Optimization of the electrocoagulation process using aluminum electrodes for effective treatment of household wastewater: A kinetic and economic analysis of time and electrode distance effects

L'acqua utilizzata nelle case, che trasporta sapone, scarti di cibo e rifiuti umani, rappresenta una sfida persistente per le comunità che mancano di grandi impianti di trattamento centralizzati. Quando queste acque reflue vengono rilasciate direttamente in fiumi o laghi, possono depletare l'ossigeno nell'acqua, uccidere i pesci e diffondere malattie. I metodi tradizionali per pulire quest'acqua spesso si basano sull'aggiunta di prodotti chimici per far agglomerare insieme le minuscole particelle di sporco e materia organica, o sull'uso di batteri che "mangiano" i rifiuti. Tuttavia, l'aggiunta di prodotti chimici crea un nuovo problema: una grande quantità di fango tossico che deve essere smaltito, mentre i metodi biologici richiedono enormi quantità di spazio ed energia costante per funzionare. In molte regioni in via di sviluppo, queste soluzioni convenzionali sono troppo costose o troppo complesse da mantenere. Ciò ha spinto gli scienziati a guardare verso un approccio diverso chiamato elettrocoagulazione, un processo che utilizza l'elettricità per pulire l'acqua senza la necessità di aggiungere massicce dosi di prodotti chimici esterni.

In questo metodo, delle piastre metalliche, solitamente di alluminio o ferro, vengono collocate all'interno delle acque reflue. Quando viene fatta passare una corrente elettrica attraverso queste piastre, il metallo si dissolve lentamente nell'acqua, rilasciando minuscole particelle cariche. Queste particelle agiscono come magneti naturali, catturando lo sporco galleggiante, gli oli e i batteri nocivi, facendoli aderire tra loro in agglomerati più grandi. Allo stesso tempo, minuscole bolle di idrogeno gassoso salgono dal fondo del serbatoio, sollevando questi agglomerati verso la superficie dove possono essere rimossi con una racla. La bellezza di questa tecnica è che genera il proprio agente pulente proprio dove è necessario, riducendo la necessità di stoccaggio e manipolazione di prodotti chimici. La domanda critica per gli ingegneri, tuttavia, è come progettare la macchina in modo che funzioni in modo rapido ed economico da essere utile per le comunità quotidiane.

Un team di ricercatori dell'Università di Wollega, in Etiopia, ha cercato di risolvere questo enigma testando come la spaziatura fisica tra le piastre metalliche influenzi il processo di pulizia. Hanno lavorato con acque reflue reali, non trattate, raccolte dal sistema di drenaggio principale della città di Shambu, un campione noto per essere pesantemente inquinato da materia organica e solidi. Invece di utilizzare una configurazione standard, si sono concentrati su una specifica variabile di progettazione: la distanza tra gli elettrodi di alluminio. Hanno confrontato un gap tradizionale, più ampio, di mezzo centimetro, con un gap molto più stretto di soli due millimetri. L'obiettivo era vedere se stringere le piastre vicine l'una all'altra avrebbe fatto lavorare l'elettricità con più forza e velocità, o se avrebbe causato problemi come cortocircuiti o spreco di energia.

I ricercatori hanno condotto i loro esperimenti in un semplice contenitore di vetro, trattando l'acqua per fino a novanta minuti mantenendo costante la corrente elettrica. Hanno misurato quanta parte dell'inquinamento veniva rimossa a diversi intervalli di tempo, monitorando la chiarezza dell'acqua, la quantità di rifiuti organici e la quantità totale di solidi disciolti. Ciò che hanno scoperto è che la spaziatura più stretta ha fatto una differenza drammatica. Quando le piastre erano distanziate solo due millimetri, l'acqua si è pulita molto più velocemente e completamente rispetto a quando le piastre erano distanti mezzo centimetro. Al termine della corsa di novanta minuti, la configurazione a gap stretto ha rimosso quasi tutto l'inquinamento, lasciando l'acqua abbastanza limpida da soddisfare i severi standard nazionali. Ha eliminato il novantotto per cento dei rifiuti organici e quasi tutta la torbidità, mentre il gap più ampio lasciava dietro di sé una quantità significativa di inquinamento.

La scienza alla base di questo successo risiede nel modo in cui l'elettricità si muove attraverso l'acqua. L'acqua agisce come un resistore e, quanto più ampio è il gap tra le piastre, tanto più difficile è per la corrente fluire. Restringendo il gap, i ricercatori hanno ridotto questa resistenza, permettendo all'elettricità di lavorare in modo più efficiente. Ciò significava che il sistema richiedeva meno energia per ottenere lo stesso risultato e che le piastre metalliche si dissolvevano più efficacemente per creare gli agenti pulenti. Il team ha calcolato che la spaziatura più stretta ha ridotto l'energia necessaria per trattare un metro cubo d'acqua di quasi il ventiquattro per cento. Questa efficienza si è tradotta direttamente in risparmio economico; il costo totale per far funzionare il sistema è sceso da circa cinque dollari e cinquanta centesimi per metro cubo a poco meno di quattro dollari e quaranta centesimi. Sebbene il costo delle piastre metalliche rimanesse lo stesso indipendentemente dal gap, il risparmio nell'elettricità è stato sufficiente a ridurre il prezzo complessivo del trattamento.

Nonostante questi risultati impressionanti, lo studio ha anche evidenziato un ostacolo significativo. Anche con il design ottimizzato, il costo dell'elettricità rimaneva la parte più consistente del conto, rappresentando oltre il settanta per cento della spesa operativa totale. Ciò suggerisce che, sebbene il design della macchina sia valido, la sua sostenibilità economica nei luoghi con reti elettriche costose è ancora limitata. I ricercatori hanno osservato che il processo è più adatto a sistemi decentralizzati, dove piccole comunità possono trattare la propria acqua senza dipendere da enormi infrastrutture. Hanno inoltre sottolineato che il fango prodotto dal processo, che è composto principalmente da idrossido di alluminio, è relativamente facile da gestire e potrebbe potenzialmente essere riutilizzato o riproposto, trasformando un prodotto di scarto in una risorsa.

Le scoperte offrono una via chiara per migliorare il trattamento dell'acqua nelle aree che ne hanno più bisogno. Lo studio dimostra che semplicemente avvicinando gli elettrodi è possibile velocizzare significativamente il processo di pulizia e abbassare la bolletta elettrica. Tuttavia, gli autori avvertono che, affinché questa tecnologia diventi una soluzione davvero sostenibile a lungo termine, deve essere abbinata a fonti di energia più economiche, come l'energia solare, per rompere la dipendenza dall'elettricità costosa della rete. Suggeriscono inoltre che il lavoro futuro dovrebbe concentrarsi sulla costruzione di sistemi a flusso continuo, in grado di gestire un flusso costante d'acqua, piuttosto che trattarla a lotti. Per ora, la ricerca fornisce un modello solido e pratico su come costruire un sistema di elettrocoagulazione più efficiente e a basso costo che potrebbe aiutare a proteggere le comunità dai pericoli delle acque reflue non trattate.