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Relazione di esperti sulle prestazioni del processo LaVie nella declorazione dell'acqua potabile

del professor Nicolas ROCHE, Università di Aix-Marseille
Atomi in gif animate purificazione dell'acqua
Professor Nicolas ROCHE, Università di Aix-Marseille

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 di Ingegneria Chimica e di Processo, IUT d'Aix-Marseille

Logo dell'università di Aix Marseille

AIX - MARSIGLIA UNIVERSITÀ AMU
LM2P2 (UMR7340)
Aix-Marsiglia IUT

 

Preambolo

SAS SOLABLE ha sviluppato un innovativo sistema di purificazione (processo LAVIE®) per l'acqua di rete.

Secondo SOLABLE :

  • Questo sistema, basato sui raggi UVA, dovrebbe consentire di "rompere" le molecole di cloro trasformando la bottiglia in un AOP (Advanced Oxidation Process, dimostrato dall'abbattimento del blu di metilene in 15 minuti). Infine, questo AOP dovrebbe consentire di trattare in profondità anche il gusto e gli odori, e persino altri inquinanti disciolti come pesticidi o tracce di farmaci, senza filtrare o 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.
  • Il fatto che non siano necessari materiali di consumo (supporti o reagenti chimici) è un altro punto a favore, per cui è possibile utilizzarlo quando si vuole, senza errori di manipolazione. Grazie a una funzione di sicurezza (che interrompe la luce UVA all'apertura della scatola), può essere utilizzato anche dai bambini.

Questi nuovi utilizzi, che rompono in particolare con l'uso di caraffe filtranti, 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), con livelli di cloro entro i limiti autorizzati per la clorazione in Francia: tra 0,2 e 0,4 mg/litro.

 

Introduzione

L'acqua potabile deve presentare un certo numero di caratteristiche per essere sicura per il consumo umano diretto. Sebbene i valori dei vari criteri possano variare da Paese a Paese, essi 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 e i riferimenti di qualità delle acque grezze e delle acque destinate 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 si ottengono implementando 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, la clorazione viene spesso effettuata prima della distribuzione per garantire la qualità batteriologica dell'acqua distribuita fino al punto di utilizzo, a causa della natura persistente del cloro.
I processi di clorazione sono molto utilizzati per disinfettare l'acqua destinata al consumo (Health Canada, 2009)*. Il cloro ha forti proprietà ossidanti che gli consentono di uccidere o inattivare rapidamente i microrganismi presenti nell'acqua (tempo di contatto di circa 30 minuti). Viene generalmente utilizzato in due forme principali, solida (pastiglie) o liquida (candeggina o ipoclorito di sodio), a seconda dell'ampia gamma di usi (collettivi o individuali). Inoltre, il cloro ha una certa stabilità nell'acqua, che gli conferisce un effetto persistente. È quindi importante poter aggiungere dosi sufficienti di cloro per garantire sia la disinfezione dell'acqua che il suo effetto persistente nel periodo di distribuzione.

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 tenere presenti, in quanto possono avere un effetto sulla salute umana. Una dose eccessiva di cloro può far reagire il cloro con altri composti presenti nell'acqua, in particolare con la materia organica (OM), formando prodotti comunemente noti come "sottoprodotti della clorazione" (CBS), alcuni dei quali sono considerati dannosi per la salute umana. Numerosi studi (Mouly et al., 2008†) hanno evidenziato le condizioni in cui avvengono tali reazioni, che portano alla formazione di CBS. Sono stati identificati quasi 600 CSP, tra cui 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 CSP. Inoltre, dosi eccessive di cloro residuo possono conferire all'acqua potabile un sapore sgradevole.

È quindi importante poter limitare e controllare la produzione di questi CSP sia nelle linee di trattamento che nei circuiti di distribuzione. Ciò si ottiene essenzialmente con 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 le caratteristiche e il contenuto di OM della risorsa variano nel tempo. Da questo punto di vista, l'OMS raccomanda una concentrazione di cloro libero compresa tra 0,2 e 0,5 mg/l nell'acqua trattata distribuita.

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

La radiazione ultravioletta (UV) è una radiazione elettromagnetica con una lunghezza d'onda di emissione inferiore a quella della luce visibile e superiore a quella dei raggi X. Rappresenta quasi il 5 % dell'energia elettromagnetica emessa dal sole e può essere prodotta da lampade, dette lampade UV. Rappresenta quasi il 5 % dell'energia elettromagnetica emessa dal sole e può essere prodotta da lampade, note come 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 e che raggiunge la terra appartiene alla categoria UVA.

I raggi UV modificano il DNA dei batteri, uccidendoli o inibendoli, a seconda della durata dell'esposizione, e impedendone così la riproduzione. Infine, è importante notare che i raggi UV hanno anche l'effetto di distruggere alcuni composti chimici, noti come composti fotosensibili, presenti nell'acqua o nell'atmosfera. Possono quindi contribuire alla fotodegradazione di alcuni inquinanti chimici contenuti nell'acqua, anche in basse concentrazioni.

