Le membrane nanocomposite adsorbenti rappresentano una tecnologia avanzata per il trattamento delle acque reflue contaminate da metalli pesanti che prevede la combinazione delle tecniche di adsorbimento e filtrazione su membrana. Tale sistema garantisce prestazioni significativamente migliorate grazie agli effetti sinergici dei due processi. La membrana nanocomposita adsorbente è ottenuta dalla dispersione di adsorbenti di dimensioni nanometriche come ossidi metallici, materiali a base di carbonio, zeoliti e strutture organiche metalliche (MOF) in membrane polimeriche \citep{NASIR201996}. Lo scopo principale dell’utilizzo dei nanocompositi è quello di migliorare le prestazioni della membrana polimerica in termini di permeabilità e selettività \citep{ZIMMERMAN1997145}. In particolare, le membrane a base di nanomateriali (NMs) sono più efficaci delle membrane convenzionali per quanto riguarda l'idrofilia, la rugosità superficiale, la stabilità termica, la stabilità idraulica, la maggiore permeabilità all'acqua e la maggiore selettività. Inoltre, risultano essere efficaci nella riduzione del fenomeno del fouling \citep{LV2018765,naddeo2020}. Nonostante i progressi nell'applicazione di bioreattori a membrana basati sull’utilizzo di membrane costituite da nanomateriali (NMs-MBR) per il trattamento delle acque reflue, ci sono sfide da affrontare per accelerare l'applicazione di tale tecnologia. È necessario considerare le possibili minacce ambientali che possono essere associate a tale utilizzo. La lisciviazione di nanomateriali in ambienti acquatici può verificarsi durante il processo di adsorbimento-filtrazione, durante il processo di sintesi della membrana stessa e a causa dello smaltimento inappropriato delle membrane utilizzate. I nanomateriali così rilasciati possono essere assorbiti da vari organismi acquatici e potrebbero potenzialmente rappresentare un rischio sia per la salute umana che per l’ambiente. Inoltre, la lisciviazione potrebbe influire negativamente sulle prestazioni del processo e sulla durabilità della membrana. Tale aspetto svantaggioso potrebbe essere contenuto fissando i nanomateriali alla membrana con metodi adeguati, come l'innesto chimico. Un ulteriore limite è legato al fatto che, attualmente, la maggior parte degli studi di ricerca sono effettuati su impianti a scala di laboratorio, dunque con condizioni differenti rispetto a quelle reali. Ad esempio, nei sistemi idrici reali sono presenti vari tipi di inquinanti organici e inorganici che potrebbero ridurre la selettività dei siti attivi di adsorbimento nei confronti degli ioni di metalli pesanti. Risulta dunque necessario approfondire la tecnologia con ulteriori studi al fine di avviare la transizione da scala di laboratorio a scala reale, individuando metodi avanzati per la produzione economica di NMs su larga scala e garantendo condizioni che consentano di mantenere i potenziali benefici e superare efficacemente gli ostacoli registrati negli studi in laboratorio \citep{NASIR201996,naddeo2020}.
Basandosi su quanto presente in letteratura, \citet{ABDULKAREM2021128896} hanno ipotizzato che le nanoparticelle alfa-zirconio fosfato (α-ZrP) possano essere incorporate in membrane a matrice mista (MMM) per rimuovere metalli pesanti da soluzioni acquose sostenendo bassi costi operativi. Le eccezionali proprietà delle nanoparticelle α-ZrP, come le elevate capacità di scambio ionico, l'elevata biocompatibilità e la capacità di intrappolare diversi tipi di molecole di dimensioni differenti, le rendono un buon materiale di assorbimento nei processi di trattamento delle acque reflue. In particolare, sono state realizzate membrane a matrice mista polivinilidenfluoruro-alfa-zirconio fosfato (PVDF-α-ZrP) tramite il metodo di inversione di fase (NIPS method), incorporando nanoparticelle idrofile α-ZrP nella membrana idrofobica in polivinilidenfluoruro (PVDF). Queste membrane hanno garantito buone efficienze di rimozione di tracce di metalli pesanti da acque reflue sintetiche, risultando altamente selettive nei confronti di ioni di piombo e rame. Inoltre, le MMM in PVDF- α-ZrP hanno garantito tassi di incrostazione inferiore rispetto alla sola membrana PVDF, dimostrandosi una tecnologia efficace anche in termini di minore propensione al fouling.

Conclusioni

L'utilizzo dell'acqua implica il suo successivo inquinamento: qualsiasi attività, sia essa domestica, agricola o industriale, produce effluenti contaminati. Lo smaltimento incontrollato di acque contenenti metalli pesanti rappresenta un rischio significativo sia per l’uomo che per gli ecosistemi. Tra le tecniche di trattamento impiegate per la loro rimozione rientrano: precipitazione chimica, scambio ionico, adsorbimento, filtrazione su membrane e processi elettrochimici. Al fine di incrementare le efficienze di rimozione e superare i limiti dei processi convenzionali, la combinazione di più tecniche di trattamento rappresenta un’ottima strategia. Ad esempio, la combinazione di processi elettrochimici e adsorbimento consente di ottenere un sistema ibrido EC-AD che incrementa la rimozione dei metalli pesanti dalle acque reflue. L’ultrafiltrazione, invece, non è un processo efficace a tale scopo a causa delle minori dimensioni di questi contaminanti rispetto ai pori delle membrane UF. Le tecniche MEUF e PEUF, basate sull’aggiunta di tensioattivi e agenti complessanti nell’acqua reflua da trattare con membrana UF, consentono di superare questo limite ottenendo elevate efficienze di rimozione dei metalli pesanti. L’impiego di membrane nanocomposite adsorbenti migliora le prestazioni e il controllo del fouling rispetto ai sistemi che prevedono l’utilizzo di membrane convenzionali.
I trattamenti avanzati rappresentano una soluzione tecnica per ottenere dalle acque reflue effluenti di elevata qualità rimuovendo metalli pesanti, agenti patogeni, contaminanti convenzionali ed emergenti. Ne consegue che tali effluenti possono essere destinati a riutilizzo, nell’ottica di un approccio conforme con i principi dell’economia circolare e dello sviluppo sostenibile.