Adsorbitori 3D a base di Sargassum contro l’eccesso di fosforo
Un gruppo di ricercatori della Florida Atlantic University (FAU) sta sviluppando strutture adsorbenti stampate in 3D con l’obiettivo di rimuovere il fosforo in eccesso dalle acque dolci prima che possa contribuire alla formazione di proliferazioni algali dannose.
Il progetto combina ingegneria ambientale, manifattura additiva, materiali derivati dalle alghe e sistemi di intelligenza artificiale. Come materia prima viene utilizzato il Sargassum, un genere di macroalghe brune presente in grandi quantità nelle acque dell’Atlantico e nelle regioni costiere della Florida e dei Caraibi.
Le strutture vengono modificate con lantanio, elemento caratterizzato da una forte affinità chimica verso i fosfati. L’obiettivo della Florida Atlantic University non è però quello di disperdere direttamente nel lago un materiale adsorbente sotto forma di polvere, ma di trasformarlo in elementi tridimensionali resistenti, porosi e recuperabili.
In questo modo gli adsorbitori potrebbero essere immersi nelle aree dove la concentrazione di fosforo risulta maggiore, lasciati operare per un determinato periodo e successivamente estratti dall’acqua per essere rigenerati, riutilizzati o sottoposti a un trattamento controllato.
Un progetto da 800.475 dollari finanziato dalla U.S. Environmental Protection Agency
Il College of Engineering and Computer Science della Florida Atlantic University ha ricevuto dalla U.S. Environmental Protection Agency un finanziamento di 800.475 dollari per sviluppare il sistema.
Il progetto, della durata di tre anni e avviato il 1° luglio 2026, porta il titolo “AI-Guided Use of 3D-Printed Adsorbents for Phosphate Removal”.
Il responsabile scientifico è Masoud Jahandar Lashaki, professore associato presso il Department of Civil, Environmental and Geomatics Engineering della Florida Atlantic University.
Al progetto partecipano anche Yalan Liu e Mohammed Abdellatef, entrambi docenti dello stesso dipartimento della Florida Atlantic University.
Huichun “Judy” Zhang della Case Western Reserve University partecipa invece come responsabile di una parte delle attività finanziate attraverso un sub-award.
Il programma non punta soltanto allo sviluppo di un nuovo materiale adsorbente. Una parte centrale della ricerca riguarda infatti la definizione della geometria degli elementi stampati in 3D, il controllo della loro porosità e l’individuazione delle zone nelle quali il loro utilizzo può produrre il maggiore effetto sulla qualità dell’acqua.
Perché il fosforo è un problema nei laghi e nei bacini idrici
Fosforo e azoto sono nutrienti presenti naturalmente negli ecosistemi acquatici e sono indispensabili per la crescita di piante e microorganismi.
Il problema nasce quando le quantità immesse nell’ambiente superano la capacità del sistema naturale di utilizzarle e trattenerle.
Scarichi civili, fertilizzanti agricoli, allevamenti, acque meteoriche urbane e sistemi settici possono aumentare la quantità di nutrienti che raggiunge fiumi e laghi.
Quando la disponibilità di fosforo e azoto diventa elevata, alghe e cianobatteri possono moltiplicarsi rapidamente. La conseguenza può essere l’eutrofizzazione dell’acqua, accompagnata da una diminuzione della trasparenza e, durante la decomposizione della biomassa, da un consumo dell’ossigeno disciolto necessario alla fauna acquatica.
Alcune specie di cianobatteri possono inoltre produrre tossine che rappresentano un problema per animali, persone, attività ricreative e sistemi di approvvigionamento idrico.
La tecnologia sviluppata dalla Florida Atlantic University si concentra in particolare sulla rimozione del fosforo e dei fosfati disponibili nell’acqua.
