Algal biochar as a sorbent for the treatment of non-production dairy wastewater

L'acqua è il sangue vitale dell'industria, eppure i medesimi processi che su di essa si affidano lasciano spesso dietro di sé un residuo tossico difficile da gestire. Nel settore lattiero-caseario, dove latte e panna vengono trasformati in innumerevoli prodotti, vengono utilizzate enormi quantità d'acqua per la pulizia delle attrezzature e il mantenimento dell'igiene. Quest'acqua non scompare semplicemente; ritorna nell'ambiente sotto forma di acque reflue, trasportando con sé una miscela compla di materia organica, grassi, proteine e i prodotti chimici aggressivi utilizzati per lavare accuratamente i macchinari. Quando quest'acqua è acida e carica di sali disciolti e carbonio organico, rappresenta una significativa minaccia per gli ecosistemi acquatici, potendo depletare i livelli di ossigeno e corrodere le infrastrutture. I metodi tradizionali per la pulizia di quest'acqua spesso faticano a rimuovere in modo efficiente questi specifici inquinanti disciolti, spingendo gli scienziati a cercare nuove soluzioni più sostenibili che possano trasformare il rifiuto in una risorsa.

Uno di questi filoni di ricerca riguarda il concetto di economia circolare, dove i materiali che altrimenti verrebbero scartati vengono trasformati in strumenti per la protezione ambientale. In questo contesto, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione alle alghe, specificamente a un tipo noto come Chlorella, che cresce rapidamente ed è ricca di nutrienti. Riscaldando questa biomassa algale in un ambiente controllato e privo di ossigeno — un processo chiamato pirolisi — gli scienziati possono convertirla in un materiale nero e poroso noto come biochar. Questo materiale agisce come una spugna, ma invece di assorbire acqua, intrappola gli inquinanti dai rifiuti liquidi. La superficie del biochar è coperta da minuscoli fori e gruppi chimici che possono afferrare le molecole indesiderate, estraendole dall'acqua e lasciandola più pulita. La domanda che ha guidato il lavoro recente era se il biochar prodotto dalle alghe potesse servire come un filtro efficace ed eco-compatibile per le specifiche acque reflue acide generate dagli impianti lattiero-caseari.

Un ricercatore si è posto l'obiettivo di testare questa idea creando una serie di campioni di biochar da alghe Chlorella e sottoponendoli a diverse temperature di riscaldamento. Ha prodotto campioni a temperature variabili da 400 gradi Celsius fino a 900 gradi Celsius, osservando attentamente come il calore cambiasse la struttura e la composizione chimica del materiale. Utilizzando potenti microscopi, ha esaminato la forma fisica delle alghe prima e dopo il riscaldamento. L'alga grezza appariva come cellule lisce e compatte, ma man mano che la temperatura saliva, il materiale si trasformava. Il calore causava la decomposizione delle cellule, lasciando dietro di sé una struttura rigida e simile a una spugna, ricca di pori di varie dimensioni. Il ricercatore ha inoltre analizzato gli elementi chimici sulla superficie di questi materiali, cercando carbonio, ossigeno e azoto, che sono fondamentali per il modo in cui un materiale può legarsi con gli inquinanti. Ha scoperto che l'equilibrio di questi elementi cambiava con la temperatura, con un campione specifico che si distingueva come il più ricco dal punto di vista chimico.

I risultati più promettenti sono derivati dal biochar prodotto a 600 gradi Celsius. Questa specifica temperatura sembrava creare un "punto ottimale" in cui il materiale sviluppava una struttura altamente porosa pur mantenendo un'alta concentrazione di ossigeno e azoto sulla sua superficie. Questi elementi superficiali agiscono come piccoli ganci che possono catturare e trattenere gli inquinanti nell'acqua. Quando il ricercatore ha testato questo biochar a 600 gradi contro acque reflue acide reali provenienti da un caseificio locale, i risultati sono stati sorprendenti. In un test in cui l'acqua reflua veniva fatta passare attraverso una colonna riempita con il biochar, il materiale rimuoveva quasi l'85 percento dei sali di cloruro e circa il 67 percento dei sali di solfato. Ha inoltre ridotto la quantità di carbonio organico nell'acqua di circa il 30 percento. Questi numeri erano significativamente migliori di quelli ottenuti con biochar prodotti a temperature inferiori o superiori, suggerendo che la soglia dei 600 gradi fosse critica per creare il filtro più efficace.

Per capire quanto velocemente avvenga questo processo, il ricercatore ha anche mescolato direttamente il biochar con le acque reflue in un ambiente di laboratorio e ha osservato come i livelli di inquinamento cambiassero nel tempo. Ha scoperto che l'azione di pulizia avveniva molto rapidamente. In soli 15 o 30 minuti, il biochar aveva già catturato la gran parte degli inquinanti che era in grado di trattenere. Estendere il tempo di contatto a un'ora o più non migliorava significativamente i risultati, indicando che il materiale raggiungeva un punto di saturazione molto rapidamente. Questa velocità è un tratto prezioso per le applicazioni industriali, dove il tempo è denaro. Tuttavia, il ricercatore è stato attento a notare che, sebbene il biochar si sia comportato bene in questi esperimenti controllati, non è una bacchetta magica in grado di risolvere tutti i problemi delle acque reflue da solo. Lo studio afferma esplicitamente che questo materiale dovrebbe essere visto come un passaggio preliminare o supplementare, una potente prima linea di difesa che può ridurre il carico di inquinanti prima che l'acqua passi attraverso altre fasi di trattamento più complesse.

Le implicazioni di questo lavoro vanno oltre la semplice pulizia dell'acqua; toccano l'obiettivo più ampio della sostenibilità. Utilizzando le alghe, che possono essere coltivate specificamente per questo scopo o raccolte da fioriture naturali, per creare un mezzo di filtrazione, il processo trasforma una risorsa biologica in uno strumento per l'igiene industriale. Lo studio conferma che il biochar derivato dalle alghe Chlorella è un materiale vitale per il trattamento delle acque reflue acide del settore lattiero-caseario, offrendo un modo per rimuovere in modo efficiente i sali nocivi e i composti organici. Sebbene la ricerca sia stata condotta in un laboratorio e non dimostri ancora come il sistema si comporterebbe su scala industriale massiccia, i risultati forniscono una solida base per lo sviluppo futuro. Il biochar a 600 gradi, con la sua combinazione unica di struttura porosa e attività chimica, si distingue come un candidato promettente per aiutare le industrie lattiero-casearie a rispettare standard ambientali più severi, muovendosi verso un futuro più circolare e rispettoso delle risorse.