Descrizione del modulo "Sviluppo di una nuova generazione di membrane per Reattori Biologici a membrana (MBR) bioreattori a membrana (PM.P02.008.003)"

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  • Descrizione del modulo "Sviluppo di una nuova generazione di membrane per Reattori Biologici a membrana (MBR) bioreattori a membrana (PM.P02.008.003)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Il miglioramento della tecnologia MBR, mediante la preparazione di una nuova generazione di membrane (NF MBR), consentirà il riutilizzo dell'acqua ad esempio per l'irrigazione in zone rurali e remote comportando benefici alle popolazioni afflitte dal problema di scarsità d'acqua e più povere. La purificazione di correnti acquose avrà effetti positivi sia in termini di impatto ambientale che di salvaguardia della salute pubblica. Le membrane prodotte potranno essere impiegate per applicazioni che vanno dal trattamento delle acque reflue che per il riciclo di acque contaminate all'interno di cicli produttivi industriali. (literal)
Tematiche di ricerca
  • Le principali tematiche della ricerca saranno: 1.Preparazione e caratterizzazione di membrane con specifiche proprietà per bio-reattori a membrana immersi e in processi come la pervaporazione e nanofiltrazione per la rimozione di inquinanti dalle acque o da soluzioni organiche. 2. Preparazione e ottimizzazione di membrane impiegando nuovi polimeri e tecniche di funzionalizzazione come ad esempio la sintesi di cationi a base di sali di ammonio da utilizzare in polimerizzazioni in microemulsione. 3. Sintesi di nuovi \"filler\" con attività antimicrobica, come ad esempio, i) la sintesi di complessi POM caratterizzati dalla presenza di ioni redox attivi e/o attività fotocatalitica e antibatterica; ii) la preparazione e la caratterizzazione di materiali ibridi, che consistono in nanoparticelle di chitosano in grado di incapsulare complessi POM. 4. Applicazione delle membrane realizzate nella tecnologia dei bio-reattori a membrana (MBR) e ottimizzazione del processo stesso. 5. Approcci computazionali mirati allo studio delle proprietà permeoselettive di nanostrutture utlizzate per la preparazione di membrane innovative. (literal)
Competenze
  • I ricercatori che sono coinvolti nello svolgimento del presente modulo sono esperti nei diversi campi di ricerca di interesse per il progetto in questione e riguardano: -Competenze in chimica e scienza dei materiali per la definizione ed ottimizzazione del protocollo di preparazione e caratterizzazione delle nuove membrane. -Competenze nella sintesi di composti organici (tensioattivi polimerizzabili) e/o antimicrobici da usarsi come \"filler\" nella preparazione delle membrane. - competenze nella preparazione e caratterizzazione dei complessi POM, anche su scala di diversi grammi, e dei materiali ibridi per il loro incapsulamento. Le principali competenze messe in campo riguardano la sintesi inorganica, e l'uso di tecniche di analisi in soluzione dei complessi inorganici e procedure di assembly dei POM con chitosano (gelificazione ionica) o con sali di ammonio (scambio ionico). -Conoscenze delle membrane e applicazioni delle stesse nei campi di interesse per la conduzione di delle prove sperimentali. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Le membrane prodotte nell'ambito del presente lavoro saranno di particolare interesse sia per le aziende rivolte coinvolte nel trattamento delle acque ma anche in quelle coinvolte nella produzione di membrane polimeriche. L'impiego di materiali polimerici innovativi nella preparazione delle membrane (ad esempio resistenti a solventi organici) può aprire nuove possibilità di utilizzo delle stesse membrane in nuovi settori industriali in cui le membrane non erano di solito impiegate. (literal)
Tecnologie