Questo non significa però che la sola riduzione del fosforo possa risolvere ogni problema legato alle proliferazioni algali. Altri studi condotti dalla stessa Florida Atlantic University sul Lake Okeechobee hanno evidenziato che, per controllare in modo efficace determinate proliferazioni di Microcystis, è necessario tenere sotto controllo sia il fosforo sia l’azoto.
Gli adsorbitori stampati in 3D devono quindi essere considerati come un possibile strumento all’interno di una strategia più ampia di gestione dei nutrienti.
Lake Okeechobee come banco di prova
La sperimentazione prevista dalla Florida Atlantic University utilizzerà come principale ambiente di prova il Lake Okeechobee, uno dei più importanti bacini di acqua dolce della Florida.
Il lago ha affrontato per molti anni problemi legati alle elevate concentrazioni di nutrienti e alla comparsa di proliferazioni di cianobatteri.
La sua posizione rende inoltre il problema rilevante anche per altri ecosistemi. L’acqua del Lake Okeechobee è collegata a un sistema di fiumi, canali ed estuari e il trasporto dei nutrienti può quindi produrre effetti anche a notevole distanza dal lago.
Per questo motivo ridurre la quantità di fosforo disponibile nell’acqua e nei sedimenti costituisce uno degli obiettivi delle strategie di gestione ambientale dell’area.
Dal Sargassum a un materiale adsorbente
Uno degli aspetti più interessanti del progetto riguarda l’utilizzo del Sargassum come materia prima.
Il Sargassum è una macroalga bruna galleggiante che costituisce una componente naturale degli ecosistemi dell’Atlantico. Grandi accumuli possono tuttavia raggiungere le coste, creando problemi di gestione della biomassa depositata sulle spiagge.
La Florida Atlantic University vuole trasformare questo materiale biologico in una piattaforma utilizzabile per la depurazione dell’acqua.
L’approccio si inserisce in una linea di ricerca che studia la possibilità di valorizzare biomasse algali trasformandole in materiali destinati ad applicazioni ambientali, invece di considerarle esclusivamente come materiale da smaltire.
La biomassa può essere trattata e modificata chimicamente in modo da ottenere superfici capaci di interagire con determinate sostanze presenti nell’acqua.
Nel progetto della Florida Atlantic University questa capacità viene rafforzata mediante l’utilizzo del lantanio.
Il ruolo del lantanio nella cattura dei fosfati
Il lantanio appartiene al gruppo degli elementi comunemente classificati come terre rare ed è noto per la sua capacità di legarsi ai fosfati.
Quando il materiale contenente lantanio viene messo a contatto con acqua contenente fosfato, possono formarsi composti molto stabili.
Le precedenti ricerche della Florida Atlantic University hanno osservato la formazione di rhabdophane, un fosfato di lantanio idrato nel quale il fosforo viene immobilizzato.
Questa reazione è alla base dell’elevata capacità adsorbente dei materiali modificati con lantanio.
L’adsorbimento va distinto dall’assorbimento. Nel primo caso le specie chimiche presenti nell’acqua vengono trattenute principalmente sulla superficie del materiale; nel secondo penetrano maggiormente nel volume del materiale stesso.
Per questo motivo la quantità di superficie accessibile all’acqua rappresenta un parametro importante nella progettazione di un adsorbitore.
È proprio in questo punto che la stampa 3D può offrire un vantaggio.
Perché utilizzare la stampa 3D
Trasformare un materiale adsorbente in un oggetto tridimensionale consente ai ricercatori della Florida Atlantic University di progettare la geometria con un livello di controllo difficile da ottenere utilizzando semplicemente polveri o granuli.
La struttura può essere costruita con canali, reticoli e porosità differenti.
L’acqua può quindi attraversare l’elemento invece di entrare in contatto soltanto con la sua superficie esterna.
La progettazione deve trovare un equilibrio tra esigenze differenti. Una struttura molto aperta facilita il passaggio dell’acqua, mentre una superficie interna elevata aumenta le zone disponibili per l’adsorbimento.