I processi di disinfezione con lampade UV sono relativamente semplici nella progettazione, in quanto prevedono il posizionamento della lampada UV in un piccolo reattore con l'acqua da trattare in quella che viene comunemente chiamata camera di irradiazione. Questi processi sono stati sviluppati sia su scala industriale e collettiva sia su scala individuale, soprattutto per la loro facilità d'uso. La letteratura e gli sviluppi industriali di questi processi sono numerosi e significativi (Oppenheimer et al., 1997)‡ ma si basano quasi esclusivamente sull'uso di lampade a radiazione UV della categoria UVC.

Per quanto riguarda l'uso di lampade UVA (categoria di radiazioni del processo LAVIE® di SOLABLE), sebbene a mia conoscenza non vi sia 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 offrono numerosi vantaggi. Sono facili da usare sia su scala industriale che individuale. Non richiedono l'uso di reagenti chimici o di mezzi speciali e quindi non alterano le proprietà fisico-chimiche dell'acqua da trattare. Infine, mentre l'investimento iniziale in questo tipo di processo può sembrare più elevato rispetto ad altri processi come la clorazione, il suo costo operativo rimane molto basso, con lunghe durate delle lampade utilizzate, rendendolo competitivo da questo punto di vista. Tuttavia, l'utilizzo di questi processi presenta una serie di svantaggi. A differenza della clorazione, l'azione battericida dei processi con lampade UV non è di lunga durata, quindi devono essere utilizzati il più vicino possibile al punto di consumo e di utilizzo. Inoltre, questo tipo di processo richiede un'acqua sufficientemente limpida, per non limitare la trasmissione dei raggi UV nell'acqua. Infine, è difficile valutare immediatamente l'efficacia del trattamento misurando un residuo, come nel caso del cloro, e ottimizzare l'efficacia del trattamento di questi processi nel caso di una risorsa caratterizzata da variazioni temporali della sua qualità (in particolare batteriologica).

 

Materiali e metodi

Gli esperimenti sono stati condotti il 20 novembre 2017 presso la sede di SOLABLE a LAMBESC (13) utilizzando acqua potabile prelevata dai locali dell'azienda al momento degli esperimenti. L'acqua era di bassa durezza (12°F in media) e distribuita con un basso livello di cloro libero, inferiore a 0,1 mg/l. Per questo motivo abbiamo aggiunto cloro a quest'acqua potabile per gli esperimenti di declorazione LAVIE®. Il prelievo è stato effettuato su un volume di 15 litri di acqua di rete in cui sono stati aggiunti 0,44 ml di una nuova soluzione commerciale di candeggina a 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 di 0,41 e 0,27 rispettivamente, per rimanere entro i limiti raccomandati dall'OMS. Queste soluzioni sono state preparate ciascuna poco prima dell'inizio degli esperimenti. SOLABLE suggerisce un tempo di esposizione alla luce UV di 20 minuti per il processo LAVIE®. Abbiamo quindi effettuato due test per ogni acqua studiata, con un'esposizione rispettivamente di 15 e 30 minuti.

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).

Il cloro totale è stato misurato in loco all'inizio e alla fine di ogni esperimento utilizzando un clorimetro HANNA H1 711, le cui caratteristiche sono riportate nella Tabella 1. Inoltre, per controllare 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.

 
Apparecchiature utilizzate

Tabella 1: Specifiche tecniche del clorimetro HANNA HI 711

 

Risultati

Da un punto di vista generale, tutti gli esperimenti condotti non hanno mostrato 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 della capacità di declorazione del processo LAVIE®:
I risultati ottenuti dagli esperimenti condotti su acque 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 mostrati nella Figura 1. Il processo LAVIE® mostra chiaramente un'efficienza di declorazione superiore a 90% a partire da 15 minuti di esposizione delle soluzioni drogate con cloro e da 15 minuti di esposizione ai raggi UVA. Le concentrazioni di cloro residuo misurate a 15 e 30 minuti sono entro il limite di rilevamento, o entro l'errore di misura, del metodo di dosaggio utilizzato. Le analisi effettuate dal laboratorio SOSCA hanno confermato l'assenza di cloro totale e libero a 15 e 30 minuti per tutti i campioni.

Andamento della concentrazione di cloro
Figura 1: Variazioni 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 della capacità di sbiancamento del processo LAVIE

Il test di decolorazione dell'acqua LAVIE® è stato eseguito sull'acqua madre (drogata con 1,04 mg/l di cloro) preparata per i test di declorazione dopo l'aggiunta di 6 gocce di soluzione di blu di metilene per litro d'acqua. L'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 mostrate nella Figura 2.

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

Questo test dimostra chiaramente che il processo LAVIE® ha, oltre alle capacità di declorazione studiate di seguito, anche chiare capacità di decolorazione, contribuendo così a migliorare la qualità dell'acqua potabile che può presentare problemi di leggera decolorazione.

 

Conclusione

I test condotti il 20 novembre 2017 sul processo LAVIE® sviluppato da 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 :

  • In termini di cloro libero o residuo, e per concentrazioni che possono essere considerate significative in relazione alle raccomandazioni dell'OMS, il processo LAVIE® offre efficienze quantitative di declorazione superiori a 90% dopo 15 minuti di esposizione ai raggi UVA.
  • In termini di effetti sulla colorazione dell'acqua (un aspetto importante della qualità dell'acqua, soprattutto dal punto di vista della sua percezione da parte della società), 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.

Firmato a Aix en Provence il 06 dicembre 2017

firma Prof. Nicolas ROCHE

Prof. Nicolas ROCHE

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