  • Il lavoro sperimentale, relativo alla preparazione di nuove membrane sintetiche è stato effettuato in parallelo con lo studio teorico. In particolare lo studio teorico e computazionale, basato su accurati approcci quantistici, si è focalizzato sull'analisi di alcune caratteristiche fondamentali che controllano le proprietà permeo-selettive ed anti-fouling di nuove nano-strutture ed impegnate nella sintesi delle membrane. Tale analisi riveste un ruolo cruciale per l'ottimizzazione del lavoro sperimentale. Per l'ottimizzazione della sintesi surfattanti cationici polimerizzabili, si è sperimentata una procedura che prevede l'irraggiamento in forno a microonde monomodale per laboratorio, con lo scopo di aumentare resa e selettività di reazione. (literal)
Obiettivi
  • -Sviluppo di una nuova classe di membrane funzionalizzate, a ridotto sporcamento, per i bio-reattori a membrana (NF MBR) con elevati flussi all'acqua ed elevata reiezione delle sostanze organiche con basso peso molecolare. -Sviluppo di nuove membrane a base di materiali fluorurati resistenti a sostanze chimiche aggressive. - Mantenimento/amplificazione dell'attività antibatterica dei materiali iniziali, una volta integrati nel materiali compositi/ibridi finali - Modellazione di innovative nano-strutture al fine di migliorare sia le membrane prodotte che l'ottimizzare il processo. - Caratterizzazione, su scala laboratorio, delle membrane preparate per valutarne le prestazioni. -Dimostrazione della fattibilità e utilizzo delle membrane e prototipi prodotti sulla base delle richieste degli \"end-users\". -Dimostrazione delle possibili applicazioni degli MBR, con le nuove membrane prodotte, per il trattamento delle acque, in collaborazione con industrie nei paesi del bacino del mediterraneo. (literal)
Stato dell'arte
  • Il mercato della tecnologia dei bio-reattori a membrana (MBR), a livello europeo, è dominato da due principali produttori (Canada e Giappone). Da qui l'interesse dell'Europa a partecipare attivamente e ad investire sulla sua crescita. Infatti, nonostante la comunità scientifica europea stia svolgendo un ruolo fondamentale nel suo sviluppo, i punti da risolvere restano la frammentazione della conoscenza e una scarsa azione congiunta a livello Europeo. I bio-reattori a membrana derivano dall'accoppiamento del tradizionale processo biologico a microfiltrazione o ultrafiltrazione. In questo sistema, a differenza del tradizionale sistema di depurazione a fanghi attivi, la separazione dei fanghi dal permeato non avviene mediante l'unità di sedimentazione ma attraverso filtrazione con moduli a membrana. Il principale limite nello sviluppo di tale tecnologia riguarda lo sporcamento delle membrane. Approcci computazionali ab-inizio applicati allo studio dei materiali utilizzati per la preparazione delle membrane oppure l'analisi dei meccanismi di trasporto permeo-selettivi a livello molecolare non è stata ancora analizzata approfonditamente. (literal)
Tecniche di indagine
  • - Le proprietà dei materiali e le membrane stesse prodotte sono studiate mediante analisi dell'IR e DSC. Per la caratterizzazione dei diversi building block, sono state prevalentemente applicate indagini di NMR eteronucleare (183W, 51V NMR). La natura delle interazioni tra chitosano e POM, la dimensione delle particelle, la loro stabilità e le condizioni ottimali di preparazione, è stato valutata utilizzando lo strumento \"Z-Sizer\" (misure di Dynamic Light Scattering e di Z-potential). - Le membrane preparate sono caratterizzate per la determinazione della dimensione e distribuzione dei pori (porosimetro) porosità e determinazione del loro \"cut-off\" con Gel Permeation Cromatography (GPC) e della loro distribuzione. L'analisi morfologica è condotta mediante AFM e SEM. Il grado di idrofobicità/idrofilicità valutato attraverso misure di angolo di contatto all'acqua. Inoltre, sono state effettuate misure di permeabilità all'acqua e prove di resistenza meccanica. - La strumentazione di analisi (spettrofotometro, ICP) si utilizza al fine di monitorare la variazione di concentrazione nelle correnti trattate e, dunque, di calcolare l'efficienza dei processi esaminati. (literal)
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