Allo stesso tempo il componente deve possedere sufficiente resistenza meccanica per essere movimentato, installato e recuperato senza disgregarsi nell’ambiente.
Queste esigenze rendono la manifattura additiva uno strumento interessante per trasformare un materiale adsorbente in un dispositivo utilizzabile sul campo.
La Florida Atlantic University punta infatti a strutture con porosità controllabile, buona circolazione dell’acqua e caratteristiche meccaniche sufficienti per consentirne il recupero.
Il limite delle polveri adsorbenti
I materiali adsorbenti a base di lantanio possono essere utilizzati sotto forma di polvere, ma questa configurazione presenta alcuni problemi quando viene applicata direttamente a laghi e corsi d’acqua.
Le particelle possono depositarsi nei sedimenti e diventare difficili da recuperare.
La Florida Atlantic University vuole evitare questa condizione incorporando il materiale attivo all’interno di strutture tridimensionali macroscopiche.
L’idea è semplice: mantenere la capacità chimica di catturare il fosfato, ma racchiuderla in un oggetto che possa essere posizionato e successivamente rimosso.
La possibilità di recuperare l’adsorbitore consente inoltre di controllare meglio il materiale contenente lantanio e di studiare processi di rigenerazione.
Se questa strategia funzionerà su scala ambientale, potrebbe ridurre anche la quantità di rifiuti generati durante il trattamento delle acque.
I risultati che hanno preceduto la versione stampata in 3D
Il progetto attuale nasce da una serie di esperimenti condotti dalla Florida Atlantic University sui materiali adsorbenti derivati dalla biomassa algale.
In uno studio precedente, i ricercatori hanno utilizzato biomassa di cianobatteri raccolta nel Lake Okeechobee e l’hanno trasformata in carbone attivo modificato chimicamente.
Per l’attivazione sono stati sperimentati trattamenti con cloruro di lantanio e cloruro di zinco.
I materiali modificati con cloruro di lantanio hanno raggiunto nei test di laboratorio una rimozione del fosforo superiore al 99% anche con concentrazioni iniziali fino a 20 milligrammi per litro.
Una delle formulazioni studiate dalla Florida Atlantic University ha inoltre raggiunto circa il 90% di rimozione utilizzando 0,2 grammi di adsorbente per litro di acqua contaminata e un tempo di contatto di 30 minuti.
La sintesi di questo materiale poteva essere completata in circa tre minuti mediante un processo di riscaldamento a microonde.
Questi valori derivano da esperimenti controllati e non devono essere trasferiti automaticamente alle prestazioni che si potranno ottenere in un grande lago.
Le condizioni reali sono molto più complesse: correnti, sedimenti, materia organica, variazioni di pH, temperatura, concentrazione dei nutrienti e presenza di altre specie chimiche possono modificare il comportamento dell’adsorbitore.
La nuova fase di ricerca serve proprio a verificare come trasferire i risultati del laboratorio a dispositivi tridimensionali utilizzabili sul campo.
Dalle polveri alle strutture recuperabili
Un altro finanziamento ricevuto dalla Florida Atlantic University dal Florida Department of Environmental Protection aveva già posto al centro della ricerca il passaggio dalle polveri a elementi stampati in 3D.
Il programma, finanziato con 600.379 dollari, prevede lo sviluppo di strutture durevoli e recuperabili destinate alla rimozione del fosforo dalle acque superficiali della Florida.
In quel progetto i ricercatori hanno indicato la possibilità di regolare porosità e caratteristiche di flusso degli elementi stampati.
Le strutture possono essere immerse direttamente nell’acqua, lasciando passare il liquido attraverso i canali interni.
Una volta raggiunta la capacità di adsorbimento prevista, possono essere estratte e sottoposte a rigenerazione o riciclo.
I test previsti dal programma del Florida Department of Environmental Protection comprendono anche sperimentazioni in diversi bacini situati nel campus della Florida Atlantic University a Boca Raton.
