nell’acqua, in particolare la materia organica (OM), per formare prodotti comunemente chiamati “sottoprodotti della clorazione” (CBP), alcuni dei quali sono considerati dannosi per la salute umana. Numerosi studi (Mouly et al., 2008† ) sono stati in grado di evidenziare le condizioni per l’attuazione di tali reazioni che portano alla formazione di DSC. Sono stati identificati quasi 600 SPC, comprese le principali famiglie come i trialometani (THM) e gli acidi aloacetici (HAA), che insieme rappresentano tra il 20 e il 30% della massa totale di SPC. Inoltre, una dose troppo elevata di cloro residuo può dare un sapore sgradevole all’acqua potabile.

È quindi importante poter limitare e controllare la produzione di questi CPS nelle linee di lavorazione ma anche nei canali di distribuzione. Questo obiettivo viene raggiunto principalmente attraverso un appropriato dosaggio di cloro per ossidare la materia organica e limitare le concentrazioni di cloro residuo alla fine del trattamento. Questo è un punto delicato per i processi di clorazione e non è sempre facile da implementare nei sistemi di trattamento, soprattutto se la risorsa ha caratteristiche e contenuti di OM variabili nel tempo. Da questo punto di vista, l’OMS raccomanda una concentrazione di cloro libero dell’acqua trattata distribuita tra 0,2 e 0,5 mg/l.

Negli ultimi anni sono stati sviluppati e commercializzati processi di disinfezione a luce UV. Si basano sul principio che i raggi UV hanno un forte effetto battericida.

Le radiazioni ultraviolette (UV) sono radiazioni elettromagnetiche con una lunghezza d’onda di emissione inferiore a quella della luce visibile e superiore a quella dei raggi X. Rappresenta circa il 5% dell’energia elettromagnetica emessa dal sole e può essere prodotta da lampade, le cosiddette lampade UV. I raggi UV sono classicamente suddivisi in tre categorie in base alla loro lunghezza d’onda: UVA (400-315 nm), UVB (315-280 nm) e UVC (280-100 nm). Va notato che, a causa dell’assorbimento dei raggi UV da parte dello strato di ozono nell’atmosfera, la quasi totalità (95%) della luce UV proveniente dal sole che raggiunge la terra appartiene alla categoria UVA.

I raggi UV modificano il DNA dei batteri e, a seconda del tempo di esposizione, li uccidono o li inibiscono, impedendone la riproduzione. Infine, è importante notare che i raggi UV hanno anche un effetto distruttivo su alcuni composti chimici, noti come composti fotosensibili, presenti nell’acqua o nell’atmosfera. Possono quindi partecipare alla fotodegradazione di alcuni inquinanti chimici contenuti nell’acqua, anche a basse concentrazioni.

I processi di disinfezione con lampade UV sono relativamente semplici in quanto consistono nel collocare la lampada UV in un piccolo reattore con l’acqua da trattare in quella che viene comunemente chiamata camera di irradiazione. Questi processi sono sviluppati sia su scala industriale e collettiva sia su scala individuale, soprattutto per la loro semplicità d’uso. Esiste un’ampia letteratura e uno sviluppo industriale di questi processi (Oppenheimer et al., 1997)‡ ma essi si basano quasi esclusivamente sull’uso di lampade UV della classe UVC.

Per quanto riguarda l’uso di lampade UVA (categoria di radiazioni del processo LAVIE® dell’azienda SOLABLE), anche se a mia conoscenza non esiste attualmente uno sviluppo industriale di questo tipo di lampade per il trattamento delle acque, alcuni lavori hanno comunque dimostrato l’efficacia battericida delle lampade UVA (Hamamoto et al., 2007)§.

In conclusione, i processi di disinfezione con lampade UV presentano numerosi vantaggi. Infatti, sono facili da usare sia su scala industriale che individuale. Non richiedono l’uso di reagenti chimici o supporti particolari e non modificano le proprietà fisiche e chimiche dell’acqua da trattare. Infine, sebbene l’investimento iniziale in questo tipo di processo possa sembrare più elevato rispetto ad altri processi come la clorazione, il suo costo operativo rimane molto basso grazie alla lunga durata delle lampade utilizzate, rendendolo competitivo da questo punto di vista. Tuttavia, l’utilizzo di questi processi presenta alcuni svantaggi. L’azione battericida dei processi con lampade UV non è persistente, a differenza della clorazione, quindi dovrebbe essere utilizzata il più vicino possibile al punto di consumo e di utilizzo. L’utilizzo di questo tipo di processo richiede inoltre un’acqua sufficientemente limpida per non limitare la trasmissione dei raggi UV nell’acqua. Infine, è difficile valutare immediatamente l’efficacia del trattamento attraverso la misurazione di un residuo, come nel caso dell’uso del cloro, e ottimizzare l’efficacia del trattamento di questi processi nel caso di una risorsa caratterizzata da una variazione temporale della sua qualità (in particolare batteriologica).

Materiali e metodi :

Gli esperimenti sono stati effettuati il 20 novembre 2017 presso il sito dell’azienda SOLABLE di LAMBESC (13) utilizzando acqua potabile prelevata dai locali dell’azienda al momento degli esperimenti. È un’acqua di bassa durezza (12°F in media) distribuita con un basso livello di cloro libero, inferiore a 0,1 mg/l. Per questo motivo abbiamo aggiunto cloro all’acqua potabile per gli esperimenti di declorazione con il processo LAVIE® . Il prelievo è stato effettuato su un volume di 15 litri di acqua di rete a cui sono stati aggiunti 0,44 ml di una nuova soluzione di candeggina commerciale al 3,6%, ottenendo così un’acqua con una concentrazione di cloro libero misurata di 1,04 mg Cl-/l. Questa soluzione “madre” è stata poi diluita per ottenere due soluzioni, una a 0,41 e l’altra a 0,27, per rimanere entro i limiti raccomandati dall’OMS. Ciascuna di queste soluzioni è stata preparata poco prima dell’inizio degli esperimenti. SOLABLE propone un tempo di esposizione alla luce UV di 20 minuti per l’utilizzo del processo LAVIE®. Abbiamo quindi condotto due test per ogni acqua studiata, uno a 15 minuti e uno a 30 minuti di esposizione.

