Waterloo stampa un filtro che cattura il 90% delle microplastiche

Waterloo stampa un filtro che cattura il 90% delle microplastiche, ma il vero risultato è nella combinazione fra geometria, porosità e adesione

Un gruppo dell’Università di Waterloo ha sviluppato un filtro prodotto tramite stampa 3D capace di rimuovere fino al 90% delle microplastiche in una prova di laboratorio alimentata esclusivamente dalla gravità. Il risultato, pubblicato da Ethan A. Crawford e Tizazu H. Mekonnen su Separation and Purification Technology, è interessante non tanto perché stabilisca un nuovo record assoluto di filtrazione, quanto perché combina tre meccanismi differenti all’interno di una struttura relativamente semplice: geometria tortuosa stampata in 3D, porosità superficiale prodotta dopo la stampa e un rivestimento adesivo capace di trattenere le particelle che entrano in contatto con il filtro. Il sistema migliore utilizza venti elementi sovrapposti e ha raggiunto il 90% di rimozione nella soluzione sperimentale. Ma per interpretare correttamente quel numero bisogna guardare con attenzione a cosa è stato realmente filtrato, come è stato preparato il materiale e quali problemi restano ancora irrisolti.

La ricerca è stata sviluppata nel Department of Chemical Engineering di Waterloo da Ethan Crawford, nell’ambito della sua tesi di Master of Applied Science, sotto la supervisione di Tizazu Mekonnen, Canada Research Chair in Sustainable Multiphase Polymers. Lo studio scientifico è stato pubblicato nel volume 385 del 2026 di Separation and Purification Technology, articolo 136417, mentre l’università ne ha diffuso i risultati al grande pubblico alla fine di settembre 2026.

Il filtro non blocca le particelle semplicemente perché possiede fori più piccoli

A prima vista si potrebbe immaginare una normale membrana: acqua da una parte, pori minuscoli dall’altra, microplastiche troppo grandi per attraversarli. Il dispositivo di Waterloo funziona in maniera più complessa. Gli elementi stampati hanno una griglia con aperture quadrate da 1 × 1 mm, quindi molto più grandi della maggior parte delle particelle che il sistema riesce a catturare. Ogni elemento ha circa 39 mm di diametro e 1 mm di spessore e possiede un distanziatore periferico che crea uno spazio fra gli strati successivi. Le griglie vengono orientate in maniera sfalsata per aumentare la tortuosità del percorso: l’acqua non attraversa semplicemente venti setacci perfettamente allineati, ma cambia ripetutamente direzione e ha molte più occasioni di entrare in contatto con la superficie.

Il principio è quindi più vicino a una filtrazione per intercettazione e adesione che a una pura separazione dimensionale. Una particella da 20 µm può attraversare facilmente un’apertura da un millimetro; viene rimossa se, nel proprio percorso attraverso la colonna, incontra una superficie sufficientemente ruvida e adesiva da trattenerla.

Questo spiega anche perché aumentare il numero di elementi da 8 a 20 migliori così tanto il risultato. La colonna diventa più lunga, cresce la superficie disponibile e aumenta il tempo durante il quale ogni particella può collidere con una parete.

La stampa 3D realizza la macrogeometria, i pori più piccoli vengono creati dopo

Il materiale di partenza non è normale PLA commerciale. I ricercatori hanno utilizzato Luminy LX175 PLA e lo hanno miscelato con polyethylene glycol a basso peso molecolare, PEG 400, insieme a una piccola quantità di nanoclay utilizzata come modificatore reologico e rinforzo. Sono state studiate formulazioni con 5, 10 e 15 parti di PEG ogni 100 parti di PLA. Quella con 10 phr di PEG, indicata come PLA-PEG10, ha fornito il compromesso migliore fra stampabilità, rugosità ottenibile e integrità meccanica.

La miscela non è stata preparata semplicemente introducendo due filamenti nella stampante. PLA, PEG e nanoclay sono stati melt-compounded mediante mini-estrusore bivite, quindi il materiale estruso è stato nuovamente macinato in pellet. La stampa è stata eseguita con una PioCreat G5 Pro pellet-based FDM printer, non con una normale macchina desktop alimentata da bobina. I parametri comprendevano nozzle a 210 °C, piano a 65 °C, layer da 0,10 mm, line width di 0,40 mm e velocità di stampa di circa 50 mm/s.