Il finanziamento della U.S. Environmental Protection Agency estende questa impostazione e introduce in modo più ampio l’intelligenza artificiale per gestire sia la formulazione dei materiali sia il loro impiego nell’ambiente.
L’intelligenza artificiale per scegliere materiali e punti di installazione
Nel progetto coordinato da Masoud Jahandar Lashaki, l’intelligenza artificiale non viene utilizzata per sostituire il processo di stampa 3D, ma per analizzare un numero elevato di variabili.
I ricercatori della Florida Atlantic University intendono utilizzare algoritmi di AI e machine learning per individuare le formulazioni degli adsorbitori con le prestazioni più interessanti.
Il sistema dovrà mettere in relazione composizione del materiale, geometria, porosità e capacità di catturare i fosfati.
Esiste inoltre un secondo livello di ottimizzazione: capire dove posizionare gli adsorbitori.
Distribuire dispositivi in modo uniforme in un lago molto esteso potrebbe infatti risultare inefficiente e costoso.
L’obiettivo è individuare le zone nelle quali gli apporti di nutrienti o le condizioni ambientali rendono l’intervento più utile.
Per costruire questi modelli, la Florida Atlantic University prevede di combinare dati sulla qualità dell’acqua con informazioni meteorologiche, uso del territorio, applicazione di fertilizzanti, attività di allevamento e presenza di sistemi settici.
L’AI dovrebbe quindi aiutare a trasformare l’adsorbitore da semplice materiale passivo a componente di una strategia di gestione territoriale basata sui dati.
Monitoraggio con campionamenti, dati pubblici e droni
Durante le prove sul Lake Okeechobee, la Florida Atlantic University intende misurare l’evoluzione della qualità dell’acqua e verificare se l’impiego degli adsorbitori produce variazioni misurabili.
Il programma comprende campionamenti diretti, utilizzo di dati ambientali pubblici e monitoraggio mediante velivoli senza pilota.
Tra i parametri di interesse rientrano concentrazione dei nutrienti, trasparenza dell’acqua e andamento delle proliferazioni algali.
L’utilizzo dei droni può fornire informazioni sulla distribuzione spaziale delle condizioni superficiali, mentre le analisi di laboratorio permettono di ottenere dati chimici più precisi dai campioni raccolti.
I dati prodotti dal progetto dovrebbero essere resi disponibili attraverso il Water Quality Exchange della U.S. Environmental Protection Agency.
Questo passaggio può risultare utile anche per gruppi di ricerca e amministrazioni che intendano valutare applicazioni analoghe in altri bacini.
Rigenerazione e riutilizzo degli adsorbitori
Uno dei vantaggi teorici della struttura stampata in 3D riguarda la possibilità di recuperare il materiale al termine del ciclo di utilizzo.
Un sistema realmente riutilizzabile deve però dimostrare che la rigenerazione non riduca in modo eccessivo la capacità di adsorbimento.
I ricercatori dovranno quindi valutare quanti cicli di utilizzo e rigenerazione possano essere sostenuti prima che il materiale debba essere sostituito.
Dovranno essere studiati anche il comportamento meccanico dopo una permanenza prolungata in acqua, l’eventuale crescita di organismi sulla superficie e l’accumulo di sedimenti nei pori.
La geometria stampata può essere modificata proprio sulla base di queste osservazioni.
Canali più ampi potrebbero ridurre il rischio di intasamento, mentre strutture più fini potrebbero aumentare la superficie disponibile per l’adsorbimento.
La produzione additiva permette di sperimentare queste variazioni senza dover costruire ogni volta strumenti e stampi completamente nuovi.
Verso adsorbitori multifunzionali
La ricerca della Florida Atlantic University considera anche la possibilità di utilizzare le strutture 3D come piattaforme per differenti materiali funzionali.
Il lantanio può essere impiegato per la cattura dei fosfati, ma altri materiali potrebbero essere integrati nello stesso componente.
