Il metodo di decontaminazione elimina gli inquinanti dal suolo

Un metodo sviluppato dagli scienziati e dai collaboratori della Rice University presso il Centro di ricerca e sviluppo degli ingegneri dell’esercito degli Stati Uniti (ERDC) potrebbe aiutare a trasformare i processi di bonifica del suolo da frammentari a globali.

Un team di scienziati della Rice guidati dal chimico James Tour e da ricercatori delle strutture geotecniche e dei rami di ingegneria ambientale dell’ERDC hanno dimostrato che mescolando il terreno inquinato con composti non tossici e ricchi di carbonio che spingono la corrente elettrica, come il biochar, poi distruggono la miscela con brevi le scariche elettriche eliminano sia gli inquinanti organici che i metalli pesanti senza utilizzare acqua o generare rifiuti.

Secondo uno studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura, gli impulsi elettrici portano la temperatura del suolo fino a 1000-3000 gradi Celsius secondo necessità (1832-5432 Fahrenheit) in pochi secondi, trasformando i contaminanti organici in minerali di grafite non tossici e i metalli pesanti tossici in vapori raccolti tramite tubi di estrazione. Inoltre, il processo è vantaggioso per la fertilità del suolo, con esperimenti che mostrano che i tassi di germinazione migliorano del 20-30% nel terreno bonificato.

“Il nostro processo elettrotermico ad alta temperatura può rimuovere più inquinanti contemporaneamente”, ha affermato l’autore principale Bing Deng, un ricercatore associato post-dottorato nel laboratorio Tour. “Questo nuovo metodo, che abbiamo chiamato processo elettrotermico ad alta temperatura (HET), si basa sulla tecnica di riscaldamento flash Joule che abbiamo sviluppato alcuni anni fa. È la prima volta che il riscaldamento elettrico diretto viene utilizzato per la bonifica del suolo.”

Metalli pesanti come piombo, arsenico, zinco, cobalto, rame, mercurio e nichel e contaminanti organici come pesticidi e microplastiche sono i principali inquinanti del suolo. Oltre alle attività antropiche, anche eventi naturali come terremoti e inondazioni possono causare la contaminazione del suolo: le ceneri tossiche rilasciate da incendi come quelli che hanno devastato le Hawaii in agosto o qualsiasi potenziale rifiuto industriale rilasciato dallo scongelamento del permafrost nell’Artico potrebbero contaminare vaste aree di suolo, richiedendo protocolli di decontaminazione su larga scala.

Tuttavia, gli attuali metodi per rimuovere gli inquinanti dal suolo richiedono molto tempo, sono costosi e sono impegnativi dal punto di vista logistico. Alcune tecniche di decontaminazione, come la lisciviazione dei tensioattivi, generano anche flussi di rifiuti secondari e consumano quantità significative di acqua e/o elettricità. Trovare modi migliori per decontaminare il suolo è fondamentale per una migliore preparazione alle catastrofi, rendendola una priorità per la sicurezza nazionale, ha affermato Deng.

“Questo metodo è ultraveloce, il che può essere davvero utile per affrontare situazioni di emergenza”, ha aggiunto Deng.

“Le tecnologie di bonifica del suolo normalmente prendono di mira solo uno o due metalli pesanti alla volta, e spesso non hanno molto successo o funzionano a un ritmo molto più lento rispetto al riscaldamento elettrotermico”, ha affermato Mine Ucak-Astarlioglu, un chimico ricercatore dell’ERDC. “Questo metodo è molto rapido, non richiede acqua e gestisce molteplici inquinanti nel suolo. Il riscaldamento Flash Joule è una tecnica incredibilmente promettente nel recupero dei metalli critici dai rifiuti e nella rimozione dei metalli pesanti per la bonifica.”

Chris Griggs, ricercatore fisico senior dell’ERDC, ha affermato che, attualmente, il terreno inquinato può essere dissotterrato e trasportato lontano dai siti popolati – un’opzione che definisce un “incubo logistico” – oppure può essere trattato sul posto per prevenire elementi tossici dalla migrazione nell’aria circostante, nell’acqua o nelle riserve alimentari.

“Alcuni contaminanti potrebbero andare bene: non si sposteranno. Altri potrebbero migrare verso le falde acquifere e le fonti di acqua potabile. Alcuni potrebbero finire per contaminare i raccolti, dove potrebbero esserci metalli pesanti tossici assorbiti attraverso le radici delle piante, ecc.”, ha detto Griggs. “Essere in grado di rigenerare il suolo e riportarlo esattamente dov’era, è un enorme vantaggio rispetto alle tecnologie esistenti sul mercato.”

Un effetto sorprendente del trattamento rapido ad alta temperatura è che lascia relativamente invariate le dimensioni delle particelle del terreno e la composizione minerale complessiva. Il processo, infatti, migliora il tasso di infiltrazione dell’acqua e aumenta il pool di nutrienti disponibili, rendendo il terreno più fertile.

“È stato sorprendente per noi non danneggiare il suolo durante il processo”, ha affermato Tour, professore di chimica del TT e WF Chao della Rice e professore di scienza dei materiali e nanoingegneria. “In realtà alle piante piace di più, a causa dei minerali che vengono liberati nel ciclo termico.”

Yi Cheng, ricercatore post-dottorato sulla Rice e coautore principale che ha contribuito alla caratterizzazione delle proprietà del suolo, ha affermato che il processo funziona altrettanto bene sul terreno umido.

“Il nostro processo è economico ed ecologico”, ha aggiunto Cheng.

Lo studio include un’analisi del ciclo di vita che mostra che il processo è scalabile e promette di essere più efficiente dal punto di vista energetico ed economico rispetto alle tradizionali pratiche di bonifica del suolo come il lavaggio del suolo o il desorbimento termico.

“Abbiamo sviluppato due modelli di implementazione sia per l’implementazione off-site che on-site, e non vediamo l’ora di portare questo processo alla fase successiva: test sul campo”, ha affermato Deng.

La collaborazione tra Rice ed ERDC potrebbe aiutare la transizione tecnologica dalla fase di prova del concetto alla pratica nel mondo reale.

“Quando si tratta di tecno-economia e scalabilità del processo, possiamo fare un po’ di più e andare un po’ più in grande di quanto potrebbe fare un’università, ma il lato della scoperta della ricerca è dove le università eccellono”, ha detto Griggs. “È una buona partnership.”

“È un partenariato tecnico, un partenariato educativo e offre anche opportunità di lavoro”, ha affermato Ucak-Astarlioglu. “È una situazione vantaggiosa per tutti i partner universitari coinvolti.”

Robert Carter, alunno della Rice, è anche uno dei coautori principali dello studio. Altri autori includono gli studenti laureati della Rice Lucas Eddy e Debadrita Jana; i ricercatori post-dottorato Yuan Liu e Shichen Xu; gli scienziati ricercatori Xiaodong Gao e Carter Kittrell; lo studente universitario Khalil JeBailey; Gli ex studenti del dottorato di Rice Duy Xuan Luong e Kevin Wyss; Mark Torres, assistente professore di Scienze della Terra, ambientali e planetarie; e Janet Braam, professoressa di bioscienze e preside associato per le iniziative strategiche.

La ricerca è stata supportata dall’Air Force Office of Scientific Research (FA9550-22-1-0526), ​​dal Centro di ricerca e sviluppo degli ingegneri dell’esercito americano (W912HZ-21-2-0050) e dalla Rice’s Stauffer-Rothwell Scholarship and Shared Equipment Authority.