Monoliti geopolimerici stampati in 3D: prove di durata e rimozione del cadmio nelle acque reflue
Il problema: perché il cadmio nelle acque è una priorità ambientale
Il cadmio (Cd) è un contaminante di grande interesse per la gestione delle acque perché può essere presente negli scarichi industriali e, una volta in ambiente acquatico, tende a essere mobile e bioaccumulabile. Le schede OMS dedicate ai contaminanti chimici dell’acqua potabile includono il cadmio tra le sostanze monitorate e riportano valutazioni sanitarie e valori guida/di riferimento utilizzati nei processi di regolazione. A livello di pericolosità, l’Agenzia Internazionale per la Ricerca sul Cancro (IARC) ha classificato “cadmio e composti del cadmio” come carcinogeni per l’uomo (Gruppo 1) in valutazioni storiche ampiamente citate.
Adsorbimento: efficace, ma spesso scomodo nella pratica industriale
Per rimuovere ioni metallici come Cd²⁺ si usano diverse tecniche (precipitazione chimica, scambio ionico, membrane, ecc.), ma l’adsorbimento resta molto diffuso perché consente di lavorare anche a concentrazioni relativamente basse e con impianti modulari. Il punto critico è che molti adsorbenti funzionano bene in polvere o in granuli ma poi diventano difficili da gestire: recupero del materiale, perdite di carico, canalizzazioni del flusso, intasamenti e rigenerazioni che stressano meccanicamente i letti di adsorbimento.
L’idea del lavoro: dal “letto di granuli” a un letto strutturato stampato in 3D
Uno studio pubblicato su Scientific Reports ha valutato una soluzione che prova a risolvere proprio il tema “processo/impianto”: usare monoliti geopolimerici con geometria controllata, stampati in 3D, come letto adsorbente in colonna. Il lavoro è firmato da Shabnam Siddiqui, Chikkanayakanahalli Ramaiah Ramakrishnaiah, Srinath Suranani e Yalachigere Kempaiah Suneetha, con attività svolte presso istituzioni di ingegneria in India (Bengaluru e Warangal), e confronta i monoliti con sfere (beads) geopolimeriche ottenute con la stessa formulazione per rendere il confronto il più “equo” possibile.
Che cosa sono i geopolimeri (qui: a base metacaolino) e perché adsorbono metalli
Nel lavoro vengono utilizzati geopolimeri a base metacaolino, cioè materiali alluminosilicatici attivati alcalinamente. Il motivo per cui questi sistemi sono studiati anche come adsorbenti è legato alla loro struttura: una rete alluminosilicatica che può presentare cariche negative compensate da cationi scambiabili, con meccanismi di scambio ionico e complessazione superficiale utili per trattenere ioni come Cd²⁺.
Come sono stati realizzati i monoliti: Direct Ink Writing e porosità “ingegnerizzata”
La parte distintiva dello studio è la fabbricazione tramite Direct Ink Writing (DIW), cioè estrusione di un impasto che solidifica/cura mantenendo la forma. Nel paper si descrive una formulazione con additivi per ottenere reologia stampabile e resistenza meccanica: tra gli ingredienti citati c’è xanthan gum per modulare il comportamento viscoso e una quota di caolino come legante. Per aumentare la porosità viene aggiunto perossido di idrogeno (H₂O₂) come agente schiumogeno, così da generare una rete di pori interconnessi pur mantenendo la stampabilità. La geometria stampata è di tipo reticolare (lattice) con infill rettilineo, pensata per controllare percorso del fluido e area di contatto.
Il confronto “a parità di chimica”: beads e monoliti con lo stesso geopolimero
Per capire quanto conti la forma (monolite vs letto di sfere) più che il materiale, lo studio prepara anche beads geopolimeriche ottenute da estrusione e formatura, e utilizza una parte del materiale in polvere per test in batch. Questa impostazione permette di isolare meglio l’effetto della struttura del letto: distribuzione dei vuoti, percorsi del flusso, diffusione intraparticellare e stabilità durante le rigenerazioni.
Test in batch: pH, isoterme e capacità massima
Nelle prove in batch, lo studio individua condizioni operative favorevoli alla rimozione del cadmio e riporta un comportamento coerente con l’isoterma di Langmuir (indicazione di adsorbimento a monostrato) con buona bontà di adattamento; per il materiale in polvere viene riportata una capacità massima dell’ordine di 87,1 mg/g. Vengono anche discussi modelli cinetici (pseudo-secondo ordine) come indicazione di un contributo importante di chemisorbimento nei meccanismi di rimozione.
Test in colonna: portata, altezza del letto e curve di breakthrough
Per valutare uno scenario più vicino all’impianto, lo studio passa a test dinamici in colonna, variando parametri come altezza del letto e portata. In queste prove si confrontano stack di monoliti stampati e letti di beads, e si analizzano le curve di breakthrough con modelli standard per colonne adsorbenti, incluso il Thomas model. In termini di capacità dinamica massima, i beads risultano leggermente superiori (37,5 mg/g beads vs 35,9 mg/g monoliti), ma i monoliti mostrano vantaggi legati a comportamento del flusso e trasferimento di massa.
Perché i monoliti possono aiutare: trasferimento di massa e controllo del flusso
Il risultato interessante non è tanto “chi adsorbe di più” in assoluto, quanto la qualità del funzionamento in colonna. Lo studio riporta per i monoliti una zona di trasferimento di massa più corta e segnali di flusso più uniforme, aspetti che in un impianto reale possono tradursi in maggiore prevedibilità delle prestazioni, minore rischio di canalizzazioni e una gestione più semplice della caduta di pressione. In parallelo, l’uso di una struttura stampata consente di progettare geometrie e porosità in funzione dell’applicazione.
Rigenerazione: il punto forte è la durata meccanica
Il passaggio più “industriale” riguarda la rigenerazione. Nel lavoro, le beads iniziano a degradarsi (cracking) dopo poche sequenze di adsorbimento/desorbimento, mentre i monoliti stampati mantengono integrità strutturale e prestazioni per otto cicli consecutivi. In un’ottica di costo totale di esercizio, la stabilità in rigenerazione pesa quanto (o più di) qualche punto percentuale di capacità: meno sostituzioni del letto, meno perdite di materiale, meno fermi impianto e più facilità nel maneggiare un unico corpo monolitico rispetto a una massa di granuli.
Contesto regolatorio ed ecologico: limiti e protezione degli ecosistemi
Oltre alla dimensione sanitaria, il cadmio è rilevante anche per gli ecosistemi acquatici. Esistono criteri e riferimenti tecnici dedicati alla protezione della vita acquatica e alla gestione della presenza di cadmio in acqua. Anche se criteri e limiti variano per giurisdizione e matrice, la disponibilità di documenti dedicati indica quanto la gestione del cadmio sia un tema stabile per la regolazione ambientale.
Che cosa cambia per l’additive manufacturing: valore “di processo”, non solo di materiale
La lezione più generale è che la stampa 3D, in questo caso, non serve a creare un “nuovo materiale”, ma a progettare un componente funzionale (il letto adsorbente) che riduce problemi operativi: controllo del flusso, robustezza, rigenerabilità. In parallelo, il fatto che il geopolimero sia basato su precursori relativamente comuni e che l’approccio punti a eliminare separazioni downstream tipiche degli adsorbenti in polvere rende il filone interessante per chi progetta impianti compatti o modulari di trattamento reflui industriali.
