SELWA
SELf-cleaning ceramic membranes for Water and Agro-food by-products processing based on innovative materials and construction strategies
Responsabile: Pietro Galizia
Personale coinvolto: Elisa Mercadelli, Carlo Baldisserri, Davide Gardini
Data di inizio: 28/09/2023
Durata: 29 mesi
Costo totale: 345 280,00 €
Finanziamento totale: 208 480,00 €
Bando: PIANO NAZIONALE DI RIPRESA E RESILIENZA (PNRR) Missione 4 “Istruzione e Ricerca” – Componente C2 Investimento 1.1, “Fondo per il Programma Nazionale di Ricerca e Progetti di Rilevante Interesse Nazionale (PRIN)” PRIN 2022 – D.D. 104 del 02/02/2022
Ruolo CNR: Coordinatore
Coordinatore: Pietro Galizia (CNR-ISSMC)
Consorzio: CNR-ITM; CNR-ISM; Politecnico di Milano
Il progetto mira a contribuire ad una svolta tecnologica nel trattamento delle acque e/o delle acque reflue agroalimentari. L’obiettivo è sviluppare nuove strutture ceramiche porose con proprietà piezoelettriche e antivegetative da applicare come membrane per la microfiltrazione. Il miglioramento delle proprietà antivegetative sarà raggiunto ottimizzando l’architettura e sfruttando l’effetto piezoelettrico, ovvero la possibilità di mettere in vibrazione le membrane applicando un campo elettrico alternato. Le strutture delle membrane ceramiche basate su materiali piezoelettrici possono generare ultrasuoni dall’interno del materiale durante la filtrazione per prevenire i depositi di materiale. Tale risultato sarà ottenuto garantendo atossicità, elevate prestazioni piezoelettriche, resistenza contro ambienti corrosivi e selettività e produttività a lungo termine con un’elevata concentrazione di alimentazione. Le sfide vengono affrontate seguendo un approccio interdisciplinare strutturato in tre fasi:
(i) progettazione delle architetture delle membrane e dei loro processi di fabbricazione per produrre materiali piezoelettrici senza piombo e membrane con microstrutture ingegnerizzate su misura per la microfiltrazione;
(ii) test delle membrane ceramiche in ambienti pertinenti per studiarne le prestazioni in termini di produttività, selettività e indice di sporcamento a diverse configurazioni di lavoro (ad es. tipo di alimentazione e ampiezza e frequenza della tensione applicata);
(iii) studio dell’effetto dell’anisotropia e della morfologia della porosità sulle proprietà piezoelettriche dei fenomeni chemofisici coinvolti che influenzano le prestazioni della membrana.
Questi obiettivi richiedono processi di produzione innovativi dei materiali e test dedicati su un sistema prototipale. L’obiettivo è affrontato da due team coordinati da giovani ricercatori, supportati da quelli più esperti con competenze (in processi ceramici innovativi e stampa 3D, tecnologia delle membrane, caratterizzazione microstrutturale, meccanica e piezoelettrica) e con consolidata reputazione internazionale.
Risultati raggiunti
- Sviluppo e scale-up della sintesi di BCTZ lead-free, con messa a punto di un processo riproducibile per la produzione di quantità di polvere adeguate alla fabbricazione delle membrane.
- Sviluppo di tre famiglie di membrane porose in BCTZ, mediante template removal, freeze casting e binder jetting, ottenendo differenti morfologie, livelli di porosità e architetture.
- Caratterizzazione microstrutturale, meccanica, dielettrica e piezoelettrica dei materiali densi e porosi, finalizzata alla comprensione delle relazioni tra processo produttivo, microstruttura e proprietà funzionali.
- Sviluppo di tecniche per la polarizzazione dei materiali piezoelettrici, comprendenti un metodo innovativo basato sull’impiego del fascio elettronico di un microscopio elettronico a scansione (SEM-induced poling) e la successiva messa a punto presso CNR-ISSMC di un sistema di corona poling.
- Progettazione e realizzazione di una cella dedicata e di un impianto di filtrazione da laboratorio per alloggiare, alimentare elettricamente e testare le membrane piezoelettriche durante la filtrazione.
- Test di microfiltrazione con acqua e matrici di interesse agroalimentare, tra cui succo di kiwi giallo e acque di vegetazione da frantoio. I test hanno dimostrato la possibilità di attivare elettricamente le membrane durante la filtrazione e di utilizzare le vibrazioni generate per influenzare i fenomeni di fouling e la rigenerazione delle membrane.
Pubblicazioni
- Pietro Galizia, Alessia Tavolaro, Carlo Baldisserri, Floriana Craciun, and Elisa Mercadelli, “Breakthroughs in scanning electron microscopy poling of massive dense and porous lead-free piezoelectric ceramics” Scr. Mater. 266 (2025) 116795. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2025.116795
- Francesco Cordero, Floriana Craciun, Paulo Sergio da Silva Jr., Michel Venet Zambrano, Elisa Mercadelli, and Pietro Galizia, “Oxygen vacancies in semiconducting BaTiO3 based ferroelectrics: electron doping, history dependence of TC and domain wall pinning” Phys. Rev. B 111 (2025) 054112. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.054112
- Francesco Cordero, et al. “Proton and O vacancy hopping, dopant clustering, and octahedral tilt transitions in exsoluted BaCe0.7Zr0.1Y0.15Ni0.05O3-d” J. All. Comp. 1067 (2026) 188309. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.188309
Articoli in preparazione relativi alle seguenti attività:
– sviluppo e caratterizzazione di BCTZ denso e poroso prodotto mediante agenti sacrificali e primi test di permeabilità all’acqua;
– membrane di BCTZ prodotte mediante binder jetting e confronto delle prestazioni di permeabilità con membrane di Al2O3 realizzate mediante la stessa tecnologia;
– membrane porose di BCTZ prodotte mediante freeze casting e relativi test di permeabilità;
– risultati dei test di microfiltrazione, con particolare attenzione alle relazioni tra microstruttura, parametri di attivazione piezoelettrica (frequenza e tensione applicata), permeabilità, comportamento antifouling e capacità di rigenerazione delle membrane.
Congressi
I risultati sono stati inoltre presentati attraverso comunicazioni orali e poster a congressi scientifici internazionali, tra cui ECAPD 2024 e 2026, ICIFMS 20, ECerS XIX 2025, DSCTM 2025, CIMTEC 2026 e ICIM 2026.
Divulgazione
Le attività del progetto sono state comunicate anche al di fuori della comunità scientifica attraverso iniziative rivolte a studenti, docenti e pubblico generalista. Le tematiche di sostenibilità ambientale e trattamento delle acque sviluppate nell’ambito di SELWA hanno contribuito anche ad attività educative basate sul serious game Snakeleev (https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.5c00029). Queste attività hanno coinvolto studenti delle scuole secondarie, docenti e pubblico generalista attraverso iniziative svolte nelle scuole e nell’ambito de Il Linguaggio della Ricerca, DIDACTA, Play Bologna, Change the Game, Notte dei Ricercatori 2025, DSCTM 2025 e Play in the City Modena.
Le attività e i risultati del progetto sono stati inoltre diffusi attraverso i siti istituzionali dei partner, social media e newsletter CNR-ITM.