Terminata la stampa avviene il passaggio che crea la superficie realmente filtrante. PEG e PLA non sono perfettamente miscibili e il PEG forma piccoli domini dispersi nella matrice. Gli elementi vengono immersi in acqua bollente per un’ora, l’acqua viene sostituita e il ciclo viene ripetuto tre volte. Il PEG esposto alla superficie si scioglie, lasciando cavità nel PLA. Dopo il trattamento i filtri vengono essiccati a 60 °C per 24 ore.

Le immagini SEM mostrano pori superficiali che partono da circa 100 nanometri e arrivano a 5-10 µm, insieme a irregolarità più grandi dell’ordine dei 50 µm. Questo aumenta enormemente la rugosità e la superficie disponibile rispetto al PLA stampato normalmente.

Ma è importante non confondere la dimensione dei pori con la capacità di filtrazione. Il fatto che al SEM compaiano cavità da 100 nm non significa che il sistema abbia dimostrato una rimozione efficace delle nanoplastiche da 100 nm. Anzi, gli esperimenti mostrano precisamente che le particelle più piccole sono quelle più difficili da catturare.

Il secondo meccanismo è una superficie intenzionalmente “appiccicosa”

I ricercatori hanno confrontato due pressure-sensitive adhesives: polydopamine, PDA, ispirata alla chimica adesiva utilizzata dai mitili, e poly(2-ethylhexyl acrylate), P2EHA, un polimero acrilico morbido con temperatura di transizione vetrosa molto bassa. A temperatura ambiente il P2EHA rimane tacky e può quindi trattenere le particelle che entrano in contatto con la superficie.

Il P2EHA ha fornito la prestazione migliore. Con otto elementi, il PLA non trattato rimuoveva soltanto circa 16% delle microplastiche. Creando la porosità tramite estrazione del PEG si saliva al 37%. Aggiungendo PDA si arrivava al 46%, mentre il rivestimento P2EHA portava il risultato al 51%.

Solo dopo avere scelto quest’ultima configurazione il gruppo ha aumentato l’altezza della colonna, utilizzando 8, 12, 16 e 20 elementi. Con venti dischi porosi rivestiti in P2EHA la rimozione ha raggiunto il valore riportato nel titolo: 90%.

La progressione è interessante perché dimostra che nessuno dei tre elementi è sufficiente da solo. La geometria stampata obbliga le particelle a incontrare molte superfici; l’etching produce rugosità e cavità; il coating aumenta la probabilità che una particella, una volta entrata in contatto, non venga nuovamente trascinata via dall’acqua.

Quel 90% è stato ottenuto con polistirene preparato artificialmente

È la principale precisazione rispetto alla comunicazione più divulgativa. Il test non è stato effettuato prelevando acqua da un lago, un rubinetto o una lavatrice. I ricercatori hanno utilizzato pellet di polistirene, macinati in un mulino centrifugo con setaccio da 80 µm a 16.000 rpm. Le particelle sono state colorate con Nile Red per poter essere successivamente misurate tramite fluorescenza e disperse in acqua a una concentrazione di 100 ppm.

Nella soluzione è stato aggiunto anche Tween 20 a 2,24 mM, un tensioattivo destinato a mantenere le particelle disperse e impedire che si agglomerassero. Per ogni prova, 100 ml della sospensione venivano versati attraverso la colonna esclusivamente per gravità.

La quantità di microplastica prima e dopo il filtro è stata valutata tramite fluorescence spectrophotometry, mentre la distribuzione delle dimensioni è stata analizzata con microscopia ottica polarizzata.

Gli stessi autori riconoscono che il surfattante costituisce una variabile sperimentale che potrebbe modificare le interazioni fra polistirene, adesivo e superficie. Il prossimo passaggio indicato nella tesi è precisamente verificare il sistema con matrici più realistiche, come laundry effluent.

Dire che il filtro “rimuove il 90% delle microplastiche dall’acqua” è quindi corretto come descrizione sintetica del risultato sperimentale; non è ancora equivalente a dire che rimuoverà il 90% delle microplastiche da qualsiasi acqua potabile o refluo industriale.