Il processo LAVIE® utilizzato per i test è un prototipo di dimensioni commerciali dotato di due strisce di lampade LED UVA (6 lampade per striscia, lunghezza d’onda di emissione: 365 nm, potenza assorbita: 25,9 W, tensione: 21,6 V, corrente: 1,2 A) in grado di ospitare una bottiglia cilindrica da un litro (diametro: 80 mm, altezza: 280 mm) in vetro trasparente (borosilicato).

La determinazione del cloro totale è stata effettuata in loco all’inizio e alla fine di ogni esperimento, utilizzando un clorimetro HANNA H1 711, le cui caratteristiche sono riportate nella Tabella 1. Per verificare la qualità batteriologica dell’acqua prima e durante gli esperimenti e i livelli finali di cloro, sono stati prelevati campioni da ogni esperimento e inviati immediatamente al laboratorio SOSCA ANALYSES** (31120, l’Union) in conformità con le raccomandazioni di campionamento, imballaggio e spedizione fornite dal laboratorio.

Matériel utilisé

Tabella 1: Specifiche tecniche del clorimetro HANNA HI 711

Risultati :

Da un punto di vista generale, tutti gli esperimenti condotti non hanno evidenziato variazioni nella qualità batteriologica e fisico-chimica dell’acqua dopo tempi di esposizione di 15 o 30 minuti nel processo LAVIE® dell’azienda SOLABLE. I risultati forniti dal laboratorio SOCSA non mostrano variazioni nella qualità batteriologica dell’acqua o nelle sue caratteristiche fisico-chimiche.

Monitoraggio delle capacità di declorazione del processo LAVIE®:
I risultati ottenuti dagli esperimenti condotti su acqua con concentrazioni iniziali di cloro pari a 0,41 e 0,27 mg di cloro/l rispettivamente per tempi di esposizione di 13 e 30 minuti sono presentati nella Figura 1. È evidente che il processo LAVIE® ha un’efficienza di declorazione superiore al 90% a partire da 15 minuti di esposizione a soluzioni drogate di cloro e da 15 minuti di esposizione ai raggi UVA. Le concentrazioni di cloro residuo misurate a 15 e 30 minuti rientrano nel limite di rilevamento, entro l’errore di misura, del metodo di dosaggio utilizzato. Le analisi effettuate dal laboratorio SOSCA confermano l’assenza di cloro totale e libero a 15 e 30 minuti per tutti i campioni.

Évolution de concentration du chlore

Figura 1: Evoluzione della concentrazione di cloro per tempi di esposizione di 15 e 30 minuti per una soluzione iniziale con 0,41 mg/l di cloro (blu) e una soluzione iniziale con 0,27 mg/l di cloro (arancione).

Monitoraggio delle capacità di sbiancamento del processo LAVIE®:

Il test di decolorazione dell’acqua LAVIE® è stato eseguito sull’acqua madre (addizionata di 1,04 mg/l di cloro) preparata per i test di declorazione dopo aver aggiunto 6 gocce di soluzione di blu di metilene per litro d’acqua. Questa aggiunta è stata effettuata in due bottiglie identiche e una bottiglia è stata poi sottoposta a radiazioni UVA per 30 minuti; le osservazioni effettuate sono riportate nella Figura 2.

Suivi de la décoloration d’une eau colorée

Figura 2: Monitoraggio della decolorazione dell’acqua colorata con blu di metilene, allo stato iniziale (a) e dopo 30 minuti di esposizione ai raggi UVA per il flacone 2 (b)

Questo test mostra chiaramente che il processo LAVIE® ha, oltre alle capacità di declorazione studiate di seguito, evidenti capacità di decolorazione, contribuendo così al miglioramento della qualità delle acque potabili che possono presentare problemi di leggera decolorazione.

Conclusione:

I test condotti il 20 novembre 2017 sul processo LAVIE® sviluppato dall’azienda SOLABLE sull’acqua potabile drogata con cloro e colorata con l’aggiunta di blu di metilene, dimostrano chiaramente che, senza alcuna aggiunta di reagenti o utilizzo di mezzi di scambio ionico o filtrazione :

  • Per quanto riguarda il cloro libero o residuo, e per concentrazioni che possono essere considerate significative in relazione alle raccomandazioni dell’OMS, il processo LAVIE® presenta efficienze quantitative di declorazione superiori al 90% a partire da 15 minuti di esposizione ai raggi UVA.
  • Per quanto riguarda i suoi effetti sulla colorazione dell’acqua (un aspetto importante della qualità dell’acqua, soprattutto dal punto di vista della sua percezione sociale), il processo LAVIE® ha, da un punto di vista qualitativo, capacità di decolorazione che possono essere considerate complete su campioni colorati con Blu di metilene. Queste osservazioni mostrano quindi il potenziale di ossidazione e degradazione delle molecole chimiche contenute nell’acqua di processo LAVIE®.

Infine, l’uso dei raggi UVA fornisce un’ulteriore garanzia di mantenimento o miglioramento della qualità batteriologica dell’acqua.

Fatto a Aix en Provence il 06 dicembre 2017

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Prof. Dr. Nicolas ROCHE

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