Tra le opzioni indicate dal gruppo di ricerca figurano il carbone attivo per determinate sostanze organiche e materiali a scambio ionico destinati alla rimozione di composti contenenti azoto.
In prospettiva, una singola struttura stampata potrebbe quindi svolgere più funzioni.
Questa possibilità è particolarmente interessante alla luce degli studi sul Lake Okeechobee che indicano la necessità di gestire contemporaneamente più nutrienti.
La realizzazione di un adsorbitore multifunzionale richiede però di verificare che i differenti materiali non interferiscano tra loro e che la struttura mantenga un flusso d’acqua adeguato.
Un approccio che unisce economia circolare e trattamento delle acque
L’impiego del Sargassum introduce anche un elemento legato alla valorizzazione della biomassa.
In alcune aree costiere grandi quantità di queste alghe devono essere raccolte e gestite. Trasformare parte della biomassa in materiali per il trattamento delle acque potrebbe creare una catena di utilizzo diversa dal semplice smaltimento.
Il progetto della Florida Atlantic University tenta quindi di collegare due problemi ambientali: la gestione della biomassa algale e l’eccesso di nutrienti nelle acque.
La reale sostenibilità del processo dovrà però essere valutata considerando l’intero ciclo produttivo.
Raccolta e trasporto del Sargassum, preparazione della biomassa, trattamento chimico con lantanio, produzione degli elementi mediante stampa 3D, recupero, rigenerazione e gestione del materiale a fine vita hanno tutti un consumo di energia e risorse.
Una valutazione industriale completa dovrà quindi confrontare questi costi con quelli dei sistemi tradizionali di rimozione del fosforo.
Cosa deve ancora dimostrare la sperimentazione
Il passaggio dal laboratorio al Lake Okeechobee è probabilmente la fase più importante del programma della Florida Atlantic University.
I risultati superiori al 99% ottenuti nei precedenti test sui materiali algali modificati con lantanio mostrano la capacità chimica dell’adsorbente, ma una struttura utilizzata in acqua aperta deve affrontare condizioni molto differenti.
Dovranno essere misurate la capacità di adsorbimento in presenza di materia organica naturale, la durata del materiale, la velocità con cui l’acqua attraversa la struttura, il comportamento nei sedimenti e la stabilità chimica del lantanio.
Anche la possibilità di recuperare e rigenerare gli elementi dovrà essere verificata su un numero sufficiente di cicli.
Un altro aspetto sarà il costo per unità di fosforo rimosso. Una soluzione ambientalmente efficace deve infatti essere compatibile con le dimensioni dei bacini nei quali si vuole intervenire.
La stampa 3D permette di progettare strutture complesse, ma la produzione di migliaia o milioni di elementi richiede valutazioni differenti rispetto alla realizzazione di pochi prototipi.
La stampa 3D come strumento per progettare il trattamento dell’acqua
Il progetto della Florida Atlantic University mostra un utilizzo della manifattura additiva diverso dalla produzione tradizionale di componenti meccanici.
In questo caso la geometria stampata diventa parte del funzionamento chimico del sistema.
Forma, superficie, porosità e percorso dell’acqua possono essere progettati insieme alla composizione del materiale per migliorare il contatto tra il fosfato disciolto e le zone contenenti lantanio.
L’intelligenza artificiale aggiunge un ulteriore livello, perché permette alla Florida Atlantic University di studiare sia quale adsorbitore produrre sia dove utilizzarlo.
Il risultato atteso non è quindi soltanto un nuovo materiale, ma un sistema integrato composto da biomassa algale trasformata, manifattura additiva, chimica di adsorbimento, monitoraggio ambientale e analisi dei dati.
Le sperimentazioni del progetto finanziato dalla U.S. Environmental Protection Agency dovranno stabilire se questa combinazione sarà in grado di mantenere su scala reale l’efficienza osservata negli studi di laboratorio e se le strutture potranno essere recuperate, rigenerate e utilizzate con costi compatibili con la gestione di grandi sistemi idrici.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