La miscela sperimentale era già molto ricca di particelle piccole

Questo, però, rende il test più interessante di quanto potrebbe sembrare. Prima della filtrazione circa il 90% delle particelle era inferiore a 20 µm e il 43% era più piccolo di 6 µm. Il restante 10% si distribuiva fra circa 20 e 280 µm.

Dopo la filtrazione, le particelle grandi erano quasi completamente scomparse: soltanto circa il 5% delle particelle residue superava 20 µm e non ne venivano osservate oltre 50 µm. Al contrario, l’80% del materiale rimasto era inferiore a 10 µm.

Questo identifica abbastanza chiaramente il limite del sistema.

Più la particella diventa piccola, minori sono la sua massa e l’inerzia. Le particelle più piccole seguono più facilmente il flusso d’acqua e possono attraversare il percorso senza collidere efficacemente con la superficie adesiva. Le particelle grandi hanno maggiori probabilità di impattare il filtro e rimanervi attaccate.

Il “10% che manca” non è quindi distribuito casualmente: è concentrato soprattutto nella frazione più fine.

Il filtro non ha ancora dimostrato di rimuovere le nanoplastiche

La distinzione è importante. Microplastiche e nanoplastiche vengono spesso trattate come un unico problema, ma il comportamento fluidodinamico cambia rapidamente diminuendo le dimensioni.

Il lavoro definisce e testa microplastiche. Anche se la superficie possiede nanopori da circa 100 nm, le prove mostrano già una diminuzione dell’efficienza sotto i 10 µm, cioè a dimensioni cento volte superiori a 100 nm.

La presenza di un nanoporo in un’immagine SEM non equivale quindi a un filtro nanometrico. L’acqua non viene forzata attraverso quei nanopori come accadrebbe in una membrana di nanofiltrazione. Sono cavità della superficie che aumentano area e rugosità.

Questa distinzione è essenziale per evitare di trasformare una caratteristica morfologica in una capacità di separazione non dimostrata.

La definizione “biodegradable filter” va utilizzata con cautela

L’Università di Waterloo descrive il dispositivo come realizzato con un biodegradable polymer, riferendosi al PLA. Formalmente il PLA può essere definito biodegradabile e compostabile in condizioni appropriate. Ma non si degrada rapidamente semplicemente perché viene immerso in acqua.

La letteratura mostra che il PLA presenta degradazione molto lenta in ambienti acquatici naturali e richiede tipicamente le condizioni di temperatura e umidità dell’industrial composting per degradarsi rapidamente.

Nel filtro finale, inoltre, il PLA contiene nanoclay e PEG residuo ed è rivestito con P2EHA. La sostenibilità dell’intero oggetto non può quindi essere dedotta automaticamente dalla presenza del PLA.

Questa è una questione particolarmente importante per un dispositivo progettato proprio per rimuovere plastica dall’acqua: sarebbe necessario verificare che il filtro stesso, dopo centinaia o migliaia di cicli, non diventi una nuova sorgente di particelle.

Anche la formulazione “non-toxic” necessita di una precisazione

La preparazione del P2EHA descritta nella tesi utilizza una soluzione commerciale del polimero in toluene, successivamente diluita con tetrahydrofuran, THF, prima di immergervi i filtri. Dopo il coating, i campioni vengono essiccati a 60 °C overnight per eliminare i solventi residui.

Questo non significa che l’acqua filtrata contenga toluene o THF: il processo prevede esplicitamente la loro evaporazione prima dell’utilizzo. Ma significa che la produzione del filtro non è un processo composto esclusivamente da PLA, acqua e ingredienti innocui.

Prima di utilizzare questa tecnologia su acqua destinata al consumo umano sarebbe necessario quantificare almeno:

• solventi residui;
• eventuale migrazione del P2EHA;
• rilascio di nanoparticelle o frammenti del filtro;
• stabilità del coating;
• compatibilità con detergenti e sanificazione.

Questi aspetti non fanno parte della dimostrazione attuale.

La durabilità è ancora sconosciuta

La domanda forse più importante per un filtro reale è: quanti litri riesce a trattare prima di essere sostituito o rigenerato?

Lo studio non lo ha ancora stabilito. La tesi indica esplicitamente fra i lavori futuri la misura della capacità totale, della reusability e del momento nel quale le prestazioni iniziano a diminuire. Deve essere inoltre studiato come rimuovere dal filtro le microplastiche già catturate e, eventualmente, il coating P2EHA per rigenerare l’elemento.

Questo cambia completamente il calcolo economico.

Un filtro da pochi euro che tratta 20 litri può risultare molto meno interessante di una cartuccia più costosa che ne tratta 20.000. Senza breakthrough curve, pressure drop nel tempo e numero di regeneration cycles non è ancora possibile fare un confronto economico serio.

Anche la capacità adesiva non è infinita: man mano che la superficie viene ricoperta di particelle, diminuiscono i siti disponibili per nuove collisioni.

L’assenza di pompa è invece un vantaggio concreto

Il sistema lavora semplicemente per gravità. Non richiede alta pressione per costringere l’acqua attraverso una membrana molto fine. Questo può diminuire consumo energetico, componentistica e manutenzione.

È probabilmente uno degli aspetti più interessanti per possibili applicazioni decentralizzate o household.

Ma la gravità comporta un compromesso. La tecnologia funziona proprio perché le particelle hanno molte opportunità di incontrare la superficie durante la discesa. Aumentare drasticamente la portata potrebbe ridurre il residence time e cambiare le condizioni fluidodinamiche, diminuendo l’efficienza.

Lo studio non dimostra quindi che una colonna da 39 mm possa essere semplicemente ingrandita a una condotta industriale mantenendo invariato il 90%.

La scale-up richiederà un equilibrio fra:

portata → superficie → altezza → perdita di carico → tempo di contatto.

Ed è proprio qui che la stampa 3D può essere utile, perché permette di modificare sistematicamente la geometria interna.

La libertà geometrica potrebbe valere più del materiale

Un filtro tradizionale viene spesso fabbricato come membrana, schiuma, letto granulare o materiale fibroso. L’additive manufacturing consente invece di progettare intenzionalmente il percorso del fluido.

Si potrebbe, per esempio, cambiare:

• dimensione della griglia;
• offset fra layer;
• numero di layer;
• distanza fra dischi;
• orientamento;
• canali;
• gradienti di porosità.

Non significa che ogni forma complessa migliori automaticamente la filtrazione. Ma permette di trattare la geometria come una variabile ingegneristica e ottimizzarla insieme alla chimica della superficie.

Il dispositivo di Waterloo è ancora relativamente semplice proprio per questo motivo: serve a capire separatamente il contributo di porosità, adhesive coating e column height.

Il 90% non è superiore a tutte le tecnologie disponibili

La comunicazione dell’università parla di “marked improvement over current filtering technologies”, ma presa alla lettera l’affermazione è troppo generale. Diverse tecnologie di trattamento dell’acqua raggiungono rimozioni molto elevate delle microplastiche. Review recenti riportano intervalli nell’ordine del 74-99% per diverse tecniche e sistemi a microfiltrazione, ultrafiltrazione o membrane bioreactor possono raggiungere in determinate condizioni valori prossimi al 100%.

Anche sistemi basati su activated carbon possono avvicinarsi o superare il 90% in configurazioni specifiche.

Il vantaggio competitivo del sistema Waterloo non dovrebbe quindi essere presentato semplicemente come:

“rimuove più microplastiche”.

La proposta più interessante è:

rimuove una quota elevata con un elemento personalizzabile, stampabile, modulare e alimentato dalla sola gravità.

Le membrane che raggiungono percentuali superiori possono infatti soffrire di fouling, richiedere pressione, cleaning e impianti più complessi.

Il confronto con il carbone attivo dipende fortemente dalla dimensione delle particelle

Activated carbon è eccellente per adsorbire moltissime sostanze disciolte, ma una microplastica è una particella e il meccanismo cambia. Entrano in gioco intercettazione, pore filling, interazioni idrofobiche ed elettrostatiche.

La letteratura recente mostra che GAC può raggiungere valori vicini al 90% per alcune microplastiche e che sistemi ibridi possono superare quel valore. Quindi anche la contrapposizione “nuovo filtro 90% contro carbone attivo inefficace” sarebbe eccessivamente semplice.

Piuttosto, il sistema Waterloo introduce un adsorbent geometry progettato digitalmente e modificabile per un particolare problema.

Il test su laundry wastewater sarà particolarmente significativo

Mekonnen cita esplicitamente la lavanderia perché i tessuti sintetici rappresentano una delle sorgenti più intuitive di microfibre. Ma un refluo di lavatrice è molto più complicato della soluzione sperimentale.

Può contenere:

• fibre PET;
• polyamide;
• elastane;
• frammenti di dimensioni molto diverse;
• cotone;
• detergenti;
• surfattanti;
• oli corporei;
• sali;
• altri solidi sospesi.

Questi componenti possono competere con le microplastiche per la superficie adesiva o modificarne la bagnabilità.

Inoltre le fibre hanno una geometria completamente differente da quella dei frammenti di polistirene macinati. Una fibra da 500 µm di lunghezza e pochi micrometri di diametro può comportarsi fluidodinamicamente in modo completamente diverso da una particella quasi sferica da 20 µm.

Per questo il passaggio alla laundry effluent sarà molto più di una semplice ripetizione dell’esperimento con acqua sporca.

Anche il dato sanitario richiede cautela

La presenza di micro- e nanoplastiche è stata documentata in diversi tessuti umani e studi osservazionali hanno trovato associazioni fra la loro presenza e alcuni outcome sanitari. Un importante studio pubblicato sul New England Journal of Medicine nel 2024, per esempio, ha osservato un maggiore rischio di eventi cardiovascolari nei pazienti nei quali micro- e nanoplastiche erano state rilevate nelle placche carotidee.

Ma un’associazione non dimostra che le particelle abbiano causato quegli eventi e lo stesso studio è stato oggetto di discussione metodologica sul possibile rischio di contaminazione.

La valutazione sanitaria delle microplastiche rimane quindi un campo in forte evoluzione. È corretto cercare di ridurne l’esposizione e l’immissione ambientale, ma non è ancora corretto trasformare ogni associazione epidemiologica in una relazione causale consolidata.

La vera innovazione è trasformare una superficie stampata in un materiale funzionale

Il lavoro di Waterloo è interessante anche per una ragione più generale legata alla manifattura additiva. Un normale pezzo FDM viene progettato soprattutto attraverso la propria macrogeometria. Qui invece le proprietà vengono costruite su tre scale contemporaneamente:

millimetri: la griglia e il percorso tortuoso;

micrometri e nanometri: le cavità prodotte rimuovendo PEG;

scala molecolare: l’adesione fornita dal P2EHA.

È un esempio di additive manufacturing nel quale il valore non deriva da una forma spettacolare, ma dall’integrazione fra geometry e surface chemistry.

È anche la ragione per cui non sarebbe semplice ottenere lo stesso risultato stampando venti griglie in PLA commerciale da una macchina desktop. La geometria da sola, nei test, rimuoveva circa il 16%.

Il 90% arriva soltanto dopo la modifica del materiale e della superficie.

Il prossimo passo dovrebbe essere misurare non il picco di efficienza ma la vita utile

La domanda scientifica ormai non è se il sistema riesca a catturare microplastiche: questo è stato dimostrato.

Le domande industriali diventano altre:

quanti litri?

a quale portata?

con quale perdita di carico?

per quanti cicli?

come si rigenera?

cosa rilascia nell’acqua?

quanto costa una cartuccia completa?

come cambia il risultato su reflui reali?

Sono precisamente i dati necessari per capire se la tecnologia sia più adatta a un filtro domestico, a una lavatrice, a un impianto industriale o semplicemente a dimostrare un nuovo principio di surface engineering.

Al 6 ottobre 2026 siamo ancora nella fase di proof of concept scientifica. Non esiste un prodotto commerciale, una cartuccia certificata per drinking water o una durata operativa dichiarata.

Ma il risultato è comunque interessante: con un processo relativamente semplice, i ricercatori sono passati dal 16% di rimozione del filtro stampato quasi “nudo” al 90% della configurazione completa.

Questo mostra che nella filtrazione additiva la parte più importante potrebbe non essere quanto piccolo riesca a stampare l’ugello. Potrebbe essere quanto bene si riescano a progettare percorso del fluido, superficie e interazione chimico-fisica con il contaminante.

Ed è proprio questa combinazione — più della percentuale isolata del 90% — a rendere il lavoro di Waterloo interessante per lo sviluppo futuro di sistemi di trattamento dell’acqua personalizzabili e prodotti tramite additive manufacturing.

Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI).