Design & Engineering Master's Degree Thesis by Alessio Pilo'

Tesi di Laurea in Design & Engineering Progetto e ingegnerizzazione del prodotto industriale A.A. 2018/2019 Relatore: Prof. Marco Meraviglia Correlatore: Prof. Francesco Trabucco Alessio PilĂ˛, 894476

Indice 00. Abstract 01. L’acqua e la potabilizzazione su larga scala Introduzione I tipi di inquinanti nell’acqua, organici ed inorganici I metodi di trattamento dell’acqua su larga scala L’osmosi inversa La filtrazione a scambio ionico La filtrazione a carboni attivi La de-batterizzazione tramite esposizione all’UV-C

02. I fattori di contaminazione dell’acqua Gli elementi che riducono l’efficacia della purificazione I fattori esterni che compromettono la qualità dell’acqua L’acqua e i fenomeni meteorologici estremi

03. I pericoli per la salute derivanti dall’acqua

I rischi dell’utilizzo dell’acqua contaminata dai batteri Le malattie portate dal consumo di acqua contaminata I problemi derivanti dai trattamenti di purificazione Le norme per regolamentare i sistemi di purificazione

04. I dispositivi di depurazione domestici

06. Il prodotto

Introduzione al mercato dei dispositivi domestici Caraffe filtranti Caraffe filtranti con lampade germicida UV-C Sistemi di filtrazione micrometrica da banco Sistemi filtranti a carboni attivi Sistemi di filtrazione per osmosi inversa Depuratori d’acqua domestici a scambio ionico Sistemi di depurazione naturale Sistemi di purificazione meccanica combinata all’UV-C Filtrazione UV-C, i vantaggi

Introduzione Opportunità di progetto justpure, il sistema di purificazione dell’acqua domestico

I requisiti di un purificatore domestico L’ambiente domestico e il bisogno di versatilità La massimizzazione della durata dei filtri e il basso costo Trasmettere valore tangibile in un mercato poco attento Il posizionamento di mercato

07. Lo sviluppo tecnico I dettagli tecnici dell’oggetto Lo schema di montaggio

I componenti buy e l’analisi dei costi Criteri di selezione dei materiali L’analisi strutturale del telaio 08. Bibliografia e sitografia

05. Definizione del concept

Il sistema di filtrazione e i suoi componenti Dimensioni e antropometria Illustrazione degli scenari di uso e manutenzione

Abstract

justpure, un purificatore d’acqua domestico

This thesis aims to deepen the design theme of the domestic purification of water, to cope with the lowering of the quality of water that arrives in homes. In the research phase, the topic of water pollutants will be explored, understanding the dangers and the necessary treatments. The technologies and systems applied at the industrial level will be analyzed first, then the domestic ones will be analyzed too. We will study the trends that describe the causes of the deterioration of water quality, with particular attention to external factors that compromise the quality of water and to the increasing ineffectiveness of some systems currently used de-bacterialization.

Nella seconda parte della tesi si espone lo sviluppo di justpure, un depuratore d’acqua domestico che, per eliminare dall’acqua sia lo sporco che i batteri, affianca alla filtrazione micrometrica una lampada germicida. I temi principali che hanno guidato il progetto sono stati la ricerca di un’interazione semplificata, l’immediatezza del processo di purificazione, il basso costo di sostituzione dei filtri nonché la semplicità di manutenzione. Molti ragionamenti sono stati effettuati anche in vista di prolungare la durata dei filtri. Nella fase di industrializzazione del progetto si sono considerati fattori come la portata dei tubi all’interno del sistema e la potenza minima della lampada per fare in modo che arrivasse al LOG 5 di eliminazione dei batteri, ovvero il massimo livello.

In the second part of the thesis we present the development of justpure, a domestic water purifier which combines a germicidal lamp with micrometric filtration to eliminate both dirt and bacteria from water. The main themes that guided the project were the search for a simplified interaction, the immediacy of the purification process, the low cost of replacing filters and the simplicity of maintenance. Many arguments have also been made in order to extend the life of the filters. In the industrialization phase of the project, factors such as the flow rate of the pipes within the system and the minimum power of the lamp were taken into consideration to ensure that it arrived at the LOG 5 for eliminating bacteria, or the maximum level.

Questa tesi ha lo scopo di approfondire la tematica progettuale della purificazione domestica dell’acqua, per far fronte all’abbassamento della qualità dell’acqua che arriva nelle case. Nella fase di ricerca si approfondirà il tema degli inquinanti dell’acqua, comprendendone i pericoli ed i trattamenti necessari. Si analizzeranno dapprima le tecnologie e i sistemi applicati a livello industriale, poi quelli domestici. Si studieranno i trend che descrivono le cause del peggioramento della qualità dell’acqua, con una particolare attenzione sui fattori esterni che compromettono la qualità dell’acqua e la crescente inefficacia di alcuni sistemi di de-batterizzazione attualmente utilizzati.

Lâ&#x20AC;&#x2122;acqua e la potabilizzazione su larga scala

L’acqua e la potabilizzazione su larga scala I problemi dell’acqua e i metodi di trattamento a livello industriale

L’acqua pura è una risorsa sempre più rara ed elitaria. Per diverse ragioni l’acqua che arriva nelle nostre case sta divenendo più contaminata e meno sicura. L’invecchiamento e l’inadeguatezza delle infrastrutture idriche, così come la loro scarsa manutenzione, fanno sì che sporco e metalli pesanti inquinino l’acqua, mentre il bisogno di impiegare in maniera sempre più massiccia i prodotti chimici per de-batterizzare l’acqua fa decadere in essa in quantità massicce i loro sottoprodotti nocivi. L’immunità che i batteri e i virus stanno sviluppando nei confronti dei trattamenti di purificazione più comuni sta rendendo l’acqua corrente sempre più contaminata biologicamente, creando un grosso rischio per chi la utilizza. L’acqua è il principale vettore di virus e batteri. Proprio per i motivi elencati in precedenza, oggi le fonti d’acqua e le infrastrutture per il trasporto sono meno sicure di un tempo, e invertire la tendenza risulta complesso per via della diminuzione delle fonti pulite e l’incremento di fenomeni naturali severi con il territorio. Una soluzione plausibile è quella di decentrare i sistemi di purificazione e de-batterizzazione dell’acqua, equipaggiando le case con dei sistemi di filtrazione che purifichino l’acqua da contaminanti organici e inorganici. Gli edifici di costruzione recente presentano una piccola

centrale interna di trattamento dell’acqua, tuttavia per la maggior parte dei nuclei abitativi la soluzione dev’essere trovata all’interno dell’abitazione. Se è vero che il problema dell’inquinamento organico dell’acqua è in ascesa, è anche vero che ad oggi in occidente tale problema è percepito in maniera marginale, e i rischi da esso portati sono spesso ignorati. Oggi più che mai è importante sensibilizzare la popolazione sul tema, spingendo sull’adozione di sistemi di filtraggio e de-batterizzazione domestici. Esistono ad oggi diversi prodotti di filtrazione dell’acqua, ma molti di essi rimuovono soltanto le particelle inorganiche, mentre un problema altrettanto grave è rappresentato dall’inquinamento organico, che porta all’ingestione di virus, batteri e parassiti. Gli elevati costi, la frequente manutenzione necessaria e l’elevato ingombro sono importanti ostacoli alla diffusione di sistemi di filtrazione completi. Per dare alle persone l’opportunità di adoperare un sistema domestico di purificazione dell’acqua c’è bisogno di renderlo accessibile e di non farne pesare l’utilizzo, puntando anzi a semplificare l’interazione tradizionale che si ha in casa con l’acqua da bere. È solo rendendo domestico, semplice da mantenere e comodo un tale sistema che si potrà puntare alla diffusione dei purificatori.

Introduzione

I tipi di inquinanti nell’acqua, organici ed inorganici L’acqua può contenere un gran numero di inquinanti diversi in relazione agli elementi con cui viene in contatto. Generalmente le sostanze inquinanti nelle acque possono essere divise in sostanze inorganiche e sostanze organiche. Gli inquinanti inorganici sono quegli elementi che si depositano all’interno dell’acqua ma che non hanno il potere di moltiplicarsi. Gli inquinanti inorganici vanno a classificare quello che intendiamo come “sporco”. Le particelle inorganiche possono essere abbastanza grandi da essere visibili e rendere torbida l’acqua, come pietre, sabba e scaglie di materiali vari, ma possono anche essere piccole e risultare non visibili, come le particelle di metalli pesanti o il calcare, che si trova disciolto nell’acqua. Bloccare gli inquinanti inorganici è semplice, se si escludono le sostanze inorganiche disciolte che arrivano ad avere dimensioni nanometriche. Un filtro con maglia da 10 micron, ad esempio, è sufficiente a rendere limpida l’acqua torbida, ed è capace di trattenere tutto lo sporco visibile. Un trattamento a 10 micron è sufficiente a rendere l’acqua legalmente potabile. Gli inquinanti inorganici si accumulano nell’acqua durante il trasporto, anche solo nel momento in cui l’acqua viene a contatto con le pareti interne dei tubi.

Tali inquinanti sono i più pericolosi per l’uomo: se gli inquinanti inorganici portano a problemi con l’accumulo nel tempo all’interno dell’organismo, quelli organici possono generare immediatamente dopo l’assunzione conseguenze più o meno gravi ed in alcuni casi fatali. Rimuovere gli elementi organici dall’acqua non è semplice per via delle dimensioni nanometriche che tali elementi hanno. I virus e i batteri più piccoli raggiungono le dimensioni di 1 nanometro: esistono filtri capaci di bloccarli, ma sono estremamente costosi e richiedono di essere sostituiti dopo brevi periodi. Eliminare gli inquinanti organici dall’acqua è estremamente importante. Batteri come Escherichia Coli, derivante dal contatto fecale con l’acqua, può portare al colera e alla morte. Le normative sulla de-batterizzazione dell’acqua prima della distribuzione sono rigide, ma l’invecchiamento della rete idrica di trasporto e lo stato non sempre ottimale delle tubature degli edifici rende possibile un contagio successivo. È per questa ragione che sempre più persone optano per l’utilizzo di sistemi filtranti domestici, che spesso però non riescono ad avere la capacità germicida dei sistemi che lavorano su scale più ampie.

Tratti della rete idrica in cui si creano falle e perdite può portare allo sversamento nell’acqua di terra e sabbia. Inoltre l’acqua “dura” contiene per natura una quantità di inquinanti inorganici più o meno dannosi superiore a quella delle acque dolci.

Il problema insorge però quando, oltre agli inquinanti inorganici, sono presenti quelli organici. Tra gli inquinanti organici ci sono i virus, i batteri e i protozoi parassiti. Ogni sostanza a base di carbonio e capace di riprodursi è un inquinante organico.

Contaminazione dell’acqua causata da condotte sotterranee danneggiate. Fonte: Comune di Milano, Indagine sulla qualità dell’acqua

I metodi di trattamento dell’acqua su larga scala

L’osmosi inversa

I metodi per purificare l’acqua che vengono adoperati su larga scala possono essere chimici, come la clorazione, o fisici, come l’esposizione ai raggi UV-C, l’esposizione al calore o lo scambio ionico.

La filtrazione per osmosi inversa viene realizzata utilizzando dei filtri nanometrici che sono in grado non solo di bloccare sia lo sporco che i virus e i batteri. I filtri ad osmosi inversa arrivano a bloccare anche elementi a livello ionico, impoverendo l’acqua dai minerali, che devono essere reintegrati successivamente.

Con filtrazione chimica si intende la filtrazione delle acque volta all’eliminazione di virus e batteri tramite prodotti chimici. Il prodotto chimico più utilizzato per questo scopo è il cloro ed alcuni dei suoi derivati. Questo sistema è stato il primo scoperto ed adoperato per la de-batterizzazione dell’acqua, e viene adoperato in maniera massiccia dagli anni quaranta del novecento. Il cloro è infatti una sostanza semplice da estrarre e piuttosto economica, ed è per questo che ne viene fatto largo uso. Inoltre i sistemi di trattamento dell’acqua a base di cloro richiedono infrastrutture semplici, come grandi vasche e canali di comunicazione, e poca manutenzione.

Per attraversare la membrana con fori di 1 nanometro, l’acqua deve essere portata a pressioni elevate, e questo richiede sistemi complicati e poco adatti all’uso domestico. L’osmosi inversa si utilizza principalmente nei grandi sistemi di distribuzione, e ormai quasi esclusivamente per desalinizzare l’acqua marina. Esistono filtri di utilizzo privato per la filtrazione tramite osmosi inversa, ma vengono adoperati principalmente dalle catene di distribuzione come i ristoranti, dal momento che il costo di acquisizione, di montaggio e di manutenzione di tale sistema è piuttosto elevato.

Il grosso problema alla base dell’utilizzo del cloro è il fatto stesso che si tratta di un prodotto consumabile, e per quanto economico non è l’ideale a livello ambientale. L’inquinamento derivato dalla sua estrazione non è da sottovalutare, come la generazione di sottoprodotti chimici nel momento dell’utilizzo che rimangono nelle acque e risultano alla lunga nocivi. Queste ragioni, insieme alla sempre maggiore resistenza che alcuni ceppi di batteri e virus stanno iniziando a sviluppare nei confronti del cloro, dovrebbe fare in modo che l’industria prediliga l’utilizzo di sistemi di filtrazione fisica per la potabilizzazione dell’acqua.

Un sistema industriale di purificazione per osmosi inversa. Fonte: https://industria.culligan.it, Osmosi inversa industriale

Esistono, oltre alla filtrazione chimica tramite cloro, diossido di cloro, clorammine e ozono, diversi tipi di filtrazione fisica che permettono di eliminare virus e batteri: l’osmosi inversa, prettamente meccanica, la filtrazione per scambio ionico, la filtrazione per irraggiamento di luce UV e la filtrazione a carboni attivi.

La filtrazione a scambio ionico La filtrazione a scambio ionico, o ionizzazione, è una tecnica per cui i batteri vengono eliminati tramite l’elettricità che viene sprigionata dall’unione di ioni rame e ioni argento. La ionizzazione rame-argento inibisce i batteri , e in particolar modo quelli della Legionella, i quali sono molto sensibili ad essa. Gli ioni agiscono direttamente sul biofilm, a livello cellulare, e questo rende il sistema piuttosto efficace per tutti i tipi di virus, batteri e protozoi parassiti. La concentrazione richiesta degli ioni è determinata dal flusso dell’acqua, dal volume di acqua nel sistema, dalla conducibilità dell’acqua e dalla concentrazione effettiva dei microorganismi. Per quanto riguarda i sistemi che applicano questo tipo di filtrazione, è importante controllare lo stato degli elettrodi, che devono essere sempre in buone condizioni per non compromettere il rilascio di ioni. Questi controlli vanno effettuati in maniera continua se l’acqua è particolarmente dura. Una questione da considerare quando si decide di optare per questa tipologia di filtrazione è il pH dell’acqua. Quando i valori di pH sono alti, gli ioni rame sono meno efficaci, e ciò limita in maniera evidente l’utilizzo di questa tecnologia, dal momento che esistono effettivamente delle situazioni in cui non è adeguatamente efficace.

Gli ioni, ad esempio, riescono a rimanere all’interno dell’acqua per un lungo periodo di tempo, perciò nel caso in cui l’acqua filtrata venisse conservata in un contenitore e non consumata subito, l’effetto sarebbe continuativo e si eliminerebbe il problema della ricontaminazione. Il Rame-argento non è corrosivo e causa uno sforzo minore nel sistema di distribuzione. A causa di una diminuzione nell’uso dei prodotti chimici, i coperchi e le pompe non sono influenzati. Tra gli svantaggi che questo sistema comporta c’è la possibile resistenza che gli agenti patogeni potranno in futuro sviluppare, ma che ad oggi non è stata individuata, e il fatto che per funzionare al meglio il sistema deve lavorare in acque mosse, perché nel momento in cui diventano stagnanti la disinfezione avviene in maniera meno efficace. Una tecnica simile alla ionizzazione è utilizzata nella tecnica di filtrazione a carbone attivo, in cui la presenza di ioni d’argento nei filtri permette di eliminare quantomeno una parte degli inquinanti organici.

Un’altra variabile che influenza l’efficacia della ionizzazione rame-argento è determinata dalla presenza di cloro. Il cloro causa la formazione di un complesso argento-cloro, rendendo gli ioni inefficaci.

Quando questo accade, gli ioni argento non sono più disponibili per la disinfezione. Questo sistema di filtrazione ha molte variabili in gioco ed è complesso e costoso, perciò è adeguato solo a impieghi su grandi volumi, tuttavia presenta dei vantaggi non indifferenti su certi aspetti.

Sistema di filtrazione a scambio ionico industriale. Fonte: https://lenntech.com, Sistemi industriali di purificazione industriale

La filtrazione a carboni attivi La filtrazione con i carboni attivi è composta da un filtro a carbone composito con ioni d’argento. Questo filtro, a maglia molto fine, assorbe cloro, atrazina, solventi, pesticidi e clorurati, e gli ioni d’argento sono in grado di svolgere un’azione batterio-statica, evitando che il ristagno dell’acqua nei filtri provochi la proliferazione batterica. I filtri a carbone richiedono una certa manutenzione, visto che devono essere sostituiti periodicamente, circa ogni tre mesi. Questo per via dei fori di dimensione micrometrica che contengono all’interno, i quali tendono ad intasarsi. Essi non sono fatti per rimuovere batteri, nitrati o eventuali metalli presenti nell’acqua. I filtri rimangono comunque economici, il loro costo si aggira attorno ai 10-15€. Questi sistemi andrebbero utilizzati su acque già limpide, quindi non contaminate, per eliminare il cloro e i suoi sottoprodotti, e per ritenere un po’ di calcare, così da rendere l’acqua meno dura.

Un limite all’utilizzo di questa tecnologia sta nel fatto che i carboni attivi lavorano in maniera ottimale in presenza di equilibrio nel sistema. Se la qualità dell’acqua di cui si sta effettuando la filtrazione varia frequentemente le prestazioni diminuiscono notevolmente. È per questo che spesso tale sistema non viene adoperato a livello domestico. Un altro problema è la crescita di batteri sul carbone. Se le colonie di batteri crescono in maniera eccessiva, si può verificare perfino l’intasamento del filtro, con la conseguente indesiderata presenza di un alto quantitativo di batteri nell’acqua trattata. È necessario monitorare il sistema molto frequentemente per evitare questi tipi di problemi. I carboni attivi vengono spesso utilizzati sotto forma granulare, ma essi sono disponibili anche in polvere: il loro utilizzo è limitato, e viene considerato spesso solamente in casi di emergenza, perché costoso a livello di tempo e a livello economico.

Il carbone attivo è carbone che viene esposto ad elevate temperature per creare una struttura altamente porosa e con un’ampia superficie interna. Per rimuovere i contaminanti inorganici, il carbone attivo utilizza la tecnologia dell’adsorbimento, per cui le particelle di sporco aderiscono alla superficie del carbone e ne rimangono attaccate.

Sistema di filtrazione a carboni attivi industriale. Fonte: https://centrodepurazioneacque.it, Impianti industriali delle acque

Grazie alle particelle di argento che i filtri a carbone attivo hanno all’interno, è possibile anche eliminare ed inibire una parte dei contaminanti inorganici, come batter, protozoi e virus. Con questo metodo, però, è impossibile eliminare tutti gli inquinanti organici. Ci sono alcuni fattori che influiscono nella performance dei filtri a carbone attivo. Il carbone, infatti, ha un’elevata affinità con alcuni contaminanti che, se presenti nell’acqua da filtrare, tendono a reagire col carbone e a liberare altre particelle precedentemente adsorbite. Questa possibile eliminazione selettiva può interferire con la rimozione degli effettivi contaminanti.

I carboni attivi in polvere (PAC) sono costituiti da particelle finemente polverizzate e hanno la stessa proprietà di adsorbimento dei carboni attivi granulari. Si aggiungono all’acqua in modo da creare una sorta di fango e successivamente si esegue una filtrazione. L’aggiunta dei carboni attivi in polvere migliora l’efficacia della rimozione di virus, batteri ed elementi organici. Il vantaggio di questa tecnica è che non favorisce la crescita dei microbi, cosa che invece succede con il carbone granulare. Sono necessarie, però, grandi quantità di carboni attivi in polvere per poter rimuovere alcuni contaminanti. Un altro elemento negativo sta nel fatto che dopo l’utilizzo del carbone in polvere c’è bisogno di effettuare il filtraggio dell’acqua tramite filtri micrometrici a maglia larga (10-50 micron). Questo secondo passaggio obbligato rende l’utilizzo dei carboni in polvere poco pratico e in definitiva soppiantato da quello dei carboni granulari, sebbene anch’essi presentino diverse criticità.

La de-batterizzazione tramite esposizione all’UV-C La de-batterizzazione UV si basa sul potere germicida della luce in alcune lunghezze d’onda specifiche. I sistemi di purificazione basati su questa tecnologia adoperano delle lampade speciali capaci di emettere luce che entra nello spettro dell’ultravioletto, che vengono avvicinate all’acqua creandone una sottile lamella attorno. I raggi UV delle lampade germicida hanno un’azione contro virus, batteri e protozoi parassiti. Essi fanno parte dello spettro elettromagnetici, e sono posti fra la luce visibile e i raggi X. Esistono tre tipi di raggi UV, che si distinguono per la grandezza d’onda delle onde elettromagnetiche: gli UV-A, gli UV-B e gli UV-C. Gli UV-C, in particolare, hanno un’azione microbicida dovuta alla loro particolare lunghezza d’onda di 265 nm che agisce sugli acidi nucleici distruggendoli, rendendo i microrganismi incapaci di replicarsi. Per questa ragione il trattamento germicida UV-C può essere utilizzato per purificare l’acqua senza aggiunta di sostanze chimiche, perciò eliminando il rischio del rilascio di sottoprodotti nell’acqua. Il lato più importante della de-batterizzazione UV è la possibilità di uccidere il 99,99% dei batteri con pochi secondi di esposizione, compresi quei ceppi di batteri che riescono a resistere al cloro. Il Cryptosporidium, la Pseudomonas Aeruginosa e la Giarda hanno sviluppato un’immunità al cloro che imporrebbe di utilizzarne per eliminarli quantità dannose perfino per l’uomo, mentre è impossibile acquisire resistenza ai raggi UV-C. Non esiste alcun microorganismo resistente alla loro azione, per via del fatto che vanno ad attaccare direttamente gli acidi nucleici.

Chip di carbone attivo per ricaricare i filtri. Fonte: https://centrodepurazioneacque.it, Impianti industriali delle acque

Questi sono solo alcuni dei vantaggi dell’applicazione dell’ultravioletto. L’UV ha un costo energetico piuttosto basso, non prevede l’utilizzo di elementi consumabili e può filtrare elevate quantità di acqua prima di dover essere sostituito. Una lampada infatti dura in media un anno, è estremamente economica e sopporta portate d’acqua spesso superiori a quelle dell’acqua corrente, riuscendo ad eliminare tutti i batteri al primo passaggio.

La struttura di tali sistemi è piuttosto semplice: prevede una lampada cilindrica inserita all’interno di un tubo di vetro al quarzo protettivo (il quarzo è l’unico materiale che fa passare l’ultravioletto), il tutto inserito in un tubo di metallo dentro cui passerà l’acqua, che si disporrà a creare una lamella tra la parte interna del metallo e la parte esterna del vetro al quarzo. Basta rendere sottile il flusso d’acqua per garantire la de-batterizzazione completa. Spesso i flussi che vengono creati attorno ai tubi di vetro al quarzo sono veramente sottili, dell’ordine del millimetro. Questo aiuta le radiazioni UV-C ad intercettare tutti i batteri presenti e a garantirne l’eliminazione tramite un singolo passaggio, in modo da non richiedere ulteriori processi, così da ottenere acqua potabile nell’immediato e in tempo reale. Tale struttura si può trovare in molti filtri de-batterizzanti industriali ma non in quelli domestici, che applicano le fonti di irraggiamento UV in diffusione nel liquido.

Sistema di de-batterizzazione UV industriale. Fonte: https://lenntech.com, Sistemi industriali di purificazione industriale

I fattori di contaminazione dellâ&#x20AC;&#x2122;acqua

I fattori di contaminazione dell’acqua Gli elementi, organici ed inorganici, che riducono la qualità dell’acqua

Le cause di contaminazione dell’acqua sono molteplici: il trasporto è un momento critico, come l’ingresso all’interno delle tubature degli edifici, ma talvolta è possibile che la contaminazione avvenga a monte, durante il trattamento, proprio per la parziale inefficacia di esso. Nella filtrazione tramite l’utilizzo di cloro, ad esempio, alcuni inquinanti organici possono sopravvivere se la quantità di cloro non è adeguata, dal momento che virus e batteri stanno diventando sempre più resistenti a questa sostanza. D’altro canto non è possibile aumentare in maniera sproporzionata la quantità di cloro da applicare, per via del sapore che esso rilascia nell’acqua insieme ai suoi sottoprodotti, alcuni dei quali sono nocivi. Utilizzare meno cloro del necessario è solo uno dei principali problemi che possono portare alla distribuzione di acqua contaminata. Nel caso si utilizzino filtri nanometrici per sistemi di osmosi inversa, è importante che essi siano sempre in buono stato, e che vengano sostituiti regolarmente. Un filtro che non viene sostituito mantiene all’interno una carica batterica attiva che può portare all’ulteriore contaminazione dell’acqua, specialmente se le colonie di batteri si posizionano vicino al punto di uscita dell’acqua.

Un problema analogo ma verosimilmente riscontrabile in scala ridotta si può ottenere con alcuni sistemi di purificazione domestici che sfruttano il principio del carbone attivo. Il carbone attivo è un ottimo filtro antibatterico, tuttavia alcuni dei virus e dei batteri non vengono inibiti, ma si depositano soltanto al suo interno, andando ad inquinare maggiormente l’acqua che staziona nelle parti più ampie del filtro e che poi torna ad unirsi all’acqua purificata. Anche i sistemi che lavorano per ionizzazione possono diminuire il loro potere antibatterico se non revisionati: Se gli ioni presenti all’interno terminano, i filtri perdono del tutto la loro capacità antibatterica, divenendo dei semplici filtri micrometrici capaci di eliminare solo lo sporco. Anche la filtrazione tramite lampade UV, che attualmente sembra la più completa, soffre in verità di problemi analoghi. Dopo 12 o 16 mesi, infatti, le lampade iniziano a perdere la capacità germicida, dal momento che il gas presente all’interno si dirada. Nonostante sia comunque visibile la tipica luce viola, la capacità germicida può calare fino a diventare pressoché nulla. Inoltre, in relazione alla durezza dell’acqua, il tubo di vetro al quarzo che compone il sistema può accumulare dello sporco e far passare più difficilmente la luce attraverso l’acqua. Se poi l’acqua è torbida e non cristallina, la capacità germicida cala per via della difficoltà del fascio a diffondersi uniformemente per l’interezza del liquido.

Gli elementi che riducono l’efficacia della purificazione

I fattori esterni che compromettono la qualità dell’acqua Il principale fattore esterno che minaccia la qualità dell’acqua è il clima. La qualità dell’acqua è sempre più condizionata dai fattori meteorologici, che si stanno facendo sempre più estremi e imprevedibili. La tropicalizzazione del clima dovuta ai cambiamenti climatici a cui stiamo andando incontro, sta rendendo sempre più difficile la gestione delle infrastrutture che gestiscono le acque, che spesso vanno in crisi e non sono in grado di fornire acqua sicura. Dai dati delle ricerche sul campo si evince che questo fenomeno potrebbe peggiorare. Le statistiche riportano un incremento dei fenomeni meteorologici severi, come smottamenti, frane e alluvioni. A tali dati si sommano la contaminazione delle falde acquifere da parte di industria, agricoltura e allevamento, e l’invecchiamento dei sistemi di gestione e di trasporto dell’acqua. Nel documento informativo della Croce Rossa Italiana, redatto nel 2018 da Giuseppe Bolzoni e intitolato “Contaminazione dell’acqua potabile e degli alimenti” si espone proprio la problematica della contaminazione in caso di disastri naturali e fenomeni meteorologici severi. Si può leggere: “In caso di alluvione, allagamento o esondazione è possibile che l’acqua degli acquedotti non sia più potabile. Anche se non ci sono informazioni ufficiali, è consigliabile non utilizzare l’acqua a scopi alimentari”. Dopo ogni alluvione, prima di poter tornare a consumare l’acqua corrente, l’ASL deve effettuare delle analisi per verificare che l’acqua sia potabile, e comunicare l’esito al sindaco, che dovrà poi informare i cittadini. Nel frattempo per bere è consigliabile utilizzare acqua imbottigliata o bollire l’acqua.

Le caraffe filtranti in questo caso non funzionano, perché la contaminazione diventa batterica, perché causata dal contatto con le fogne o con le falde sotterranee. In futuro sarà quindi sempre più importante disporre di un sistema di de-batterizzazione domestico.

Un camion porta acqua potabile nelle zone limitrofe ad Amatrice. Fonte: Croce Rossa Italiana

Nello stesso documento si può ancora leggere: “La complessità del ripristino delle funzionalità di un acquedotto potrebbe avere tempi lunghi, per cui dovrà essere predisposto un servizio sostitutivo con autobotti”. Questa macchina degli aiuti è molto complessa e spesso fatica ad andare in regime per tutta la popolazione colpita. Per via dell’aumento del numero di fenomieni severi, il costo legato all’acqua della gestione delle emergenze sta continuamente salendo. La contaminazione dell’acqua dopo i fenomeni meteorologici severi è quasi del tutto organica, quindi nelle acque si insidiano virus, batteri e protozoi parassiti. Il documento della Croce Rossa Italiana riporta che i composti chimici inorganici, come i repellenti e gli scarti industriali, in genere non contaminano le falde, a meno che non ci siano nelle vicinanze impianti chimici particolari. La rimozione degli inquinanti inorganici può essere effettuata solo tramite processi industriali complessi, come l’osmosi inversa, estremamente complessi e costosi per essere attuati all’interno delle abitazioni.

Secondo un’analisi dell’European Commission Joint Research Centre, se non verranno prese misure di adattamento ai cambiamenti climatici in forma di politiche di prevenzione del rischio e di messa in sicurezza del territorio e delle infrastrutture della gestione delle acque, i morti da catastrofe naturale aumenteranno sempre più fino a crescere di 50 volte rispetto agli anni ottanta. Una buona parte di queste vittime è imputabile alle malattie dovute al consumo dell’acqua contaminata.

L’acqua e i fenomeni meteorologici estremi Sviluppare un paragrafo relativo alla correlazione tra la qualità dell’acqua e la frequenza dei fenomeni meteorologici pesanti sul territorio, è giustificato dal trend che riporta un continuo aumento di numero ed intensità di essi. L’aumento dei disastri naturali sta sempre maggiormente condizionando la qualità dell’acqua, debilitando i sistemi di purificazione per via dei danni causati alla rete idrica. L’acqua che arriva nelle nostre case è sempre meno sicura, e le tendenze che andremo ad analizzare purtroppo riportano un peggioramento netto rispetto agli anni passati. Un rapporto dell’Ufficio delle Nazioni Unite per la riduzione del rischio di catastrofi (United Nations Office for Disaster Risk Reduction, UNISDR) redatto nel 2017 e che tiene in considerazione dati raccolti negli ultimi vent’anni, contiene dei dati pesanti riguardanti la crescita dei disastri. Il costo delle catastrofi naturali è cresciuto di 1.600 miliardi di dollari, in tutto il mondo, negli ultimi 20 anni. In particolare, la quota legata agli eventi meteorologici estremi è cresciuta di 9 punti percentuali, arrivando a toccare il 77% del totale. Più in generale, i fenomeni riconducibili direttamente o indirettamente al clima sono pari al 91%, e la principale conseguenza fisica di questi fenomeni è il danneggiamento della rete idrica.

Nel documento viene indicato che il costo complessivo per rispondere ai disastri è più che raddoppiato rispetto a quello del 1997. Tra i disastri naturali sono compresi, oltre a inondazioni, smottamenti, alluvioni, anche uragani, siccità, terremoti ed eruzioni vulcaniche, tutti fenomeni spinti ed estremizzati dai cambiamenti climatici in atto e dal riscaldamento globale. È importante comprendere come ad oggi i paesi più colpiti dai disastri naturali risultino essere quelli occidentali del primo mondo, poiché è in queste zone che l’industrializzazione selvaggia ha fatto crescere l’inquinamento e compromesso i terreni. Gli Stati Uniti risultano in particolare i primi nella classifica stilata dall’UNISDR, con 944,8 miliardi di dollari di danni patiti. Seguono la Cina con 492,2 miliardi e il Giappone con 376,3. Distanziata l’India con 79,5 miliardi, Porto Rico con 71,7, la Germania con 57,9. Al settimo posto c’è l’Italia, il cui dato comprende ovviamente le conseguenze di numerosi terremoti che hanno colpito il territorio. Le perdite per il nostro Paese sono state pari a 56,6 miliardi: poco sopra quelle della Tailandia (52,4). Chiudono la lista delle dieci nazioni più colpite il Messico (46,5 miliardi) e la Francia (43,3). Uno studio del Karlshure Institute of Technology riporta che la maggior parte dell’ammontare dei danni economici dato dai disastri naturali è attribuibile per il 38,5% alle sole inondazioni, per il 20% alle tempeste e agli uragani e per il 26% del totale ai terremoti.

L’aumento dei costi dei disastri naturali dal 1900 al 2015 in miliardi di $. Fonte: European Commission Joint Research Centre

In questo caso infatti è estremamente probabile che la soluzione alla contaminazione possa essere trovata solo nel rifornimento con le autobotti.

L’aumento dei costi delle catastrofi naturali è direttamente legato all’aumento della loro frequenza e della loro potenza. Oggi le catastrofi naturali fanno molti più danni rispetto all’inizio del secolo scorso e sono molto più frequenti, e domani le conseguenze saranno ancora più catastrofiche. Dalla tabella precedente si evince che le attività dell’uomo aumentano i rischi di disastri. Secondo le analisi del Karlshure Institute of Technology tale incremento è dipeso principalmente dalle attività di tipo antropico, come la cementificazione ed il consumo del suolo libero, insieme allo sfruttamento intensivo delle coste, che ha reso le zone popolate in prossimità dei mari sempre meno sicure. Un’altra importante colpa ce l’hanno le emissioni di gas ad effetto serra ed il conseguente aumento della temperatura media sulla superficie terrestre che, a sua volta, è responsabile di un incremento dei fenomeni meteorologici estremi. Un rapporto del CRED (Centre for the Epidemiology of Disaster) risalente al 2017 mostra un aumento di alluvioni e terremoti riportando il numero di persone colpite dai disastri nel 2016, che sarebbero 411 milioni. Ancor più sconcertante è il fatto che questo dato sia quattro volte superiore a quello registrato per l’anno 2015, quando le persone colpite direttamente raggiungevano i 98 milioni. Nel 2016 si sono registrate 301 catastrofi in 102 Stati. Inondazioni e tempeste sono i disastri che hanno creato più vittime, con il 71% del totale. Anche l’European Commission Joint Reseach Centre riporta in una nota del 2018 che senza misure di adattamento ai cambiamenti, le vittime di nubifragi, terremoti e valanghe aumenteranno fino ad arrivare entro la fine del secolo in Europa a 152mila l’anno. Oggi il numero di morti per catastrofi naturali in Europa si aggira attorno ai 30.000 all’anno.

Nell’analisi viene messo in evidenza quanto conti la prevenzione, spiegando che se non si dovesse fare nulla per invertire la tendenza, le vittime potrebbero arrivare a 240.000.

Il numero di disastri naturali per tipologia, dal 1998 al 2017. Fonte: United Nation Office for Disaster Risk Reduction

Ovunque nel territorio comunitario sarà sempre più grande la fascia di popolazione esposta a rischi dovuti ai severi fenomeni meteorologici e ai disastri. In termini assoluti si parla di più di 500 milioni di persone all’anno che si troveranno a fare le conseguenze con tali fenomeni. Secondo la United Nation Office for Disaster Risk Reduction, entro fine secolo due europei su tre rischieranno di essere direttamente colpiti dalle catastrofi naturali. Due terzi degli europei sono il 66% della popolazione della comunità: per fare un paragone, nel 2010, ad essere esposti a disastri naturali e fenomeni meteorologici estremi erano solo il 5% degli europei. Anche l’Economist nel 2017 ha messo in fila i dati relativi agli ultimi 40 anni di disastri naturali, trovando conferme rispetto a quello affermato dal resto delle fonti più autorevoli. Dalla ricerca si evince che i paesi più colpiti sono Usa, Cina e India. Dal 1970 gli eventi catastrofici sono quadruplicati, e il 2017 è stato l’anno peggiore di sempre, con oltre 400 disastri naturali.

Il numero di persone in miliardi esposte alle inondazioni dal 1975 al 2015. Fonte: European Joint Research Centre, Atlas of the Human Planet, 2017

I dieci paesi più colpiti dai disastri in termini di perdite assolute. Fonte: European Joint Research Centre, Atlas of the Human Planet, 2017

Il numero di persone potenzialmente esposte a terremoti dal 1975 al 2015. Fonte: European Joint Research Centre, Atlas of the Human Planet, 2017

Per disastro naturale si intende un terremoto, un’eruzione, un’alluvione o un fenomeno meteorologico estremo che ha causato almeno 10 morti e riguardato almeno 100 persone. La compagnia di assicurazione tedesca Munich Re ha raccolto i dati relativi alla tipologia di disastri più frequenti, considerando eventi che hanno causato anche solo un morto o un certo ammontare di danni. Secondo questo conteggio i disastri idrogeologici dal 1980 ad oggi sarebbero aumentati di sei volte e l’ultimo anno sarebbe ancora il peggiore di sempre. Infine anche lo studio “Atlas of the Human Planet 2017: Global Exposure to Natural Hazards” del Joint research Centre della Commissione Europea ha rilevato che una persona su tre è esposta a terremoti, un numero che è quasi raddoppiato negli ultimi 40 anni, e circa 1 miliardo di persone in 155 Paesi è esposto a inondazioni, mentre 414 milioni di persone vivono nei pressi di uno dei 220 vulcani più pericolosi. Seguono le tabelle realizzate dalla Joint Research Centre della Commissione Europea che mostrano l’incremento dei fenomeni naturali disastrosi negli ultimi quarant’anni.

I pericoli per la salute derivanti dallâ&#x20AC;&#x2122;acqua

I pericoli per la salute derivanti dall’acqua I problemi a cui ci si espone consumando acqua non potabile

L’acqua è un potente vettore per la diffusione degli agenti patogeni. Come sottolineano i ricercatori di Culligan, azienda specializzata nei sistemi per il trattamento e la purificazione dell’acqua, l’esposizione dell’uomo agli agenti patogeni attraverso l’acqua può avvenire secondo tre modalità: ingestione, inalazione e contatto. Un gruppo di studiosi di WaterAid, organizzazione no-profit internazionale, hanno evidenziato in una recente pubblicazione che il consumo di acqua contaminata porta a malattie che rappresentano la quinta causa di decesso tra le donne in tutto il mondo. Il consumo dell’acqua impura causerebbe “più decessi dell’AIDS, del cancro e del diabete”. Nel terzo mondo ad oggi si muore per la mancanza di accesso ai servizi igienici sicuri e all’acqua pulita. Il CEO di WaterAid, Barbara Frost, afferma che “Questa situazione influisce sull’educazione delle donne e delle ragazze, sulla loro salute, la loro dignità e in definitiva, in troppi casi, si traduce in una morte precoce e inutile”. La ricerca effettuata da WaterAid si conclude affermando che il problema dell’acqua non è soltanto relegato al secondo e al terzo mondo, ma che sta diventando sempre più pressante e complesso da gestire anche in occidente. Questa è soltanto una delle moltissime fonti autorevoli che denunciano da tempo la drammatica situazione dell’acqua in tutto il mondo.

L’OMS, Organizzazione Mondiale della Sanità, ha effettuato uno studio qualitativo su tutte le acque del mondo e ha lanciato l’allarme denunciando che quasi due miliardi di persone usano ancora acqua contaminata, generalmente con materia fecale. Come vedremo più approfonditamente nelle prossime pagine, il contatto tra l’acqua e le feci porta alla contaminazione dei batteri più pericolosi in assoluto, quelli che popolano il nostro organismo e ci aiutano nella digestione, come Escherichia Coli, ma che se vengono ingeriti possono portare a malattie mortali. L’OMS continua stimando che l’acqua potabile contaminata sia la causa di oltre 500.000 morti ogni anno.

Aumento dei casi di legionella dal 1997 al 2015. Fonte: Istituto Superiore di Sanità, 2016

I rischi dell’utilizzo dell’acqua contaminata dai batteri

Proprio a proposito di questo, la Fondazione Ricerca Fibrosi Cistica, Onlus autorevole nel campo della medicina, afferma in un documento redatto nell’Aprile del 2018 che i batteri, che sono fondamentali per la sopravvivenza dell’uomo, in determinate concentrazioni e in alcune condizioni, come per l’ingestione, diventano dannosi per l’uomo e potenzialmente mortali. In condizioni normali i batteri partecipano attivamente al metabolismo, forniscono fattori di crescita, stimolano la risposta immunitaria e sono alla base del funzionamento del nostro corpo e dell’ambiente. Ricercatori di Lenntech, produttore di sistemi di depurazione dell’acqua industriale, hanno redatto un documento di resoconto per introdurre alla disinfezione dell’acqua. Allineandosi con le fonti già prese in considerazione, essi affermano che quasi tutti i tipi di microorganismi nell’acqua che causano malattie provengono dalle feci umane e animali. Il batterio Escherichia Coli e il parassita Cisti Giarda si possono trovare nelle feci degli animali di allevamento, Batteri patogeni come le Salmonelle e il Campilobatterio sono presenti nelle feci dei polli. Questo ci fa comprendere che il rischio relativo all’inquinamento dell’acqua non è da considerare presente solo in paesi in via di sviluppo in cui le infrastrutture per trattare l’acqua non sono ancora presenti; il rischio di contrarre infezioni e malattie dall’acqua è attuale e costantemente in crescita anche in occidente, in cui lo sfruttamento intensivo di terreni e allevamenti sta contaminando la falda ed in certi casi l’acqua che arriva nelle case. Le probabilità di contrarre un’infezione dipendono dal tipo di agente patogeno, dal modo in cui è trasferito e dalla resistenza della persona. Tuttavia venire esposti a rischi concreti per il consumo di acqua contaminata non è difficile.

Secondo il bollettino della Croce Rossa Italiana sulla Contaminazione dell’acqua e degli alimenti, redatto da

I contaminanti dell’acqua che portano alla contrazione di malattie. Fonte: WaterAid, Study on the diseases caused by water contamitantion

Giuseppe Bolzoni, la contaminazione microbiologica renderebbe pericoloso anche il consumo di un solo bicchiere d’acqua, che sarebbe in grado di provocare gravi patologie. La dose infettiva, cioè il numero di parassiti, virus o batteri che devono entrare nel corpo umano per causare l’infezione o la malattia, cambia da persona a persona. È generalmente molto bassa per virus e parassiti, leggermente più alta per i batteri. Bambini e anziani hanno una resistenza inferiore, perciò tollerano dosi infettive minori. Avere un’acqua con concentrazione di patogeni pari a zero è impossibile. Oggi in Italia è difficile trovare acqua corrente perfettamente pura, poiché il sistema più comune utilizzato per la depurazione, ovvero il trattamento con il cloro, sta iniziando ad essere poco efficiente, visto che alcuni ceppi di batteri stanno sviluppando immunità, ma questo argomento verrà approfondito nelle pagine seguenti.

I virus hanno dimensioni molto inferiori di quelle dei batteri, che vanno dai 20 ai 90 nanometri di diametro, per cui molti di essi possono passare attraverso i filtri meccanici che bloccano i batteri. Al contrario dei batteri, i virus non sono presenti in natura nel corpo umano. Quando si viene infettati dai virus, essi lasciano il corpo attraverso le secrezioni, e questo contamina le acque, che se non vengono completamente disinfettate possono infettare altre persone. I protozoi parassiti sono organismi unicellulari, sono molto complessi e si nutrono di sostanze solide. Hanno anche dimensioni maggiori rispetto a virus e batteri. Essi si diffondono in forma di cisti e ocisti. Le cisti di Giardia e le ocisti di Criptosporidio sono le più comuni. Esse si possono trovare nelle acque di tutto il mondo a causa dell’inquinamento fecale.

Le malattie portate dal consumo di acqua contaminata L’acqua infetta porta alla contrazione di moltissime malattie potenzialmente mortali. Da quando l’acqua distribuita dalla rete idrica viene trattata con il cloro per uccidere virus e batteri, il numero di malattie portate dall’acqua è diminuito drasticamente. Ingerire anche poche gocce di acqua infetta può portare alla contrazione di malattie come la febbre tifoide, il colera e l’epatite A ed E.

Tra i disturbi più pericolosi c’è la diarrea, che nei paesi in cui si soffre la sete può diventare fatale. L’Onlus Medicus Mundi Italia ha recentemente pubblicato un articolo scientifico riguardante le malattie infettive legate all’acqua. A redigerlo sono stati dei medici appartenenti all’associazione, S. Caligaris, F. Buelli, B. Autino, P. Rodari, P.F. Giorgetti. Nell’articolo si legge che esistono diverse tipologie di malattie legate all’acqua, che possono essere classificate come: - malattie trasmesse per contagio oro fecale; - malattie dovute a microorganismi presenti nell’acqua; - malattie trasmessi da animali che vivono in acqua. Le malattie legate al consumo dell’acqua impura e contaminata sono quasi tutte intestinali. Il contatto con acqua inquinata dalle feci porta facilmente a Amebiasi, Dracunculosi e Colera. L’amebiasi è una malattia sostenuta dal batterio Entamoeba Hystoyitica, che porta a dissenteria e febbre nella forma intestinale, e ad ascessi nella forma extraintestinale, la Dracunculosi è invece una malattia causata da larve parassite. I batteri dell’acqua più pericolosi sono i vibrioni colerici. Il colera, nei paesi del secondo e del terzo mondo, è tornato ad infettare moltissime persone, e sta causando un numero sempre crescente di decessi. La causa di diffusione è data dall’inquinamento dell’acqua utilizzata per bere e l’assenza di strutture di sanificazione adeguate. Tra gli agenti virali, quello dell’Epatite è il più comune, ed è diffuso in tutto il mondo. Nei paesi in via di sviluppo si è creata ormai un’immunità, infatti in questo caso sono le persone che vivono in occidente a risentirne maggiormente del contagio. I microorganismi presenti nell’acqua portano a molte malattie, le più comuni sono la Schistosomiasi e l’Anchilostomiasi. Anche in questi casi, la diffusione delle malattie è data dal non adeguato smaltimento degli escrementi. Queste malattie causano dissenteria, invalidità fisica e arrivano a causare la morte.

Per comprendere meglio questo fenomeno verranno indagati i tipi di patogeni presenti nell’acqua. I microorganismi presenti nell’acqua impura possono essere di tre tipi: batteri, virus e protozoi parassiti. I batteri sono la forma vivente più abbondante sulla Terra. Essi sono organismi cellulari, e hanno dimensioni nanometriche, ovvero inferiori al micron. Generalmente sono grandi centinaia di nanometri. Il nutrimento dei batteri sono fluidi. Essi possono riprodursi attraverso la scissione del DNA, che può avvenire in meno di 15 minuti. I batteri, se ingeriti, causano malattie. I virus sono organismi più complessi dei batteri. Essi si riproducono all’interno di cellule ospiti e causano le infezioni.

La malaria, la Dengue e la malattia del sonno sono altre patologie che si diffondono tramite le acque non trattate adeguatamente. I vettori per la trasmissione di queste malattie sono i microbi presenti nell’acqua, i quali fanno da vettori per trasmettere all’uomo. Tali malattie sono anch’esse potenzialmente mortali. La Dengue, in particolare, scatenata dal morso delle zanzare infette da Aedes aegypti e da Aedes albopictus, è estremamente comune in aree urbane e industrializzate dell’occidente.

I problemi derivanti dai trattamenti di purificazione I trattamenti di purificazione sono spesso necessari per fornire alla popolazione acqua priva di patogeni e inquinanti, ma hanno un lato negativo che bisogna imparare a gestire nella maniera corretta. Nel caso dei metodi chimici l’acqua ingerita può contenere sostanze residue dannose, come le clorammine e le sostanze alorganiche, che alterano perfino il sapore e l’odore dell’acqua e sono nocive per la salute, arrivando ad essere altamente cancerogene. Il trattamento a base di cloro è di gran lunga il più adoperato in occidente, ma certamente il sistema potenzialmente più pericoloso per gli esseri umani. Nei primi anni settanta del novecento fu scoperta la presenza di sottoprodotti chimici e nocivi derivanti dalla depurazione batterica dell’acqua tramite l’utilizzo di cloro. Quando ciò fu scoperto, cominciarono a svilupparsi ricerche sugli effetti sulla salute, con la conseguenza che oggi sono stati redatti degli standard che indicano i massimi livelli di sottoprodotti di disinfezione ammissibili nelle acque potabili destinate al consumo umano.

In una ricerca del 2017 realizzata dall’OMS e dal comune di Bolzano si è evinto che quando il cloro reagisce con le sostanze indesiderate presenti nell’acqua, genera fino a 66 sottoprodotti indesiderati. I sottoprodotti più pericolosi sono i Trialometani (THM), I THM sono cancerogeni e mutageni.

Inoltre sono molto resistenti e riescono facilmente ad entrare nella catena alimentare quando assorbiti dai terreni. La tabella riportata, fornita dall’OMS, riporta tutti i sottoprodotti derivanti dai principali disinfettanti chimici adoperati nell’industria dell’acqua per la sua purificazione. Sebbene come abbiamo visto sopra, esistano delle alternative chimiche alla disinfezione con il cloro, quest’ultimo risulta essere di gran lunga il più usato per via della semplicità dei sistemi e del basso costo economico. Per questa ragione è corretto soffermarci maggiormente sul cloroformio, il principale sottoprodotto della clorificazione delle acque. Il cloroformio è appartiene alla famiglia dei trialometani, ed è il più studiato tra i sottoprodotti. Una ricerca tossicologica realizzata nel 1994 dal dottor Larson, come l’Ente Nazionale per la Protezione Ambientale, EPA, concludono che il cloroformio è cancerogeno, e che provoca l’aumento del rischio di cancro alla prostata, all’intestino e all’ano, ma finché l’esposizione ad esso resta sotto certi valori di soglia che causano danni alle cellule, il rischio di cancro è molto basso. Dalle ricerche svolte dal dottor Morris nel 1992 è emerso che il 9% di tutti i casi di cancro alla prostata e il 15% di quelli di cancro anale sono attribuiti ai sottoprodotti clorurati dell’acqua potabile e di disinfezione. Ciò significa 100.000 casi all’anno. Il problema è che già da ora, ma specialmente in futuro, per fronteggiare la sempre maggiore immunità dei batteri al cloro, si tenderà ad aumentarne le dosi, e con esse aumenteranno anche i sottoprodotti presenti nelle acque che arrivano nelle case. Ecco perché la clorificazione dell’acqua è un sistema che in futuro sarà sempre meno applicabile. Al giorno d’oggi il cloro viene usato per trattare le acque nei grandi centri di trattamento comunali ed industriali, visto che è altamente solubile in acqua e richiede poche quantità per fungere da germicida, circa 0,2-0,4 mg/L. In questi casi viene utilizzato sotto forma di gas. La disinfezione chimica di piccole quantità d’acqua viene effettuata con ipoclorito di calcio e di sodio.

Fattori che determinano l’efficacia della disinfezione con il cloro sono, oltre alla sua concentrazione, il tempo di contatto, la temperatura del liquido, il pH, la quantità e la tipologia di microorganismi, la concentrazione di materia organica nell’acqua. Segue la tabella redatta dall’OMS che riporta i tempi di disinfezione di inquinanti fecali tramite l’utilizzo del cloro.

I principali sottoprodotti della disinfezione tramite l’utilizzo di cloro. Fonte: OMS, Comune di Bolzano, l’efficacia e le conseguenze della disinfezione dell’acqua tramite l’utilizzo del cloro.

Il tempo di disinfezione degli inquinanti fecali tramite l’utilizzo di acqua clorinata. Fonte: OMS, Comune di Bolzano, l’efficacia e le conseguenze della disinfezione dell’acqua tramite l’utilizzo del cloro.

Le norme per regolamentare i sistemi di purificazione Come abbiamo visto, la purificazione dell’acqua è una faccenda seria. Le normative che la regolarizzano sono stringenti. La legislazione in materia di acqua potabile relativa ai sistemi di purificazione domestici è scandita dal Decreto Ministeriale 7.02.2012, n. 25 (“Linee Guida sui dispositivi di trattamento delle acque destinate al consumo umano”). Il Decreto afferma che un sistema di purificazione domestico deve avere dei filtri con una maglia non più larga di 50 micron, per trattenere parte delle impurità normalmente presenti nelle acque potabili come sabbie, ossidi e sporco in genere. La norma regolarizza la filtrazione meccanica, che quindi va ad eliminare gli inquinanti inorganici. L’igienicità dell’acqua corrente che viene dagli acquedotti, invece, è disciplinata da specifiche norme dell’UE (D.Lgs. 31/2001, attuazione della Direttiva 98/83/CE e successive modifiche e integrazioni. Tali norme individuano le concentrazioni massime ammissibili di diversi parametri. Di norma l’acqua erogata dagli acquedotti dovrebbe essere già provvista delle specifiche caratteristiche igienico-sanitarie che la rendono idonea al consumo, tuttavia questo non è sempre vero. Sempre più famiglie e attività commerciali stanno iniziando a trattare l’acqua potabile con apparecchiature domestiche che utilizzano principalmente carboni attivi, resine a scambio ionico, osmosi inversa, filtrazione, lampade UV ed altri sistemi.

Sono diversi gli indicatori che vengono utilizzati per valutare l’inquinamento dell’acqua. Secondo l’OMS e secondo l’associazione di Microbiologia italiana, che hanno redatto due articoli, rispettivamente nel 2016 e nel 2017 sulla situazione delle acque mondiali, un gruppo in particolare è capace di dare una misura reale di ciò, ed è quello dei colformi. Alla famiglia dei colifori fanno parte Escherichia Coli Enterobacter, Citrobacter e Klebisella, tutti presenti nell’intestino dei mammiferi, essendo dei batteri fecali. Un’elevata concentrazione di tali batteri è indice di inquinamento dell’acqua.

Batteri di Escherichia Coli al microscopio, i principali inquinanti fecali. Fonte: https://footage.framepool.com

La normativa italiana indica che Escherichia coli ed enterococchi, che indicano specificatamente la contaminazione da feci, devono essere assenti in 100 ml di acqua. Clostridium perfrigens e Coliformi sono invece considerati come parametri non desiderati, che dovrebbero preferibilmente essere assenti. Oltre ai coliformi totali e ad Escherichia Coli, che devo essere del tutto assenti in 100 ml di campione, ci sono altri indicatori significativi per la purezza e la sicurezza dell’acqua. Il decreto ministeriale citato sopra indica: - Enterococchi: ospiti abituali dell’intestino dei mammiferi, devono essere assenti in 100 ml d’acqua corrente o in 250 ml di acqua imbottigliata; - Clostridium perfringens, ovvero spore compresse: anch’essi presenti nell’intestino dei mammiferi, devono essere assenti in 100 ml d’acqua corrente o in 250 ml di acqua imbottigliata; - Pseudomonas aeruginosa: è un microrganismo che viene rivelato nelle acque stagnanti, e raggiunge cariche batteriche elevate se si installa in rubinetti o serbatoi. Deve essere assente in 100 ml d’acqua corrente o in 250 ml di acqua imbottigliata;

- Colonie a 37°C: questo parametro evidenzia i germi che possono trovarsi negli strati superficiali del terreno. Non ha un valore limite, ma un valore di riferimento di 10 UFC (unità formante colonia) in 1 ml di campione analizzato. Il valore limite per le acque imbottigliate corrisponde a 20 UFC/ml; - Colonie a 22°c: Ha un valore di riferimento di 100 UFC in 1 ml di campione, sia per le acque correnti che per quelle imbottigliate.

Restare nei limiti di tolleranza di tali valori è fondamentale per fare in modo che l’acqua venga considerata sicura.

I dispositivi di depurazione domestici

I dispositivi di depurazione domestici Il mercato dei purificatori per la casa diviso per tecnologie

Finora abbiamo constatato quante siano le variabili in gioco capaci di abbassare la qualità dell’acqua fino a renderla pericolosa durante il tragitto che va dal centro di distribuzione alle abitazioni. Ci siamo soffermati a valutare l’entità del problema prendendo in considerazione il trend che vede in ascesa i fenomeni meteorologici pesanti e quindi i danni subiti dalla rete idrica. Dal discorso effettuato si evince che spesso è necessario utilizzare sistemi domestici di trattamento dell’acqua per poterla consumare ed evitare di acquistare acqua in bottiglia. Questo capitolo prevede di analizzare il mercato dei dispositivi domestici per comprendere quali sono le tecnologie applicate, i layout sviluppati e i metodi di progettazione adoperati. Se l’acqua, prima di essere distribuita dalla rete idrica non venisse filtrata, risulterebbe torbida. Gli specialisti di Culligan, una delle aziende leader nella produzione di sistemi per il trattamento delle acque, riportano nelle loro analisi su campioni di acque non filtrate un’elevata quantità di materiale sospeso grossolano, con dimensioni variabili che si aggirano attorno alla frazione del millimetro.

L’acqua corrente per risultare potabile viene sottoposta a numerosi trattamenti tra i quali c’è proprio la filtrazione, e solo dopo di essa risulta limpida e trasparente. Questo però non vuol dire che sia perfettamente pura. Basta un filtro meccanico a cartuccia da 10 micron per rendere l’acqua limpida, ma i virus e i batteri ad esempio hanno dimensioni nanometriche, perciò passano lo stesso attraverso il filtro senza restare bloccati. Oltre a virus e batteri, ad attraversare i filtri micrometrici ci sono anche altre sostanze di origine naturale con dimensioni molecolari, come i sali minerali presenti in forma ionica. Gli elementi inorganici con dimensioni nanometriche, essendo quasi del tutto sali minerali, dovrebbero rimanere all’interno delle acque dopo la filtrazione, per evitare che esse diventino troppo povere di nutrienti. Lo scopo di questo paragrafo è quello di valutare quali siano le tecnologie adoperate all’interno dei sistemi di filtrazione e de-batterizzazione domestici. Gran parte dei sistemi domestici di filtrazione dell’acqua corrente funzionano con cartucce filtranti ad azione meccanica. Tali cartucce hanno generalmente dimensioni micrometriche, che vanno dai 50 ai 5 micrometri, intervallo per cui non servono forti pressioni per far scorrere l’acqua.

Introduzione al mercato dei dispositivi domestici

La tecnica di funzionamento di tali sistemi è semplice: al passaggio dell’acqua si interpone una maglia filtrante con fori di dimensione micrometrica. Tutto ciò che ha dimensioni maggiori rispetto ai fori viene trattenuto, il resto passa. Quella che viene effettuata a livello domestico è chiamata microfiltrazione, per i diametri micrometrici dei fori dei filtri meccanici. Le membrane micrometriche con cui sono costituiti i filtri sono generalmente di materiale sintetico, generalmente polipropilene o altri tipi di polimeri termoplastici, ma possono essere anche di materiale ceramico.

I sistemi di ultrafiltrazione e microfiltrazione hanno però dei limiti, che possono essere trovati nella poca vita utile delle membrane filtranti e nell’alta pressione che deve essere generata per far passare l’acqua attraverso essi. Inoltre, per evitare che i filtri si intasino immediatamente, è necessario costruire una sequenza filtrante realizzata con diversi filtri a cartuccia, che bloccano gradualmente le particelle di dimensioni sempre inferiori. Questi sono fattori che complicano molto i sistemi che li montano, rendendoli poco idonei, sia per dimensione che per quantità di manutenzione necessaria, ad un ambiente domestico.

Esistono altre filtrazione meccaniche maggiormente spinte, che riescono ad arrivare a bloccare i virus e i batteri: esse sono la ultrafiltrazione, la nanofiltrazione e l’osmosi inversa, e si differenziano tra loro per le tipologie di membrane e quindi in definitiva per le dimensioni delle particelle trattenute. Con la ultrafiltrazione, che equivale ad una filtrazione del decimo del micron, si bloccano la maggior parte dei batteri, con la nanofiltrazione, che adopera membrane con fori di dimensioni del centesimo del micron, si eliminano dall’acqua tutti i batteri e perfino i virus, comprese le specie più difficili come la Giarda e il Cryptosporidium, ottenendo oltre all’effetto filtrante anche quello disinfettante. La filtrazione per osmosi inversa, che utilizza filtri ancora più fini, con fori di dimensioni del nanometro, si riescono a rimuovere dall’acqua le sostanze disciolte come i sali minerali e i pesticidi fino ai singoli ioni. L’osmosi inversa è una tecnica utilizzata per eliminare la salinità dell’acqua, e viene generalmente utilizzata in grande scala, nei depuratori, per de-salificare l’acqua marina.

Lo svantaggio dell’osmosi inversa sta nella necessità di reintegrare i sali minerali successivamente al processo di filtrazione.

Filtro a maglia micrometrica realizzato tramite filamento polimerico. Fonte: Lenntech, Sistemi di purificazione domestici a bobina

Come abbiamo potuto constatare, i filtri meccanici adatti per un uso domestico non riescono a rendere l’acqua priva di germi e batteri. Questa però è una prerogativa fondamentale al fine di avere un’acqua che può essere consumata senza preoccupazioni:

per molte ragioni l’acqua che scorre dai rubinetti delle nostre case non è perfettamente priva di batteri, sia perché durante il trasporto può entrare in contatto con sostanze presenti all’interno e all’esterno dei tubi, sia perché molti ceppi di batteri e virus stanno sviluppando un’immunità alle tecniche classiche di de-batterizzazione dell’acqua, che sono chimiche e principalmente a base di cloro. Nel mercato dei depuratori domestici ci sono ad oggi pochissimi sistemi che affiancano alla classica filtrazione meccanica una filtrazione germicida, e lo sviluppo di un dispositivo del genere può essere individuato come ambito di interesse per questa tesi.

Nei paesi in via di sviluppo di solito non c’è acqua pulita a sufficienza, e non ci sono infrastrutture per la purificazione dell’acqua. In tali contesti le malattie portate dall’acqua inducono la gente ad ammalarsi, e portano molti individui alla morte, specialmente bambini, anziani, persone con il sistema immunitario compromesso e donne incinte. Attualmente, per valutare la sicurezza e la bontà dell’acqua, si utilizza il TOC, un sistema che mappa la presenza totale di carbonio, quindi di sostanze organiche come virus, batteri e patogeni. Più il TOC si avvicina a zero, più l’acqua è sicura. Esistono sul mercato molte tipologie di prodotti domestici per il trattamento dell’acqua, con range di prezzi e tecnologie applicate molto differenti. Gran parte dei dispositivi sul mercato offrono semplici filtrazioni dell’acqua, che rimuovono metalli pesanti e calcare, ma non arrivano a rimuovere inquinanti biologici, virus e batteri.

Un kit completo di filtri per sistemi domestici ad osmosi inversa. Fonte: https://danireef.com, Complete kif for reverse osmosis

La principale differenza che delinea le prime due macro categorie è il punto di installazione. Esistono sistemi da banco, che sono a tutti gli effetti dei piccoli elettrodomestici, e sistemi da montare direttamente sui tubi dell’acqua corrente. Questi ultimi sono meno significativi da analizzare per lo sviluppo di questo progetto, ma comprenderne le tecnologie di funzionamento può risultare comunque utile. Un’altra differenza sostanziale è segnata dalla tipologia di filtrazione adoperata. Le tecnologie utilizzate per i sistemi che andremo ad analizzare sono la filtrazione meccanica (micrometrica e nanometrica), la purificazione con l’impiego di lampade UV-C, la filtrazione tramite carboni attivi, la filtrazione per osmosi inversa, la depurazione a scambio ionico e la filtrazione tramite filtranti naturali. Queste differenze portano allo sviluppo di prodotti con diverse prestazioni, diversi ingombri e diversi posizionamenti all’interno dell’ambiente domestico.

Da quando negli anni dieci del secolo scorso si è diffusa la disinfezione chimica dell’acqua, il numero di epidemie legate all’acqua, come colera e tifo, si sono ridotte drasticamente, a testimoniare i vantaggi che porta la disinfezione dell’acqua.

L’applicazione di una tecnologia o di un’altra rende il prodotto vincolato ad un unico posizionamento o svincolato da esso. Segue un’analisi di ogni tipologia di purificatori domestici sul mercato.

Caraffe filtranti Le caraffe filtranti sono i prodotti per il trattamento dell’acqua più comuni. Sfruttano la tecnologia più semplice, quella della filtrazione meccanica per caduta, adoperando filtri micrometrici, polimerici o ceramici, che vanno generalmente dai 10 micron ai 5 micron. Le dimensioni ridotte del filtro ne rendono la vita piuttosto breve, e il fatto che siano fatti su misura per la caraffa che si possiede, e che non sono universali, ne fa aumentare il prezzo di acquisto. Le caraffe filtranti sono ideali per trattare l’acqua del rubinetto riducendone il cloro, le incrostazioni di calcare, i metalli pesanti e le particelle di sporco. Un sistema del genere è infatti in grado di chiarificare l’acqua, rendendola limpida, e di portare nei range di sicurezza gli inquinanti inorganici. La capienza dei serbatoi dell’acqua filtrata è sempre di circa un litro e mezzo. Il lato positivo è che questo sistema elimina gli inquinanti senza rimuovere i sali minerali, che rendono l’acqua nutriente. Le caraffe filtranti sono sistemi compatti, svincolati sia dalla rete elettrica che da quella idrica, e questo ne fa dei sistemi estremamente versatili e a loro agio nel panorama domestico.

Tra le criticità di questi sistemi ci sono la breve durata dei filtri, che si aggira attorno a 1-2 mesi, la non immediata restituzione dell’acqua, che per filtrare in gravità richiede qualche minuto, e il fatto che questo sistema non abbia alcun potere contro i contaminanti organici come batteri e virus, che anche dopo la filtrazione rimangono presenti nell’acqua. In Italia le caraffe filtranti più comuni sono le Brita, ma nel resto del mondo è la BWT a dominare il mercato. I prodotti dei due produttori sono paragonabili sotto tutti gli aspetti, perciò verrà analizzata soltanto una caraffa filtrante.

La caraffa filtrante presa in esame è la BWT Penguin, significativa del prodotto medio di questa tipologia. Ha una capienza di 2,7 litri divisa in due serbatoi, uno per l’acqua da filtrare e il secondo per l’acqua filtrata. Il sistema funziona per caduta, e l’acqua si fa strada per una coppia di filtri micrometrici dall’alto verso il basso, così che da essa siano rimosse le particelle inorganiche di sporco e i metalli pesanti. I filtri però non standard, perciò il loro costo non è tra i più bassi ed è dettato dal produttore. Esistono delle varianti di questo filtro che rendono il dispositivo un sistema filtrante a carboni attivi. L’applicazione di questa tecnologia ad oggetti del genere è sempre delicata, dal momento che, se non sostituiti, i filtri diventano un ricettacolo di batteri e sono in grado di peggiorare la qualità dell’acqua. La caraffa filtrante va riempita manualmente, presenta un indicatore elettronico che indica il momento in cui è necessario sostituire il filtro e può essere messa in frigorifero per raffreddare l’acqua.

La caraffa filtrante BWT Penguin. Fonte: https://www.bwt-filter.com

Caraffe filtranti con lampade germicida UV-C Esiste una variante delle classiche caraffe filtranti realizzata per sopperire alla mancanza di potenziale nei confronti degli inquinanti organici, le caraffe filtranti con lampade germicide UV-C. Ne esistono ancora poche sul mercato, ma stanno sempre più prendendo piede. Come funzionamento sono in tutto simili alle caraffe filtranti tradizionali, eccetto per il fatto che presentano alla base una lampada germicida che viene immersa nell’acqua già filtrata meccanicamente. Per questioni di trasportabilità lampada è alimentata da un pacco batterie presente nel dorso posteriore della caraffa, ma proprio perché è una batteria ad alimentarla, la lampada ha una bassa potenza, che porta ad un’efficienza scarsa. Il fatto che il fascio di luce non sia concentrato peggiora ulteriormente l’efficienza di un oggetto che, per eliminare realmente tutti i batteri presenti all’interno del contenitore, avrebbe bisogno di un tempo piuttosto lungo, dell’ordine delle ore, e di un liquido in continuo movimento.

Una lampada germicida Philips, capace di generare radiazione UV-C. Fonte: http://www.lighting.philips.it

Un ulteriore punto critico di questo sistema è il fatto che ci sia bisogno di ricaricare spesso la batteria. Il costo di una caraffa filtrante con lampada germicida è circa quattro volte superiore rispetto a quello di una caraffa tradizionale, e il fatto che la capacità germicida di una lampada alimentata con una batteria molto compatta sia molto limitata ne rende l’acquisto non conveniente. Xiaomi ha recentemente prodotto una caraffa filtrante con una lampada germicida UV all’interno. La caraffa ha una capienza di 3,5 litri divisa tra serbatoio di acqua da filtrare e serbatoio di acqua filtrata. Dei LED sul manico indicano lo stato del filtro micrometrico e della lampada, e fanno capire all’utente quando è necessario sostituirli. Anche in questo caso il filtro micrometrico è personalizzato dalla casa, quindi ha costi leggermente maggiori.

La caraffa filtrante UV Xiaomi Viomi. Fonte: https://www.mi-italia.it/xiaomi-viomi

Il grosso svantaggio di questo sistema è il bisogno di dover caricarne la batteria. In fase di utilizzo un cavo di alimentazione non attaccato a nessuna base in cucina può essere un noioso impedimento.

Sistemi di filtrazione micrometrica da banco Esistono sistemi di filtrazione più complessi che sfruttano la filtrazione meccanica con filtri micrometrici. Questi sistemi sono poco comuni nelle abitazioni, ma molto utilizzati negli esercizi pubblici per trattare l’acqua corrente prima di essere utilizzata. I sistemi di filtrazione micrometrica da banco si differenziano per l’impiego di un solo filtro o di molteplici filtri, e per la connessione alla rete idrica domestica oltre a quella elettrica, o solo a quella elettrica. Rispetto a queste discriminanti i prodotti raggiungono prestazioni diverse. Per via del bisogno di pressione, i sistemi filtranti che purificano l’acqua in tempo reale, senza dover attendere che l’acqua attraversi il filtro per gravità, sono legati alla rete idrica. Alcuni sistemi con un unico filtro sono spesso legati solo alla rete elettrica, e la poca pressione necessaria a filtrare l’acqua è data da una pompa interna. Lo svantaggio di quest’ultima soluzione sta nel bisogno di ricaricare d’acqua il sistema in maniera manuale.

Quest’ultima tipologia di sistemi presenta anche un serbatoio per l’acqua da filtrare. I prezzi tra le due tipologie variano molto. Per i sistemi a filtro unico i prezzi si aggirano attorno ai 100€, mentre per i sistemi multi-filtro, ideali per filtrare quantità importanti di acqua, il prezzo sale e si attesta attorno ai 500€. Come per le caraffe, anche questi sistemi sono in grado di trattenere metalli pesanti, cloro e calcare, e hanno quindi la potenzialità di chiarificare l’acqua. I sistemi non agiscono sugli inquinanti organici, e non possono quindi de-batterizzare l’acqua o eliminarne i batteri. Le dimensioni sono contenute e fanno di tali sistemi dei piccoli elettrodomestici. Tra i sistemi con filtro singolo e quelli con filtro multiplo le dimensioni non variano molto; l’ingombro maggiore dato dai molteplici filtri è bilanciato con l’assenza del serbatoio. Il costo dei filtri è molto basso, si parla di circa 5-10€ a filtro; il loro tempo di vita è discreto, si aggira attorno ai 3 mesi per i sistemi mono-filtro e sale fino a 6 mesi per i sistemi multi-filtro.

Angy Soda, un sistema di filtrazione micrometrica da banco. Fonte: https://www.angy.com

Il flusso d’acqua dei sistemi multi-filtro legati alla rete idrica è paragonabile a quello dell’acqua corrente, quindi dell’ordine dei 4 litri al minuto, mentre per i sistemi a filtro singolo si attesta sui 2 litri al minuto, comunque più che adeguato. Quest’ultima categoria ha l’ulteriore vantaggio della versatilità di posizionamento, visto che il sistema è svincolato dalla rete idrica. I sistemi multi-filtro permettono di arrivare progressivamente ad una filtrazione di 1 micron, che in relazione ai 5 micron raggiungibili con i sistemi mono-filtro garantisce una filtrazione più accurata dagli inquinanti inorganici, ma non arriva ad eliminare gli inquinanti organici, tra cui virus, batteri e parassiti. Angy è un’azienda italiana che produce depuratori domestici, per ufficio e per bar o ristoranti. Il loro depuratore domestico si chiama Angy Soda, e permette di depurare l’acqua corrente fino a chiarificarla, adottando una serie di tre filtri, due dei quali micrometrici.

Il terzo filtro è un filtro ancora una volta micrometrico ma a carboni attivi, che addolcisce l’acqua, trattenendo una parte del calcare, ed elimina anche una parte dei batteri, sebbene non si possa parlare di depuratore da agenti organici. Il valore negativo di questo sistema è l’ingombro non indifferente all’interno dell’ambiente domestico, dato dall’utilizzo di più di un filtro reso necessario per garantire una minima azione anche verso i batteri. I tempi di manutenzione sono nella media, aggirandosi ai sei mesi per i filtri tradizionali e ai tre mesi per il filtro a carboni attivi, e i costi sono leggermente elevati, dovendone sostituire tre. Il prezzo della macchina è di 699 €, e questo fa della Angy Soda un prodotto poco appetibile per una famiglia.

I filtri rimangono comunque economici, il loro costo si aggira attorno ai 10-15€. Questi sistemi andrebbero utilizzati su acque già limpide, quindi non contaminate, per eliminare il cloro e i suoi sottoprodotti, e per ritenere un po’ di calcare, così da rendere l’acqua meno dura. Con le acque più torbide, che necessitano di eliminare principalmente lo sporco, funzionano meglio i filtri micrometrici.

Sistemi filtranti a carboni attivi

Questo fenomeno non è da sottovalutare, in quanto può diventare piuttosto pericoloso, specialmente se il filtro è in contatto continuo con l’acqua. Il costo di un sistema di filtrazione a carboni attivi oscilla tra i 200 € e i 400 €.

I sistemi di filtraggio che adoperano i carboni attivi sono presenti sul mercato dei prodotti domestici come bobine da installare sui tubi dell’acqua corrente o come piccoli elettrodomestici da riporre sul piano della cucina. In questa seconda conformazione hanno dimensioni compatte, paragonabili a quelle dei sistemi con filtri micrometrici.

La mancata manutenzione dei filtri a carbone attivo può creare seri problemi: il carbone è molto reattivo con alcuni ceppi di batteri, che possono inserirsi nei piccoli fori del filtro e iniziare a proliferare fino a bloccarlo completamente.

Tali sistemi sono spesso scollegati dalla rete idrica, ma versioni più grandi e con portate maggiori lo sono. In relazione ai modelli, adoperano un solo filtro o due, e in ogni caso non hanno bisogno di elevate pressioni. La filtrazione con i carboni attivi è composta da un filtro a carbone composito con ioni d’argento. Questo filtro assorbe cloro, atrazina, solventi, pesticidi e clorurati, e gli ioni d’argento sono in grado di svolgere un’azione batterio-statica, evitando che il ristagno dell’acqua nei filtri provochi la proliferazione batterica.

Xiaomi Jimmy, un sistema domestico di purificazione a carboni attivi. Fonte: https://www.mi-italia.it/xiaomi-jimmy

I filtri a carbone richiedono una certa manutenzione, visto che devono essere sostituiti periodicamente, circa ogni tre mesi. Essi non sono fatti per rimuovere batteri, nitrati o eventuali metalli presenti nell’acqua, tuttavia riescono ad avere un adeguato livello di filtrazione di sostanze inorganiche.

Sono pochi i prodotti da banco che usano questa tecnologia, visto che spesso si vedono filtri a carboni attivi sotto forma di cartucce da montare direttamente sui tubi dell’acqua corrente.

Questi sistemi, infatti, presentano una successione di filtri che arrivano a dimensioni nanometriche, e che quindi durante il filtraggio riescono a bloccare il passaggio di quasi tutti i tipi di batteri.

Tra i sistemi di filtrazione domestica a carboni attivi c’è un prodotto da banco realizzato da Xiaomi. Questo sistema presenta due filtri a carboni attivi che non solo chiarificano l’acqua eliminando buona parte delle particelle inorganiche di sporco e depurandola dal calcare e dal cloro, ma permettono anche una discreta azione antibatterica che rimane comunque limitata se comparata alla potenza della de-batterizzazione UV.

Sfruttando le alte pressioni, questi sistemi riescono a depurare l’acqua in modo immediato, ma sono molto dispendiosi a livello energetico. I filtri richiedono inoltre molta manutenzione, specialmente se adoperati con acque particolarmente dure o ricche di sedimenti. Il ciclo di vita di un filtro si aggira attorno ai 3 mesi. Le cartucce osmotiche non sono economiche, e il loro prezzo si aggira attorno ai 50€.

Il sistema in questione ha lo svantaggio di essere molto ingombrante per via del sistema di raffreddamento dell’acqua, che ne incrementa notevolmente le dimensioni. In termini di filtri, un sistema che adopera due filtri a carboni attivi occupa all’incirca come un sistema di multifiltrazione meccanica. Il grosso svantaggio di tali sistemi risiede però nel rischio dato dai filtri a carboni attivi di insediamento delle colonie di batteri all’interno.

Un contro dell’osmosi inversa è l’impoverimento dell’acqua. I filtri micrometrici, infatti, oltre a raccogliere i batteri, bloccano anche il passaggio di alcuni sali minerali. È necessario infatti reintegrare la salinità dell’acqua trattata per osmosi inversa, utilizzando specifici prodotti.

Ci sono dei tipi specifici di protozoi e di batteri che riescono a convivere con il carbone attivo, insediandosi nelle piccole cavità e formando colonie di batteri, vanificando il potere di de-batterizzazione del sistema e peggiorando a volte la qualità dell’acqua. Più è grande il filtro a carboni attivi, più filtri sono adoperati, maggiore è il rischio di andare incontro a questo problema. Ciò rende molto più frequente in via precauzionale la sostituzione di questi tipi di filtri.

Sistemi di filtrazione per osmosi inversa

I sistemi che adoperano la filtrazione per osmosi inversa si applicano direttamente sui tubi dell’acqua corrente. Non sono presenti piccoli elettrodomestici che adoperano questa tecnologia di filtraggio proprio perché è estremamente ingombrante e molto costosa. Il punto di forza della filtrazione per osmosi inversa è la capacità di eliminare virus e batteri tramite la filtrazione meccanica.

Questa tecnologia di purificazione è la seconda più usata nei grandi centri di distribuzione, in alternativa all’utilizzo del cloro. La filtrazione per osmosi inversa viene applicata a livello domestico con i prodotti considerati soltanto se è necessario trattare tutta l’acqua dell’abitazione, compresa quella usata per i servizi igienici. L’unica situazione in cui risulta effettivamente conveniente è questa, così da sfruttare la capacità di filtraggio di una grande quantità d’acqua. Purificare e de-batterizzare l’acqua utilizzata per i servizi igienici può risultare importante in situazioni in cui il rischio di contaminazione delle acque è conclamato, o in contesti in cui le infrastrutture di depurazione delle acque non sono efficienti o sono assenti. Tali sistemi vengono infatti adoperati spesso nelle abitazioni e nelle strutture situate in zone in cui le acque sono trattate male o non sono trattate affatto. Il prezzo di un sistema di filtrazione ad osmosi inversa può agevolmente superare i 1000€, arrivando per quelli più complessi e completi fino a 3000€.

AEG produce un sistema di filtrazione per osmosi inversa che ha riscosso un discreto successo di mercato. Il sistema è composto da un basamento contenente l’alloggiamento per tre filtri meccanici con dimensioni che vanno dalle micrometriche alle nanometriche. Connesso alla base con i filtri c’è un piccolo autoclave che aiuta l’acqua corrente a raggiungere i 7 bar di pressione richiesti dai filtri. Il prodotto in questione è un sistema da montare sotto il lavello. Non esistono ad oggi alternative da banco, visto che la filtrazione per osmosi inversa richiede l’utilizzo di diversi filtri e ha il bisogno di aumentare la pressione dell’acqua.

Un prodotto del genere ha bisogno anche di qualche accortezza in fase di utilizzo, dal momento che l’acqua che viene prodotta può risultare povera di sali minerali. Questa problematica non lo rende adatto per l’ambiente domestico quanto piuttosto per un’attività di ristorazione.

Un sistema di filtrazione per osmosi inversa da montare su tubi dell’acqua. Fonte: https://culligan.it/sistemi-osmosi-inversa-domestici

Un sistema di purificazione per osmosi inversa da montare sotto lavello. Fonte: https://www.aeg-trattamentoacqua.it/osmosi_1012156.html

Depuratori d’acqua domestici a scambio ionico I depuratori a scambio ionico sono sistemi che adoperano in piccola scala una tecnologia utilizzata in ampia scala. La depurazione a scambio ionico impiega ioni, ovvero atomi carichi elettricamente, per eliminare il potenziale biologico di un fluido. L’energia rilasciata dagli ioni, infatti, è in grado di eliminare molte forme di alghe, virus e batteri che si sviluppano nell’acqua. Prima dell’avvento delle lampade germicide, questo sistema era l’unica alternativa ai filtri meccanici nanometrici per eliminare virus e batteri. Lo svantaggio di questo sistema sta nel fatto che anche elementi come magnesio e calcio, capaci di reagire, trasformarsi e decadere con l’applicazione di corrente elettrica, vengono eliminati dall’acqua. Ciò impoverisce l’acqua dai sali minerali e implica una reintegrazione parziale con l’utilizzo di sostanze aggiunte che vengono disciolte nell’acqua depurata.

Il prodotto ha un costo ragionevole di 150€, ma una vita utile dei filtri limitata, specialmente per il filtro con i fori più piccoli. La sostituzione è necessaria ogni sei mesi, e il costo dei filtri non è contenuto: Si parla di 50€ per la coppia di filtri a maglia larga, e 60€ per il filtro nanometrico.

Esistono piccoli sistemi domestici che utilizzano per depurare l’acqua lo scambio ionico, ma sono datati e ormai poco competitivi in relazione ai nuovi dispositivi che adoperano lampade germicida. I depuratori d’acqua domestici a scambio ionico non sono molto ingombranti, risultano paragonabili come dimensioni ai sistemi filtranti meccanici. Tuttavia hanno prezzi maggiori di quelli della media e impiegano filtri costosi. La durata dei filtri si aggira attorno ai 3 mesi, nella media con gli altri sistemi di filtrazione.

Per via delle grandi dimensioni richieste, non esistono prodotti domestici e compatti che utilizzano lo scambio ionico. In ambito domestico, d’altronde, è sufficiente filtrare l’acqua da bere, poiché quella adoperata nella preparazione dei piatti viene generalmente sottoposta ad elevate temperature, perciò la carica batterica è eliminata.

I sistemi domestici di depurazione a scambio ionico sono spesso legati alla rete idrica. Spesso, anziché essere posizionati sui piani della cucina, vengono montati sotto al lavello e collegati ad un apposito rubinetto. Alcuni sistemi, invece, presentano l’erogatore per riempire bicchieri e caraffe, e sono quindi destinati al posizionamento sul piano d’appoggio. I prezzi di questo tipo di depuratori oscilla tra i 500€ e i 1000€. L’azienda Acquabrevetti produce un addolcitore d’acqua a scambio ionico chiamato Bravocab. Il sistema è strutturato in modo da filtrare l’acqua tramite la resina per lo scambio ionico e da arricchirla successivamente con i sali minerali. Il prodotto è ingombrante, poiché ha bisogno di contenere la riserva di resina (circa 11 litri) e sali. È un oggetto totemico, non da banco, ma stand-alone, partendo da terra e arrivando ad un’altezza adeguata all’utilizzo.

Il prodotto non ha erogatori, ma l’acqua trattata viene portata direttamente nei tubi che poi la distribuiranno alla casa. Il sistema di filtrazione è quindi connesso alla rete idrica sia in entrata che in uscita. Bravocab è un sistema completo pensato per rendere potabile e de-batterizzata l’acqua corrente dell’edificio in cui viene adoperato, ed è per questo che è una soluzione scelta principalmente dalle attività di ristorazione per avere la certezza di utilizzare acqua di qualità nelle preparazioni. L’autonomia del sistema prima del bisogno di sostituire il filtro è di 12 mesi se la macchina è utilizzata intensamente. Il costo di tale macchina è di €1240, ma la stessa azienda ne produce di portata minore con costi che partono da €720.

Depuratore d’acqua domestico a scambio ionico Acquabrevetti Bravocab. Fonte: https://www.acquabrevetti.it/prodotti-3/linea-domestica

Depuratore d’acqua domestico a scambio ionico Acquabrevetti Bravodos. Fonte: https://www.acquabrevetti.it/prodotti-2/linea-domestica

Sistemi di depurazione naturale

Indipendentemente da quali siano gli elementi naturali che sono utilizzati per filtrare, il discorso fatto relativo alla poca praticità e all’impossibilità di soddisfare il fabbisogno di una famiglia rimane. Dopotutto, per filtrare elevate quantità d’acqua servirebbero anche grandi quantità di materie prime, che sarebbero in grado di superare il costo di un filtro meccanico.

Menia, sistema di purificazione naturale sviluppato da Francesca Daloiso Fonte: foto personale, Salone del Mobile di Milano, 2019

Semi di Moringa Oleifera Fonte: https://favella.it/blo.g/moringa-oleifera

Esistono alcuni sistemi che impiegano esclusivamente materie prime naturali per depurare l’acqua da sporco e batteri. Tali sistemi sono pensati per un utilizzo non gravoso, trattano poca acqua per volta, e non restituiscono immediatamente l’acqua pulita, bensì richiedono un tempo d’attesa dovuto alla colata per gravità e all’attivazione dei processi naturali necessari alla purificazione. È chiaro che i depuratori naturali non siano adatti per soddisfare il fabbisogno giornaliero di una famiglia, ma sono importanti da riportare in questa ricercaperché presenti sul mercato come prodotti innovativi ed ecologici. Una interessante sperimentazione è stata effettuata da Francesca Daloiso, una studentessa di Design del Prodotto Industriale alla NABA, che ha sviluppato come tesi di laurea un sistema di purificazione d’acqua che sfrutta elementi naturali. Questo progetto, chiamato Menia, è stato presentato al Salone del Mobile di Milano del 2019 come il sistema più economico e al 100% naturale per purificare l’acqua. L’oggetto è costituito da una caraffa di vetro sulla quale viene disposto un ampio filtro che contiene i materiali naturali necessari alla filtrazione. Tali materiali sono la fibra di noce di cocco e i semi di Moringa Oleifera, una pianta africana che purifica l’acqua torbida da batteri, metalli pesanti e tossine agglomerando lo sporco e facendolo decadere sul fondo del contenitore d’acqua. Sia la fibra di cocco che i semi di Moringa Oleifera sono facili da trovare nei negozi di bricolage. Completato il filtraggio l’acqua ne risulta limpida e senza batteri. Il sistema però non è immediato, poiché è necessario aspettare che l’acqua fluisca lentamente nella caraffa. Inoltre il filtro naturale va sostituito molto spesso, ogni 2-3 litri di acqua filtrata, e questo ne pregiudica la praticità.

Sistemi di purificazione meccanica combinata all’UV-C L’ultima categoria che prendiamo in considerazione è quella dei sistemi di purificazione meccanica combinata a lampade germicida. Questa tipologia è ancora poco esplorata, e ad oggi sono pochissimi i sistemi sul mercato che coniugano la filtrazione meccanica micrometrica per eliminare lo sporco con la filtrazione luminosa tramite lampade germicida a radiazione UV-C per eliminare virus e batteri. Fino a poco tempo fa le lampade germicida venivano applicate soltanto a ridosso dei tubi dell’acqua corrente, per de-batterizzare l’acqua in entrata che portava al lavandino della cucina. I sistemi da applicare sui tubi sono i più performanti e permettono di filtrare immediatamente l’acqua in un unico passaggio. Essi sono realizzati a partire da un tubo di metallo dentro il quale viene inserita una lampada UV-C alogena di forma cilindrica. Tra tubo metallico e lampada intercorre un piccolo spazio in cui viene fatta passare una lamella d’acqua, ed è proprio la forma sottile che prende l’acqua a garantire la de-batterizzazione completa.

Questo bisogno rallenta il processo e lo rende meno fluido, richiede di dover ricaricare l’acqua nella macchina e di farla decantare per altri minuti. La restituzione dell’acqua in definitiva è immediata solo se il serbatoio è pieno, ma una volta svuotato è necessario aspettare che altra acqua venga esposta alla radiazione luminosa. La filtrazione meccanica da sporco e metalli pesanti, invece, è immediata. Questi sistemi utilizzano filtri micrometrici lineari che permettono di erogare subito acqua pulita, anche se il sistema rimane fermo per diverso tempo. Questo è un vantaggio non indifferente, perché permette all’oggetto di spillare sempre acqua purificata al momento. Per quanto riguarda la componentistica, la lampada ha una vita molto lunga, che arriva ad un anno, mentre il filtro micrometrico va sostituito ogni tre/sei mesi, ma ha un costo veramente contenuto, circa 5€, ed è molto semplice da sostituire.

I sistemi domestici di purificazione meccanica e luminosa hanno invece la forma di piccoli elettrodomestici da banco, e nascono con l’intenzione di filtrare meccanicamente lo sporco, tramite filtri micrometrici che vanno dai 5 ai 10 micron, e contemporaneamente di eliminare virus e batteri adoperando una lampada UV-C germicida. La complicazione sta nel fatto che la parte germicida di tali sistemi non è ottimizzata come quella dei sistemi di lampade UV-C da collegare ai tubi dell’acqua corrente, perché non è racchiusa in uno spazio ristretto, perciò il fascio è meno concentrato e l’acqua attorno si disperde.

Questo porta ad una de-batterizzazione non immediata, con l’acqua filtrata meccanicamente che viene raccolta in un serbatoio ed esposta per diversi minuti alla luce dispersa della lampada germicida.

Un sistema di de-batterizzazione UV domestico, da inserire sui tubi. Fonte: https://www.lenntech.it/sistemi/uv/disinfezione-uv.htm

Ci sono pochi prodotti sul mercato che uniscono la filtrazione micrometrica alla filtrazione germicida UV-C, e uno di questi, realizzato da Xiaomi, e il Viomi X3. Il sistema presenta due filtri micrometrici, da 5 e 1 micron, e una lampada germicida che genera un fascio di luce non concentrato che si diffonde nell’acqua filtrata meccanicamente che sta per essere erogata. Il prodotto si prefigge di bloccare lo sporco tramite i filtri meccanici, ma di eliminare una parte degli inquinanti organici più grossi tramite le maglie fitte del filtro meccanico, che si limita ad essere micrometrico e non nanometrico, e da questo aspetto ne trae giovamento la vita utile dei filtri.

Il purificatore d’acqua domestico meccanico e UV Xiaomi Viomi X3. Fonte: https://it.gearbest.com/other-home-improvement

Con una fonte luminosa a lunghezze d’onda dell’ultravioletto il sistema garantisce un’ulteriore diminuzione dei batteri e dei virus nell’acqua. La verità è che per avere un’acqua pura è necessario che venga colpito un sottile strato per volta, cosa che non avviene. Il prodotto infatti garantisce soltanto un ridimensionamento della carica batterica presente nell’acqua, e non un’eliminazione.

Filtrazione UV-C, i vantaggi

Ad ogni modo rimane significativo nella nostra analisi poiché dimostra che è possibile inserire un filtro micrometrico e una lampada UV all’interno di un prodotto domestico compatto da banco.

L’applicazione delle lampade UV-C per la realizzazione di filtri germicidi presenta diversi vantaggi in relazione alle altre tecnologie presenti in grado di eliminare i batteri.

Dalle informazioni raccolte precedentemente si è potuto evincere che le filtrazioni meccaniche applicabili a prodotti domestici per renderli convenienti sia a livello di dimensioni che a livello economico e di praticità d’uso, hanno bisogno, per eliminare i batteri, di essere supportate da trattamenti ulteriori.

Il lato più importante della de-batterizzazione UV è la possibilità di uccidere il 99,99% dei batteri con pochi secondi di esposizione, compresi quei ceppi di batteri che riescono a resistere al cloro. Il Cryptosporidium, la Pseudomonas Aeruginosa e la Giarda hanno sviluppato un’immunità al cloro che impone di utilizzarne una quantità che può arrivare a risultare dannosa perfino per l’uomo, mentre è impossibile che virus e batteri acquisiscano resistenza ai raggi UV-C.

Il purificatore d’acqua domestico meccanico e UV Beghelli Aquapura. Fonte: https://www.beghelli.it/it/prodotti/prodotti-per-la-casa

Sostituire il cloro con il trattamento UV-C elimina il problema dei sottoprodotti residui pericolosi per la salute e per l’ambiente rilasciati dai disinfestanti chimici. nell’acqua, non andando a rimuoverli.

Produrre disinfestanti chimici fa spesso poco bene all’ambiente, mentre il sistema UV-C, lavorando con prodotti non consumabili, ha un impatto molto basso, che rimane basso per tutto il ciclo di vita della lampada, ammortizzandosi per tutti i litri d’acqua consumati nel tempo di vita di essa. L’assenza di sottoprodotti generati durante l’uso e l’annullamento del problema dell’adattamento da parte di virus e batteri non sono i soli vantaggi forniti dall’applicazione dell’ultravioletto. I sistemi di de-batterizzazione UV-C sono infatti facili da installare, richiedono una bassissima manutenzione, che è limitata alla sostituzione della lampada una volta all’anno, e hanno un costo di operatività molto basso. Inoltre tale sistema ha il vantaggio di non interferire con i minerali presenti L’azione delle lampade germicida mantiene sempre lo stesso grado di efficacia, senza la variabilità che i disinfettanti chimici mostrano, avendo il massimo potere solo al momento del loro uso. Ogni batterio, virus, patogeno o acaro necessita di una specifica dose di UV-C per essere disattivato o eliminato, calcolata in tempo in relazione all’intensità del fascio di luce. Esistono documenti riconosciuti in maniera universale che riportano questi valori, che vanno dalla frazione di secondo a qualche secondo. I tempi di esposizione sono quindi abbastanza contenuti da poter considerare la purificazione un atto immediato legato direttamente all’erogazione. La quantità di dose che i microorganismi ricevono è il prodotto dell’intensità dell’energia UV per il tempo di esposizione. I tempi di esposizione necessari per eliminare le varie specie di virus, batteri e protozoi sono indicati dal Manuale di Disinfezione UV-C dell’USEPA. Per utilizzare i raggi UV-C c’è bisogno di tenere in considerazione quelli che sono i limiti di tale tecnologia.

La radiazione di queste frequenze, per esempio, non è in grado di penetrare i corpi solidi. I materiali che non interrompono il passaggio della lunghezza d’onda germicida sono pochissimi, il quarzo e alcuni particolari materiali plastici, come il polietiliene, e il tetrafluoro.

Tra i vetri c’è un’eccezione, ed è quella dei vetri al quarzo, con cui sono costruiti i tubi delle lampade alogene UV-C. Con questo materiale vengono costruiti anche i tunnel in cui vengono inserite le lampadine nei sistemi che utilizzano tale sistema come metodo germicida. Tali tunnel, sigillati alle estremità, fanno in modo che i raggi UV passino dalla lampada al liquido, senza che essa sia a contatto con l’acqua. Le lampade germicida ad onde UV-C sono economiche e hanno una buona durata. Inoltre lavorano a bassa pressione, perciò non scaldano al di sopra dei 40°C; questo non rende necessario il raffreddamento del liquido che trattano. Come tutte le lampade alogene, soffrono un deterioramento maggiore in fase di accensione, il quale può essere eliminato aggiungendo al sistema un soft-start. La cosa positiva è che gli alimentatori e gli elevatori di tensione fungono già da soft start, e diversi oggetti domestici che presentano lampade alogene e richiedono l’accensione e lo spegnimento ripetuti adottano un elevatore di tensione per la lampada che funge anche da soft start. Incrementare il deterioramento delle lampade in fase di accensione ne aumenta di molto la vita utile. Normalmente le lampade germicida hanno una vita utile di utilizzo di circa 9000 ore. Ad ogni modo, all’interno delle lampade ci sono dei gas, che col tempo tendono a diradarsi, per questo i produttori di lampade spesso indicano un tempo limite che non deve essere superato di circa 15-18 mesi, dopo i quali le lampade iniziano a perdere la loro potenza germicida. Superati i 18 mesi, la luce violetta continuerà ad essere visibile, tuttavia la radiazione UV-C verrà emessa con meno intensità. Il sito di Lenntech, importante produttore di sistemi di purificazione a lampade germicida, riporta che la tecnologia UV è utilizzata in molti settori industriali, fra i quali l’industria farmaceutica, l’industria dell’imbottigliamento dell’acqua potabile, la produzione di cibi e bevande industriali, il trattamento delle acque reflue, l’industria delle piscine, e all’interno delle navi transoceaniche come acqua potabile e acqua di zavorra.

Definizione del concept

Definizione del concept La definizione delle basi su cui si fonda il progetto

Durante l’analisi dei prodotti già presente sul mercato sono emersi due filoni, quello del sistema nascosto che purifica l’acqua che viene veicolata verso il rubinetto tradizionale e quello del sistema a vista, strutturato da piccolo elettrodomestico con uno spazio ricavato al di sotto dell’erogatore per inserire il contenitore da riempire. Entrambi questi filoni si sviluppano cercando di ridurre le dimensioni del prodotto, dal momento che il purificatore è percepito come un oggetto in più rispetto ai tradizionali elementi che popolano una cucina, e ad esso è conferito il compito di popolare un ambiente caotico e spesso altamente popolato. Perché un oggetto come un purificatore non sembri di troppo è necessario non solo che occupi il minor spazio possibile, ma che lo faccia liberando contemporaneamente dello spazio dapprima occupato da un altro oggetto, per farne pesare di meno la sua presenza. Una soluzione che va incontro a questo requisito è quella di integrare il contenitore da riempire all’interno dell’oggetto stesso, stabilendo una posizione in cui il contenitore si posiziona e che lo rende parte di un unico sistema, come se il dispositivo stesso diventasse un dock per la bottiglia.

Un purificatore domestico verrà posizionato nella maggior parte dei casi su piani che hanno al di sopra dei mobili pensili, perciò deve avere un’altezza adeguata che non superi i 55 cm tipici. Inoltre per questa ragione è importante che per il suo uso non sia richiesta nessuna azione che renda necessario un movimento verticale verso l’alto, perché non è detto che lo spazio residuo tra la parte superiore dell’oggetto e la base del pensile sia sufficiente. Nel purificatore UV di Xiaomi i filtri vengono estratti verso l’alto, ma la somma dell’altezza della macchina e del filtro che viene rimosso supera i 60 cm. Ciò implica il bisogno di spostare l’oggetto nel momento della manutenzione, per poter essere in grado di rimpiazzare i filtri, ed è un’azione che sarebbe da evitare. È importante che l’alloggiamento dei filtri sia laterale, in modo da avere più agio nell’inserimento e nella rimozione, dal momento che non c’è la presenza di ostacoli. I sistemi di depurazione che hanno un contenitore specifico in cui spillare l’acqua purificata hanno diversi pro, ma anche dei contro. Sono più compatti ed integrati, tuttavia funzionano bene soltanto con quel contenitore, che magari potrebbe essere in frigorifero. Inoltre, se il contenitore non è presente, possono dare l’impressione di essere incompleti, e spesso espongono lati dell’oggetto non curati che sono tendenzialmente nascosti dalla bottiglia.

I requisiti di un purificatore domestico

È importante per un sistema di trattamento dell’acqua domestico avere la possibilità di funzionare con qualsiasi contenitore, anche se l’oggetto ne ha uno specifico. Non è infatti ammissibile che, se la bottiglia si trova in un altro luogo, il prodotto non possa essere utilizzato. L’analisi dei competitor ci mostra come i prodotti pensati per stare in vista abbiano un linguaggio estetico, sebbene in certi casi non curato nel dettaglio, capace comunque di suggerirci una serie di valori estetici che ritornano più volte. L’utilizzo delle forme pure è spesso legato alla tecnologia produttiva utilizzata e al materiale. Molti sistemi hanno scocche in metallo realizzate per taglio laser e piegatura e non imbutite, perciò la forma si adatta alla tecnica usata e risulta pura, spesso squadrata e a forma di parallelepipedo. Gli oggetti realizzati con stampi in plastica mantengono in parte questo linguaggio, avendo uno sviluppo pressoché

L’integrazione della bottiglia nel gasatore Sodastream Source. Fonte: https://www.sodastream.it/scheda/1/19/144/gasatori/Source/

lineare e sostituiscono agli spigoli vivi dei fillet che in alcune situazioni diventano molto evidenti. Linee tese e raggi di curvatura sviluppano la il contorno di tali oggetti, che hanno alla base una pulizia formale indispensabile per un elemento che ha la funzione di purificare l’acqua e che deve all’occorrenza essere trasparente e poco vistoso. Per aiutare a trasmettere il concetto di purezza, linearità e semplicità, e per essere in definitiva più coerenti con la loro funzione e dare fiducia, i purificatori domestici adoperano colorazioni chiare, tendenti al bianco, accostate da elementi in metallo che danno una percezione tecnica e premium dell’oggetto.

L’ampio utilizzo di materiali trasparenti per i sistemi di purificazione. Fonte: https://www.bwt-filter.com/it/prodotti

L’utilizzo di colori neutri non è solo coerente con la funzione basica dell’oggetto, ma rende l’elemento all’occorrenza trasparente ed in generale poco vistoso, quindi adatto ad inserirsi nell’ambiente sovrappopolato della cucina.

Applicare una lampada germicida ad un depuratore domestico ha diversi vantaggi, e il margine di miglioramento per sviluppare qualcosa che funzioni meglio dei prodotti sul mercato c’è. Il dispendio energetico di un purificatore UV è bassissimo, dovuto principalmente alla lampada, che viene accesa però solo quando ce n’è bisogno. Il punto critico degli attuali sistemi domestici che adoperano lampade germicida sta nella bassa ottimizzazione della lampada, che ha il flusso luminoso diffuso e disperso nel liquido. Ciò che potrebbe garantire una notevole differenziazione rispetto ai competitor sarebbe proprio un’eliminazione immediata degli inquinanti organici, proprio come avviene grazie al filtro micrometrico con gli inquinanti inorganici. Un sistema che affianca ad un filtro meccanico di tipo micrometrico in linea, un filtro a lampada germicida UV-C strutturato come quelli da montare sui tubi, garantirebbe delle prestazioni eccezionali in relazione ad ogni altra tecnologia sul mercato, perché un sistema del genere sarebbe in grado di eliminare virus, batteri e inquinanti inorganici istantaneamente, senza neanche il bisogno di filtrare precedentemente l’acqua, ma depurandola solo quando viene richiesta nella quantità richiesta. Un sistema a gravità o a bassa pressione, infatti, può adottare filtri fino a 5 micron, adeguati per rendere l’acqua cristallina, ma non sufficientemente fitti da non far passare i batteri e i virus, che hanno dimensioni nanometriche.

così da non essere legato alla presenza della bottiglia standard per funzionare, che potrebbe essere non sempre disponibile. Garantire che l’erogatore possa spillare acqua in qualsiasi tipo di contenitore è importante e richiede un approfondimento formale per comprendere dove posizionare l’erogatore e come scassare la scocca in modo da creare la nicchia necessaria affinché il contenitore da riempire possa essere accostato al di sotto dell’erogatore. Anche il pulsante fisico di erogazione richiede un’analisi approfondita per determinare il modo in cui progettarlo. Verosimilmente l’erogatore può avere al di sotto un pulsante da attivare con la spinta del contenitore stesso da riempire, un po’ come le leve dei dispositivi che distribuiscono le bevande nei fast-food, ma se si sta riempendo un contenitore basso che fa fatica ad arrivare alla quota necessaria per attivare il pulsante, come ad esempio una pentola, è importante avere un secondo pulsante che sopperisca a questa mancanza e ne mantenga agevole l’utilizzo. Sono questi casi un po’ estremi, tendenti ai misuses che portano alla definizione delle specifiche del prodotto in modo che sia adatto all’ambiente domestico. È l’oggetto che deve essere versatile ed adattarsi alle situazioni e ai bisogni dell’utente, non viceversa.

L’ambiente domestico e il bisogno di versatilità

I pensili di una cucina moderna rendono difficile l’utilizzo di oggetti alti. Fonte: https://www.housebeautiful.com/

La versatilità è un elemento fondamentale nello sviluppo di un prodotto che richiede di essere utilizzato in un ambiente domestico. È difficile supporre quale sarà l’utilizzo specifico del prodotto, perciò è necessario renderlo adatto a tutti i tipi di utilizzo. Per far ciò è necessario principalmente far sì che l’oggetto non richieda un contenitore specifico per funzionare, ma che possa adattarsi all’utilizzo di diversi contenitori,

Il cavo per la connessione alla rete elettrica e l’eventuale tubo per quella alla rete idrica richiedono una certa attenzione. È importante fare in modo che l’uscita del cavo e del tubo possa essere veicolata in modo da farla avvenire in maniera orizzontale dal retro dell’oggetto oppure in maniera verticale dal basso dell’oggetto. Ciò è importante per venire incontro ai diversi piani della cucina. Se tra la cucina ed il muro, o tra la cucina ed il frigorifero, ci sono degli interstizi in cui poter inserire i cavi per portarli al di sotto del piano, dove si connetteranno con la rete elettrica e idrica, il prodotto avrà bisogno di un’uscita orizzontale dal retro. Se il piano non ha interstizi e fessure, è invece necessario creare dei fori al di sotto dell’oggetto, e in tal caso i tubi dovranno scendere verticali a partire dalla base. Considerare un concetto del genere durante la progettazione è importante per fare in modo che l’oggetto risulti il più utilizzabile possibile sin dalla fase di installazione.

Non sporcare durante l’utilizzo e in fase di manutenzione è un prerequisito di base per un elettrodomestico. Sarà necessario predisporre dei contenitori removibili per la raccolta dell’acqua al di sotto dell’erogatore e anche al di sotto dei filtri.

capace di legarsi direttamente al tubo flessibile che porta l’acqua fredda al rubinetto della cucina tramite un semplice sdoppiatore. Questo è un lavoro semplice da effettuare, che si svolge con l’ausilio di due chiavi inglesi, che non dura più di cinque minuti. Proprio come l’installazione, la sostituzione dei filtri durante la manutenzione dev’essere semplice ed immediata. Predisporre degli adattatori sui filtri, da montare esternamente, può semplificare di molto il gesto di inserire il filtro all’interno del dispositivo, richiedendo lo sforzo minore possibile.

La massimizzazione della durata dei filtri e il basso costo Per sviluppare un purificatore competitivo sul mercato è necessario renderne la manutenzione rapida e non costosa. In fase di selezione dei filtri bisognerà quindi considerare, oltre alle prestazioni, la loro durata e il loro costo. Un sistema che adopera filtri costosi, difficili da trovare e con una vita utile molto breve difficilmente attirerà l’attenzione di tanti possibili utilizzatori, mentre un sistema che monta filtri economici, facili da sostituire e con una vita utile garantita molto lunga riesce a convincere maggiormente. La selezione adeguata dei filtri è possibile tramite la considerazione delle ricerche precedentemente effettuate. È apparso evidente come l’accoppiamento tra un filtro micrometrico per chiarificare l’acqua e un filtro a lampada UV per de-batterizzare sia la soluzione più efficiente e più compatta per rimuovere i batteri dall’acqua con un sistema domestico.

Installare l’oggetto alla rete idrica dev’essere semplice. Ciò non deve richiedere l’intervento di un idraulico, ma deve poter essere fatto semplicemente da chiunque. È innanzitutto necessario che l’oggetto richieda una portata non eccessiva, assimilabile a quella dell’acqua corrente, Esistono filtri consumabili e a basso costo che lavorano a basse pressioni, perciò è verosimile pensare ad un sistema

Questo assunto è vero a patto che il filtro UV venga inserito in un sistema capace di rendere l’acqua in forma lamellare, così che la potenza filtrante sia concentrata e non dispersa nell’acqua, come i sistemi UV domestici fanno oggi, ottenendo prestazioni inferiori di depurazione che non garantiscono l’eliminazione di un’adeguata percentuale di virus e batteri.

Quando si effettua la manutenzione e si rimuovono i filtri, il sistema rilascerà l’acqua ancora presente al suo interno: in questa fase sarà necessario predisporre la chiusura forzata dell’erogazione prima di procedere. Sarà anche importante avere un oggetto capace di raccogliere l’acqua che verrà fuori.

Avere un sistema che adoperi in parallelo un filtro micrometrico ed un filtro UV massimizza il tempo prima del quale è necessario effettuare la manutenzione. Il blocco da parte del filtro micrometrico dello sporco fa in modo che il tubo al quarzo che protegge la lampada UV dall’acqua si sporchi molto poco, e questo porta ad abbassare la necessità di interventi di manutenzione. Una lampada UV ha una durata di un anno, o al massimo un anno e mezzo, dopo la quale inizia a perdere la capacità germicida per via del diradarsi del gas presente all’interno. Far arrivare un filtro a durare un anno è un ottimo risultato, considerando che i filtri che adoperano i sistemi sul mercato hanno durate medie di 3-6 mesi.

Un filtro micrometrico standard ha durate variabili, relative alla dimensione dei fori all’interno, Minore è il diametro dei fori, più suscettibile ad intasamento il filtro sarà, quindi in definitiva minore sarà la sua vita utile. Per scegliere il filtro adeguato al sistema da sviluppare è stato tenuto in considerazione questo elemento, e si è deciso di arrivare ad un compromesso tra durata e potere filtrane. La norma in vigore impone un filtraggio micrometrico dell’acqua con filtri con maglia non più larga di 20 micron, capace di eliminare gran parte di elementi inorganici come sporco e metalli pesanti. Il filtro che si è deciso di adoperare è un filtro standard di tipo testa-coda, che lavora a bassa pressione ed ha una maglia larga 5 micron, che garantisce durate di minimo sei mesi, ma che spesso riesce ad estendersi ad u anno. Adoperare sistemi filtranti standard riduce il costo di acquisizione dei filtri di moltissimo, dal momento che è possibile scegliere tra diversi produttori, e trattandosi di prodotti venduti in massa, il prezzo è molto conveniente. Un filtro micrometrico standard di tipo testa-coda, ha un costo che si aggira attorno ai 5€ al dettaglio, e garantisce di durare 6-12 mesi, dipendentemente dalla durezza dell’acqua con cui va a contatto.

La lamapda UV-C Philips TUV 11W FAM/10X25BOX. Fonte: http://www.lighting.philips.com/main/products/uv-purification

Aiutare l’utente a comprendere quando è il momento di sostituire i filtri è un tema molto importante. Dei filtri non che non vengono sostituiti non solo non svolgono il lavoro per cui sono pensati, ma rischiano perfino di peggiorare la qualità dell’acqua. Se si accumula un’eccessiva quantità di sporco all’interno del filtro micrometrico, è possibile che i fori si ostruiscano e inizino ad intrappolare batteri, che crescendo possono andare a peggiorare maggiormente la qualità dell’acqua in entrata. Avvisare l’utente del bisogno di sostituire i filtri è importante, perciò sarà necessario sviluppare un sistema luminoso capace di riportare la vita residua dei filtri e capace in definitiva di riportare il bisogno di sostituzione di essi.

Il filtro micrometrico Ionicore IC-10, con maglia filtrante di 5 micron. Fonte: https://www.termoidraulicarv.com/it/filtri-in-linea

Trasmettere valore tangibile in un mercato poco attento Un punto fondamentale nello sviluppo del progetto riguarda la scelta sul collegamento del prodotto alla rete idrica o sull’autonomia da essa. Su questo punto i competitor tendono a dividersi: c’è chi rende l’oggetto connesso alla rete idrica e chi invece equipaggia il sistema con un serbatoio in cui raccogliere l’acqua da filtrare per svincolarlo completamente dalla rete idrica. Entrambe le soluzioni hanno dei vantaggi e degli svantaggi; l’analisi che ne segue farà protendere verso la scelta di uno dei due sistemi. Il primo ragionamento riguarda l’analisi delle varie connessioni necessarie. Dal momento che il sistema adopera una lampada UV, con potenze richieste non adatte all’alimentazione tramite batterie compatte, è verosimile pensare che sarà necessario collegare l’oggetto alla rete elettrica. Visto che la connessione alla rete elettrica è necessaria, l’ipotesi di non avere il tubo che lega il sistema alla rete idrica inizia a perdere un po’ di significato. Un conto è pensare al sistema come totalmente svincolato da qualsiasi connessione, un altro conto è considerarlo obbligatoriamente legato alla rete elettrica. Una connessione in più non fa la differenza, se non per il momento dell’assemblaggio.

Un sistema legato alla rete idrica potrebbe essere sempre pronto a funzionare, ed eliminerebbe il problema di preoccuparsi della quantità dell’acqua nel serbatoio prima di spillare acqua depurata. Un sistema autonomo con il serbatoio vuoto complicherebbe addirittura il gesto di versarsi da bere e sarebbe quindi percepito come un ostacolo. Un sistema legato alla rete idrica non complica il gesto quotidiano del versarsi da bere, ma può perfino semplificarlo. Se si studia la corretta interazione tra il contenitore dell’acqua depurata e il sistema di depurazione si può ambire a semplificare le azioni necessarie ad ottenere un bicchiere d’acqua, o a riempire d’acqua una bottiglia. Automatizzando alcune fasi e posizionando in maniera corretta i punti di interazione si può ambire a compiere in maniera semiautomatica e con una sola mano dei gesti che prima richiedevano più tempo nonché l’utilizzo di due mani.

Collegare il sistema alla rete idrica non è complesso, ma è certamente da considerare come una complicazione nel momento del montaggio, e può essere percepito come uno scoglio durante l’acquisto. Per fare in modo che ne valga la pena è importante far sì che lo sforzo maggiore richiesto all’inizio venga sfruttato per trasmettere vantaggi tangibili nell’utilizzo quotidiano.

Tali vantaggi potrebbero essere trovati nella possibilità di semplificare l’utilizzo del dispositivo, eliminando il gesto di riempire un contenitore secondario, ma anche nell’opportunità di eliminare qualsiasi eventualità in cui il dispositivo non sia pronto per effettuare la purificazione.

Il sistema di purificazione meccanica e UV Havells Max 7 litres. Fonte: https://www.havells.com/paanisepanga/havells-max.html

La semplificazione di un gesto quotidiano è un fattore che aiuta a far percepire l’oggetto utile anche da parte di chi non sente particolarmente il bisogno di adottare un depuratore domestico. È questo uno dei punti salienti: fare meglio quello che propone il mercato offrendo un valore maggiore che travalica la mera funzione tecnica che sta alla base del progetto.

Rientrando nella famiglia dei piccoli elettrodomestici, dovrà avere l’aspetto e le finiture curate tipiche di un piccolo elettrodomestico, e portando in sé una parte di tecnologia, non sarà un prodotto da inserirsi nella fascia bassa di mercato, bensì competerà a livello economico più verosimilmente con i sistemi domestici a vista analizzati in precedenza.

Basterebbe questa considerazione per valutare l’importanza di essere legati alla rete idrica e adottare questa soluzione, ma ci sono altri elementi che fanno protendere verso la sua applicazione. L’utilizzo di un sistema con un serbatoio per stipare l’acqua da depurare ha diversi problemi igienici.

Il prodotto non sarà il più economico, dal momento che ci sono sistemi di trattamento dell’acqua ben più economici, ma sarà il migliore in termini di prestazioni e di usabilità, il più completo, visto che è capace di eliminare anche i batteri, e tra quelli con la manutenzione più semplice e i filtri più economici. Il goal è quello di raggiungere il costo dei sistemi domestici “a vista” raggiungendo però le prestazioni dei ben più costosi sistemi ben più complessi, come i sistemi per osmosi inversa o a carboni attivi da montare sotto il lavello o sui tubi che portano l’acqua corrente in casa. Sono due i termini che possono portare ad ottenere le massime prestazioni con un sistema relativamente poco costoso e dai filtri economici. Il primo elemento si raggiunge adoperando il concetto di cross-fertilization e utilizzando la radiazione ultravioletta non nel modo in cui viene utilizzata nei sistemi domestici, ma nella maniera in cui è adoperata per i sistemi di grandi dimensioni, ovvero non applicandola in modo diffuso, ma creando la lamella d’acqua di cui si parlava prima.

Nel serbatoio, infatti, la proliferazione batterica continuerebbe, e l’acqua contenuta, se non consumata rapidamente, avrebbe una qualità inferiore di quella di partenza. È per questo che il serbatoio andrebbe lavato quasi quotidianamente, e questo è un gesto che in pochi farebbero e che prenderebbe molto tempo, tempo nel quale il dispositivo risulterebbe non solo esteticamente incompleto, ma anche del tutto inutile. Questo non è ammissibile per un prodotto pensato per servire il bisogno di fornire acqua potabile ad una famiglia. In definitiva la funzione dell’oggetto è quella di liberare tempo e semplificare un gesto per renderne appetibile l’acquisto, perciò ha più senso sacrificare la semplicità di installazione, rendendola di poco più complessa, in modo da usufruire dei vantaggi correlati per i successivi anni di utilizzo del prodotto. Un’installazione complessa si bilancia con una manutenzione semplice e poco costosa, e porta a vantaggi tangibili nel quotidiano e continui nel tempo.

Il posizionamento di mercato

Un tradizionale sistema di filtrazione per osmosi inversa sotto lavello. Fonte: https://writerirju.cf/ispring-installazioni-a-5-stadi

Il de-batterizzatore domestico in esame è un prodotto complesso, che richiede l’utilizzo di componenti elettronici, tubazioni in metallo e molte scocche plastiche.

Il secondo termine sta nel tralasciare la depurazione dell’acqua che non è usata per bere, la quale va bene così com’è. Realizzando un sistema che spilla l’acqua in una bottiglia o in un altro contenitore di piccole dimensioni, si esclude la filtrazione di tutto il resto dell’acqua consumata in casa, cosa che invece avviene parzialmente con i sistemi sotto lavello, che purificano anche l’acqua utilizzata per lavare i piatti, e che avviene completamente con i sistemi di grosse dimensioni da applicare nei tubi di ingresso dell’acqua corrente in casa. Adattando il punto di vista della filtrazione della minima quantità d’acqua possibile, cioè di quella solo veramente necessaria, quindi l’acqua da bere, è possibile adoperare filtri molto più compatti ed economici, pensati per lavorare con basse quantità d’acqua e con flussi molto bassi. Non è un caso, infatti, che per il filtro micrometrico sia stato selezionato un filtro a bassa pressione con maglia da 10 micron e con la forma standard dei sistemi filtranti che vengono applicati all’interno dei frigoriferi con l’erogatore dell’acqua.

Il prodotto non competerà con la caraffa filtrante tipo Brita, ma sarà in grado di offrire molto di più. Sarà in grado di realizzare una filtrazione di alto livello non solo verso gli inquinanti inorganici, ma anche nei confronti di quelli organici. Avrà filtri ottimizzati che saranno in grado di durare più a lungo, e dal costo contenuto, con la possibilità di scegliere il grado di microfiltrazione adeguata. Offrirà un sistema capace di semplificare l’interazione e l’azione necessarie durante il gesto di versarsi da bere così da offrire un vantaggio elevato nel lungo periodo.

Il prodotto

justpure, un purificatore domestico ad alte prestazioni

Introduzione Justpure è un depuratore d’acqua domestico legato alla rete idrica e capace di soddisfare il bisogno di acqua potabile di una famiglia. Il sistema si distingue dal resto dei depuratori domestici sul mercato per via delle migliori prestazioni di depurazione, dovute all’accostamento di un filtro de-batterizzante a lampada germicida UV-C ad un filtro micrometrico per la rimozione degli inquinanti inorganici. La struttura dell’oggetto è quella di una larga base che dà spazio al posizionamento di una bottiglia e allo sviluppo di un volume verticale che contiene le componenti tecniche. L’oggetto studiato in modo da semplificare le azioni che l’utente compie nel momento in cui si versa da bere.

Poggiando la bottiglia sulla base ed applicando pressione in giù, l’acqua verrà spillata e riempirà il contenitore dal basso. Per rendere l’oggetto più versatile, un erogatore standard è montato sulla parete frontale della torre, in modo da poter riempire qualsiasi tipo di contenitore, a partire dai bicchieri. La selezione dei filtri e del resto dei componenti è stata mirata al contenimento dei costi e all’allungamento degli intervalli di manutenzione, nonché alla semplificazione della stessa.

Opportunità di progetto Dalle ricerche effettuate e di cui si è parlato nelle fasi precedenti, è emersa l’importanza e la necessità di fare uso di sistemi di depurazione e de-batterizzazione dell’acqua a livello domestico, a causa della bassa qualità dell’acqua che arriva nelle case, causata dal poco controllo sull’infrastruttura di trasporto, sempre maggiormente soggetta a danneggiamenti.

Il problema da cui nasce questo progetto di tesi è legato proprio a questo, e si prefigge di fare in modo che sempre più gente faccia uso di sistemi di depurazione e de-batterizzazione dell’acqua nelle proprie case. I sistemi domestici presenti sul mercato si limitano a depurare l’acqua da una parte dei contaminanti inorganici o a eliminare in maniera grossolana soltanto una piccola parte dei batteri. Sistemi che garantiscono una de-batterizzazione adeguata sono molto costosi, piuttosto ingombranti e hanno bisogno di continua manutenzione e sostituzione dei filtri.

L’inaccessibilità di sistemi capaci di fornire un’acqua del tutto pura e la poca consapevolezza della scarsa qualità dell’acqua che arriva nelle abitazioni, fa protendere le persone a consumare l’acqua del rubinetto, oppure ad acquistare acqua confezionata o sistemi di filtrazione semplici ed economici come le caraffe filtranti. L’acquisto di acqua confezionata, però, non è una soluzione accettabile a livello di sostenibilità ambientale: confezionare l’acqua e trasportarla richiede un elevato costo energetico, che non aiuta a migliorare la situazione ambientale. Utilizzare le caraffe filtranti, d’altro canto, non è consigliabile a livello di salute, poiché la lor azione non ha forza contro i batteri, e soprattutto rischiano di essere dannose e peggiorare la qualità dell’acqua se non sono manutenute in maniera adeguata. Come si è già detto in precedenza, mediamente in Italia il problema della scarsa qualità dell’acqua non è molto sentito, e anche i rischi relativi all’ingestione di acqua contaminata a livello batterico sono poco conosciuti.

In uno scenario del genere il purificatore domestico prende un significato molto importante divenendo indispensabile per poter consumare l’acqua corrente, eppure l’inserimento sul mercato di un prodotto per la purificazione dell’acqua rimane complesso per via del poco interesse verso questi problemi. In una situazione del genere spiccare e farsi notare richiede uno sforzo maggiore. È importante non solo avere delle prestazioni superiori alla concorrenza o delle dimensioni più compatte può non bastare, specialmente perché il prezzo di un sistema de-batterizzante sarà per certo superiore a quello di una semplice caraffa filtrante, ma diventa necessario anche fornire qualcosa in più durante l’utilizzo. Per garantire quindi un adeguato interesse nei confronti di un oggetto del genere c’è bisogno di renderlo più accattivante cercando non solo di non complicare l’interazione tradizionale che si ha con gli oggetti nel momento del bere, ma perfino semplificandola. Semplificare l’interazione e la gestualità che si attua per versarsi da bere è il secondo tema portante di questo lavoro di tesi. Diminuire il numero di azioni necessarie a portare a termine un gesto ripetuto decine di volte in casa può trasformarsi nella reale discriminante che fa protendere verso l’acquisto di questo prodotto. Così facendo il prodotto potrà risultare interessante perfino indipendentemente dal fatto che sia l’unico adeguato ad un ambiente domestico capace di offrire acqua di qualità e de-batterizzata in toto.

Vista top

Justpure, Il sistema di filtrazione domestico Lo sviluppo delle ricerche e dei successivi ragionamenti sul tema, legati dal bisogno di proporre una soluzione tangibile, hanno portato allo sviluppo di justpure, un depuratore domestico capace di eliminare dall’acqua gli inquinanti organici e quelli inorganici in tempo reale, senza il bisogno di attendere.

Il prossimo paragrafo entrerà più nel dettaglio delle specifiche di progetto, portando avanti il discorso atto a far comprendere il motivo di tutte le scelte effettuate.

Questo spunto progettuale ha portato allo sviluppo di un layout composto da un box contenente i filtri e l’elettronica e due punti di erogazione dell’acqua, uno per i bicchieri,

Partendo dall’unione di questi due principali punti di innovazione, si è andato a delineare il carattere del prodotto, studio che ha portato alla selezione di specifiche feature di progetto.

Per sviluppare un prodotto che diminuisca il numero di azioni necessarie per bere, al fine di semplificarne l’interazione, si è deciso di sviluppare un sistema capace di occuparsi del riempimento del contenitore finale (bicchiere o caraffa da portare in tavola), così da eliminare qualsiasi interazione con i contenitori intermedi (la bottiglia nel caso in cui si voglia versare l’acqua nel bicchiere o il rubinetto nel caso si voglia versare l’acqua nella caraffa).

con un sistema di spillatura attuabile con la pressione di un pulsante, e l’altro per la bottiglia, con un sistema di valvole che ne permette il riempimento dal basso nel momento in cui viene appoggiata alla base. In questo modo per riempire un bicchiere è necessario soltanto avvicinarsi all’erogatore e premere il pulsante posizionato in verticale con il bicchiere stesso, o con il dorso della mano, mentre per riempire la bottiglia basta semplicemente poggiarla sulla base di riempimento, ed all’applicazione di una leggera pressione essa verrà automaticamente riempita. Rilasciando la pressione l’erogazione cesserà.

Dettaglio cerchio erogazione

Justpure è un sistema di purificazione domestico versatile e dalle dimensioni compatte. Le linee tese e pulite che lo contraddistinguono lo rendono un oggetto lineare ed asciutto, capace di abitare l’ambiente domestico senza sovraccaricarlo e non attirare troppa attenzione su sé stesso. Il layout dell’oggetto richiama quello di un dock per la bottiglia con una torre laterale che contiene la parte di filtrazione ed elettronica. Il punto di contatto tra la base e la bottiglia fa da erogatore. Una volta posizionata la bottiglia al di sopra della base, basta esercitare una piccola pressione per far partire l’erogazione, che avviene dal basso.

Dettaglio tasto erogazione ed erogatore torre

Sulla torre è presente un secondo erogatore per permettere all’utente di riempire contenitori diversi dalla bottiglia tradizionale, in modo da non limitarne l’uso e garantire versatilità. Tali contenitori possono essere bicchieri, caraffe o piccole bottiglie. Al di sotto dell’erogatore è presente uno scasso che permette l’inserimento dei contenitori al di sotto del flusso d’acqua. Tale scasso è stato realizzato tramite un taglio laterale sul volume principale della torre. Per far partire l’erogazione dal secondo erogatore ci sono due tasti, quello subito al di sotto, da azionare con l’oggetto stesso da riempire o con il dorso della mano, oppure un secondo tasto a sfioramento presente sulla faccia superiore dell’oggetto, da attivare nel caso in cui non fosse possibile, per la forma del contenitore, applicare pressione sul primo tasto.

La superficie superiore dell’oggetto è inclinata verso l’utente. Oltre al tasto a sfioramento, infatti, ci sono una serie di LED che indicano lo stato dei due filtri, e avvisano l’utente quand’è arrivato il momento di sostituirli. Nella parte frontale della torre c’è un altro LED dalla forma allungata pensato per dare un feedback di funzionamento della macchina, dal momento che il sistema non produce nessun rumore, visto che funziona senza l’utilizzo della pompa. Al di sotto della torre, in prossimità dell’erogatore, è presente un contenitore per la raccolta delle gocce d’acqua, completamente removibile dall’oggetto e solo accostato in una conca realizzata per tenerlo in posizione. Tale contenitore presenta all’interno una griglia in plastica, anch’essa removibile. A concludere il layout esterno c’è lo sportello di accesso ai filtri su uno dei due lati della torre. Tale sportello permette di accedere al vano in cui si trovano i due filtri ed un contenitore per raccogliere l’acqua residua nel sistema dopo lo smontamento di essi.

La tipologia di filtri adoperati, la cui scelta sarà discussa nella parte tecnica, richiedono di essere utilizzati rivolti in verticale, e facendo passare l’acqua dal basso verso l’alto, in modo che lo sporco che si sedimenta nella parte inferiore del filtro e che compromette la qualità dell’acqua che si deposita all’interno del sistema, non venga portato all’esterno. Se il filtro ha del sedimento nella parte inferiore, e all’interno di esso rimane una piccola quantità d’acqua, al momento dell’erogazione successiva la primissima acqua dev’essere già di qualità, dunque è necessario farle percorrere tutto il resto del filtro, così da uscire pulita dal sistema. È questo il motivo per cui i filtri sono montati in verticale e l’acqua parte dal basso e li attraversa andando verso l’alto. I filtri sono montati in serie, per cui prima del filtro germicida ad ultravioletti si trova quello micrometrico che elimina lo sporco. Questo è importante per aumentare al massimo gli intervalli necessari di manutenzione ed aumentare le prestazioni del sistema, poiché più pulita sarà l’acqua che raggiungerà il filtro UV, minore sarà lo sporco che andrà a depositarsi sulle pareti di vetro inserite nel filtro. Un cilindro di vetro pulito non richiede di essere smontato per essere rimesso in ordine, e soprattutto fa sì che tutta la radiazione luminosa colpisca l’acqua, andando ad aumentare l’efficienza del filtro. Semplificare l’azione del bere comporta anche il non doversi preoccupare di dover fornire acqua al sistema. È per questo che si è deciso di legare il sistema alla rete idrica.

Questa è una scelta importante, perché può essere un ostacolo all’acquisto dell’oggetto, ma la mancanza di connessione alla rete avrebbe comportato il dover caricare l’acqua all’interno del sistema, e ne avrebbe snaturato il concetto, rendendo tra l’altro necessario il notevole aumento delle dimensioni per contenere il serbatoio. L’adottare di un serbatoio esterno ha troppi punti negativi, non ultimo il fattore sicurezza.

Mantenere l’acqua da depurare in un serbatoio, inoltre, finisce per peggiorare la qualità dell’acqua, perché la proliferazione batterica continua. Il tuo della rete idrica, insieme a quello della rete elettrica, sono posizionati in modo da potersi orientare ed uscire sia in orizzontale dalla parte posteriore dell’oggetto, per inserirsi nelle fessure vicino al piano di lavoro, se presenti, sia in verticale dalla base dell’oggetto, in modo da poter forare il piano al di sotto dell’oggetto e far passare i due cavi, così da nasconderli completamente. Un altro punto a vantaggio della connessione alla rete idrica è la sicura vicinanza al lavandino che avrà questa macchina. Posizionandosi in cucina, all’altezza del piano da lavoro, è facile pensare che il sistema sarà posizionato nelle vicinanze del rubinetto del lavandino. All’altezza della connessione del rubinetto è veramente semplice montare uno sdoppiatore che porti l’acqua al sistema di depurazione tramite un semplice tubo in metallo flessibile. Così facendo, inoltre, è possibile semplificare il layout della macchina, eliminando il bisogno di avere una pompa, rendendola silenziosa e più economica. Basterà un’elettrovalvola a governare l’ingresso dell’acqua nel sistema, acqua che avrà già una sua pressione capace di far lavorare il sistema in maniera adeguata. Un sistema filtrante capace di differenziarsi nelle prestazioni e nell’utilizzo da quelli già presenti sul mercato ha bisogno di garantire un’autonomia dei filtri adeguata e un basso costo di essi, che si traduce con una manutenzione non frequente e poco costosa.

Questo bisogno si unisce a quello di semplicità di operazione nel momento della sostituzione dei filtri. Questo ragionamento si è aggiunto a quello puramente tecnico di efficienza nella filtrazione e ha portato all’adozione di sistemi universali, che riescono ad essere i più economici e i più sicuri, i quali verranno spiegati nel paragrafo legato all’analisi tecnica. Spesso i sistemi universali, oltre ad essere i più economici, sono anche i più compatti e i più semplici da reperire.

Trovare il giusto compromesso tra potere filtrante meccanico e durata del filtro è stato un tema importante. Alla fine si è optato per l’utilizzo di un filtro meccanico a maglia di cinque micron, lo standard utilizzato per i sistemi di spillatura dell’acqua di alcuni frigoriferi. Il filtro è estremamente economico proprio perché ha una forma e degli attacchi standard. Al filtro micrometrico è appaiato un filtro germicida a lampada UV, costituito sostanzialmente da una lampada germicida inserita all’interno di un tubo di metallo. Il sistema non è un componente buy, e va realizzato apportando delle lavorazioni su tubi standard. La portata del sistema deve essere coerente a quella dei tubi presenti all’interno del depuratore, in modo da mantenere costante la pressione di esercizio e non farla aumentare eccessivamente. Il discorso specifico su questo punto è rimandato alla fase successiva. Il filtro germicida elimina la carica organica composta da batteri e virus tramite l’esposizione di un film d’acqua ad una lampada germicida UV-C.

Al di sotto dei due filtri è presente un contenitore che ha lo scopo di recuperare l’acqua che viene emessa dal sistema nel momento che i filtri vengono smontati per essere sostituiti. Questo previene il bagnamento dell’interno del vano e del piano su cui è poggiato il dispositivo. Il dispositivo non ha un interruttore generale, dal momento che se non è in utilizzo è come se fosse spento, quindi nessuno dei suoi componenti è attivo. Le elettrovalvole sono spesso realizzate in modo da essere normalmente spente. Questo è dovuto al fatto che tutti i componenti montati sono normalmente spenti, e si attivano solo alla pressione dell’interruttore che chiude il circuito. L’assenza del tasto di accensione principale non si scontra con la normativa; nel sistema entra una tensione di 12 V, che successivamente è portata a 40V per alimentare la lampada, dunque è possibile che l’oggetto non abbia un interruttore generale.

Un punto importante a livello di layout è stato quello relativo al bisogno di rendere semplice la sostituzione dei filtri, in modo che questo aspetto, insieme al basso costo, potesse spronare gli utenti a sostituirli quando necessario.

Per risolvere questo problema e agevolare il più possibile il montaggio si è deciso di equipaggiare i filtri con degli adattatori intercambiabili da montare esternamente sui due filtri, così che possano essere inseriti con semplicità all’interno quando del prodotto. Il sistema di rimozione è piuttosto semplice, basta tirare le ghiere presenti all’estremità dell’adattatore. Per il filtro germicida è stata sviluppata una maniglia che ne semplifica la rimozione con una sola mano. La maniglia va ad insistere sui punti mobili di ancoraggio, tirando entrambi verso l’esterno e liberando il sistema. Sul filtro micrometrico si è deciso di non adoperare la maniglia perché l’accesso alle due ghiere di rimozione del filtro era già piuttosto semplice, specialmente rimuovendo precedentemente il filtro UV.

Come accennato prima, elemento portante del layout dell’oggetto è una bottiglia dentro cui andare a spillare l’acqua purificata. Il sistema di purificazione riconosce la presenza della bottiglia e inizia il riempimento nel momento in cui una leggera pressione viene applicata sulla bottiglia stessa. Rimuovendo la pressione l’erogazione cessa, così da avere il totale controllo su di essa, che dovrà avvenire dal basso, così da non creare rumori in fase di riempimento, evitare gli schizzi ma soprattutto fare in modo che non sia necessario portare un punto di erogazione al di sopra del contenitore stesso, in modo da contenere le dimensioni in altezza e la complessità geometrica e tecnica del prodotto. Il contenitore in questione non potrà essere standard, ma dovrà avere una serie di feature che lo rendano funzionale con il sistema. Dal momento che verrà utilizzato spesso, dovrà essere realizzato in un materiale duraturo e piacevole al tatto, e nei punti di interazione con la mano dell’utente dovrà prevedere una texture ruvida che eviti il formarsi di impronte.

A livello tecnico, nella parte inferiore dovrà essere munito della valvola di accoppiamento con la base, in modo da poter essere riempito dal basso. È importante che il componente possa essere lavato con agevolezza, anche in lavastoviglie, senza dover ricorrere a disassemblaggi. Per facilitare la pulitura, inoltre, è necessario rendere la struttura esente da spigoli vivi. Per quanto riguarda l’utilizzo, è probabile che la bottiglia venga posizionata in frigo per raffreddare l’acqua purificata. Per rendere possibile ciò è importante fare in modo che le dimensioni di massima della bottiglia siano adeguate al posizionamento nei contenitori all’interno dei frigoriferi, che hanno dimensioni standard. Per accogliere il contenitore e percepire la pressione esercitata dall’utente durante l’erogazione, una parte della base e flottante, ed è appena distanziata da un interruttore a pressione che viene montato al di sotto di essa e che controlla l’erogazione dell’acqua tramite l’apertura di due elettrovalvole all’interno del sistema.

Il sistema di filtrazione e i suoi componenti Prima di passare alla spiegazione della fase di sviluppo, è necessario spiegare il layout del filtro a radiazione UV-C, dal momento che può essere considerato una sorta di prodotto nel prodotto. Il filtro segue una costruzione analoga a quella realizzata per i grossi filtri a lampade germicida da inserire nei sistemi che si legano direttamente ai tubi dell’acqua corrente in ingresso nelle abitazioni, che quindi lavorano con portate importanti. La purificazione è un processo che non risulta visibile dall’esterno, non genera suoni e in generale risulta invisibile all’utente. È necessario quindi predisporre un feedback di funzionamento che faccia capire che il processo è in atto, per render l’utente cosciente del fatto che stia succedendo qualcosa.

Un altro importante feedback da restituire è quello relativo all’autonomia residua dei filtri.

Il sistema deve, in fase di funzionamento, dare una stima della vita residua del filtro. Dal momento che l’oggetto non avrà schermi, questa informazione sarà data da piccoli LED spot specifici per i due filtri.

Il filtro de-batterizzatore ha come elemento principale una lampada germicida Philips capace di eliminare i batteri dall’acqua in un unico ciclo (si veda il paragrafo relativo alle soluzioni tecniche per analizzare i calcoli relativi a questo passaggio). Le lampade germicida sono generalmente economiche, il costo della lampada adoperata da questo sistema, adatta alla purificazione immediata dell’acqua che viene erogata a 4-5 litri al minuto, varia tra i 10 € e i 15 €.

Per fare in modo che l’acqua venga de-batterizzata a dovere, è necessario trasformarne il flusso da continuo a lamellare, ciò vuol dire che è necessario calcolare l’area del tubo in cui l’acqua scorre e trasformarla in un anello che ha come diametro interno una misura che non deve discostarsi di troppo da quella della lampada. Il filtro germicida è quindi realizzato da una lampada a radiazione UV-C inserita all’interno di un tubo di vetro al quarzo, così da essere protetta dall’acqua. In sistemi del genere si sceglie di utilizzare un vetro tenero al quarzo perché è uno dei pochi materiali che lasciano passare la radiazione ultravioletta, e inoltre è poco soggetto a rottura, essendo meno fragile del vetro tradizionale. L’acqua passerà all’esterno del tubo di quarzo, e sarà a stretto contatto con la radiazione ultravioletta. Il tubo di quarzo contenente la lampada viene inserito infine in un ulteriore tubo di metallo, che delimita il filtro e realizza l’anello di passaggio dell’acqua, che si disporrà in modo lamellare, pronta per essere trattata. Alle due estremità del tubo ci sono dei tappi metallici che permettono di accedere alla lampada. L’ingresso e l’uscita dell’acqua all’interno del filtro avvengono nella parte laterale del sistema, in basso e in alto. L’acqua entra dal basso ed esce dall’alto del filtro, così che dopo o spegnimento della lampada, alla fine della depurazione, non avvenga il riversamento di acqua ancora non purificata nei tubi montati successivamente al filtro.

Per quanto riguarda il filtro meccanico, i parametri per la sua selezione sono stati trovati nelle letture di riferimento relative alla filtrazione meccanica e nei dati di funzionamento ricavati dall’intero sistema (portata dei tubi e loro diametro). Innanzitutto ci si è interrogati sulla forma che dovesse avere il filtro per adeguarsi correttamente all’uso che se ne fa in questo prodotto. Il prodotto da sviluppare avrebbe avuto la peculiarità di filtrare l’acqua solo nel momento in cui veniva richiesta, non pre-filtrandola e conservandola in un serbatoio. Questo è stato un limite molto forte che ha riguardato la struttura del filtro, infatti ha fatto evincere che il filtro dovesse essere di tipo lineare, con un concetto simile a quello adoperato nel filtro de-batterizzante. Un sistema lineare posizionato in verticale, infatti, permette di filtrare in maniera adeguata tutta l’acqua che verrà erogata, perché il percorso all’interno del filtro sarà lungo e quindi ottimizzato. Ciò non avviene, invece, nei filtri piatti, che vanno bene per filtrare in gravità, ma che con le acque a pressione fanno raggiungere risultati scarsi. La condizione della filtrazione immediata non è attuabile neppure con i filtri a bobina, che richiedono prima di poter erogare acqua pulita, di riempire un volume (la bobina, appunto). Inoltre nel momento in cui il filtro della bobina accumula dello sporco, se l’acqua della bobina non è in continuo ricircolo, esso viene in piccola parte restituito al liquido.

I filtri lineari, con la loro forma cilindrica, sono perfetti per lo scopo di erogare su richiesta anche piccole dosi d’acqua. Se si segue l’accortezza di orientare l’ingresso in basso e l’uscita in alto, anche la prima acqua dovrà effettuare tutto il percorso del filtro per raggiungere l’erogatore, e lo sporco che si sedimenta gradualmente nel filtro resterà bloccato nella parte inferiore, non dando problemi di torbidità.

Anche se nel filtro dopo l’erogazione rimane dell’acqua, essa ritorna in basso per gravità, e alla successiva erogazione viene ri-filtrata, così da non raccogliere lo sporco rimasto depositato dal filtro. Si sono cercati sul mercato dei filtri micrometrici lineari con dimensioni standard per necessità costruttive simili a quelle del sistema germicida. Nella ricerca si è considerato che il sistema filtrante dovesse avere una maglia micrometrica, che oscillasse tra il micron e i 10 micron. Alla fine si è trovata una soluzione interessante nei filtri di tipo standard utilizzati nei dispositivi domestici come i frigoriferi capaci di erogare acqua. Questi grandi elettrodomestici presentano dei filtri nanometrici lineari a cartuccia per bloccare le impurità dell’acqua e migliorarla in vista del consumo da parte dell’uomo. Tali filtri sono prodotti generalmente con maglie che vanno dai 10 micron al micron, e perciò sono perfetti per l’applicazione. Inoltre hanno dimensioni sia in altezza che in diametro non uguali ma comunque paragonabili a quelle della sezione di tubo germicida. Il filtro scelto è un Ionicore IC 10-SE, con maglia a 5 micron, per via delle caratteristiche tecniche idonee ad essere accostate a quelle degli altri componenti del sistema. Il filtro, infatti, supporta un flusso di 4 litri al minuto e lavora ad una pressione limite di 9 bar e una minima di 2 bar. Tali pressioni sono totalmente coerenti con quello che è il sistema di funzionamento del dispositivo e con i vincoli e i limiti dell’acqua corrente. I fori filettati di testa e di coda del filtro a bobina hanno diametro di 12 mm, perciò in questo caso sarà necessario montare un riduttore per arrivare ai 6,5 mm richiesti.

I riduttori adoperati sono standard e piuttosto comuni, realizzati in materiali adeguati all’impiego idraulico come l’ottone e l’acciaio inox. I loro prezzi si mantengono bassi, dal momento che sono prodotti di consumo.

Dimensioni e antropometria L’oggetto punta ad essere di dimensioni compatte, ma non per questo la sua funzione è ridotta all’indispensabile. La presenza di due erogatori lo rende versatile, ma soprattutto ne limita le dimensioni in altezza, portando la bottiglia ad essere l’elemento più alto, dal momento che sopra di essa non è presente alcuna struttura (l’erogatore della bottiglia si trova infatti nella base dell’oggetto). Questa, oltre ad essere una soluzione per limitarne lo spazio in altezza e migliorarne l’utilizzo, è una feature piuttosto caratteristica del prodotto, che lo aiuta a distinguersi dal resto dei depuratori domestici. La compattezza nel prodotto è ricercata ma non estremizzata, anche perché con la realizzazione del dock per la bottiglia si sta in definitiva liberando dello spazio dal piano della cucina, che non dovrà più accoglierla. Considerano questo aspetto, si può pensare che lo spazio in più richiesto dall’oggetto sia solo quello della torre, in cui la disposizione delle componenti interne è stata studiata pe richiedere il minor spazio possibile. Il posizionamento in verticale dei filtri oltre a migliorarne le prestazioni di purificazione, aiuta sotto questo aspetto. Le dimensioni della bottiglia sono simili a quelle di una bottiglia da due litri. La capienza è infatti quella.

Le dimensioni dei due filtri sono: 250 mm di lunghezza e 47 mm di diametro per il filtro micrometrico e 240 mm di lunghezza e 24 mm di diametro per il filtro germicida. La dimensione della lampada all’interno del filtro germicida è 215 mm di lunghezza e 15 mm di diametro Il secondo erogatore si trova ad un’altezza di 250 mm, e il pulsante fisico di attivazione al di sotto di esso è a 200 mm da terra . Queste dimensioni riescono a renderne naturale l’approccio e permettono l’utilizzo del sistema per riempire bicchieri di diverse taglie, ma anche caraffe e bottiglie di dimensioni inferiori a quelle da litro. Le dimensioni di massima dell’oggetto sono di 280 x 248 x 428 mm. La torre è alta, larga e profonda rispettivamente 400 x 123 x 220 mm e il piano orizzontale ha dimensioni di 280 x 248 x 28 mm, con il lato lungo per la larghezza.

Quote di massima in millimetri

Illustrazione degli scenari di uso e manutenzione Lo scenario d’utilizzo del prodotto prevede principalmente due fasi, la prima durante la quale l’utente richiede l’erogazione dell’acqua purificata all’interno della bottiglia, la seconda durante la quale l’utente utilizza per spillare l’acqua in un contenitore generico il secondo erogatore. Nella prima fase l’utente dovrà semplicemente appoggiare la bottiglia alla base ed applicare una leggera forza verso il basso per attivare l’erogazione. Quando vorrà interrompere l’erogazione gli basterà smettere di applicare pressione verso il basso. Nella seconda fase l’utente può decidere di utilizzare, per attivare l’erogazione, il pulsante al di sotto dell’erogatore o il pulsante a sfioramento posizionato nella superficie superiore dell’oggetto. Questa scelta sarà guidata principalmente dal tipo di contenitore che si sta riempendo. Un bicchiere verrà verosimilmente riempito facendo pressione con il dorso della mano o con il bicchiere stesso contro il pulsante al di sotto dell’erogatore, mentre contenitori dalla bocca stretta richiederanno un po’ di precisione in più per essere riempiti, quindi l’utente potrebbe preferire la pressione del tasto in alto. L’erogazione tramite il tasto superiore avviene tenendo premuto. Un tap rapido permette di visualizzare lo stato dei filtri tramite l’indicazione dei LED nella parte superiore del prodotto. La fase di manutenzione prevede alcune azioni. Come prima cosa è possibile rimuovere il contenitore dell’acqua al di sotto dell’erogatore per svuotarlo. Per quanto riguarda la bottiglia, è possibile lavarla sia a mano che in lavastoviglie.

Accedendo al vano laterale è possibile accedere ai filtri. I filtri possono essere smontati senza disattivare il dispositivo, dato che l’elettrovalvola principale è normalmente chiusa. Tirando la maniglia del filtro germicida e le due ghiere del filtro micrometrico verso l’esterno è possibile estrarre i due elementi.

Un contenitore mobile al di sotto di essi raccoglierà l’acqua residua nel sistema. Estratti i due filtri è necessario smontare gli adattatori. A quel punto il nuovo filtro micrometrico può essere equipaggiato con gli adattatori e rimontato nel sistema semplicemente spingendo verso l’interno. Prima di poter rimontare il filtro germicida è necessario sostituire la lampada UV. Per fare ciò bisogna semplicemente svitare una delle estremità del filtro, rimuovere la vecchia lampada ed inserire la nuova. Una volta richiuso il tutto è possibile rimontare gli adattatori, mettere in posizione la maniglia ed inserire a snap il tutto all’interno del vano applicando una lieve forza finché non viene percepito il rumore che testimonia l’avvenuta connessione corretta con gli estremi interni dell’adattatore. Seguono le immagini relative allo scenario d’uso.

Storyboard di utilizzo

Si posiziona la bottiglia sul cerchio bianco della base.

In alternativa si utilizza l’erogatore della torre agendo sul tasto fisico posizionato sul fronte dell’oggetto.

2 Si spinge in basso la bottiglia per far partire l’erogazione.

Nel caso di riempimento di contenitori più capienti si può utilizzare come tasto di erogazione il pulsante touch posizionato in cima al dispositivo.

Storyboard di manutenzione

Quando le luci superiori lampeggiano di rosso, Ă¨ necessario sostituire i filtri. Si preme quindi sullo sportello laterale per aprirlo ed accedervi.

Si smontano gli adattatori a gomito dal vecchio filtro micrometrico e si posizinano sul nuovo.

Si estraggono i filtri utilizzando le ghiere a sgancio rapido degli adattatori. Il filtro germicida ha una maniglia per semplificare lâ&#x20AC;&#x2122;estrazione.

4 Si smonta il filtro germicida e sisotituisce la lampada UV-C.

Premendo insieme il tasto fisico ed il tasto touch si comunica al sistema l’avvenuta sostituzione.

Si rimuove il contenitore dell’acqua al di sotto dell’erogatore della torre e lo si svuota. Poi si riposiziona nella base.

8 La manutenzione è conclusa e il dispositivo è pronto per l’utilizzo.

Si riposizionano i filtri all’interno del vano, quindi si svuota il contenitore interno dall’acqua fuoriuscita dal sistema durante lo smontaggio dei filtri.

Lo sviluppo tecnico

Industrializzazione del prodotto e contenimento dei costi

I dettagli tecnici dell’oggetto Prima di esporre l’analisi dei dettagli tecnici dell’oggetto è importante introdurre la struttura dell’oggetto e lo schema di funzionamento del prodotto. La struttura dell’oggetto si basa attorno ad un telaio in acciaio che fa da struttura portante alle scocche. Il telaio è studiato in modo da essere realizzato tramite un unico taglio laser e il minor numero di piegature possibili. Le scocche principali sono quella di base, annessa alla scocca che crea la parte superiore della base e alla scocca circolare che fa da piattello di carico per la bottiglia, le due scocche che creano il fronte e il retro della torre, l’elemento laterale che fa da vano per i filtri e le due scocche superiori che concludono la struttura della torre.

Gli elementi secondari sono il contenitore per raccogliere l’acqua al di sotto dell’erogatore, il secondo contenitore dell’acqua all’interno del vano per i filtri, che serve durante la manutenzione per raccogliere l’acqua che rimane all’interno del sistema, le due guide luce, quella frontale e quella per il tasto superiore e infine la copertura dell’erogatore della torre. La bottiglia è realizzata con forme adeguate a renderla stampabile per iniezione. Essa è realizzata da due componenti che vengono saldati ad ultrasuoni, e da una valvola in plastica da inserire e montare con una molla.

La valvola è realizzata in modo che si apra nel momento in cui sulla bottiglia viene applicata una forza verso il basso. La stessa forza fa abbassare di due mm il disco su cui appoggia la bottiglia, il quale attiva l’interruttore che fa partire l’elettrovalvola principale e comanda l’elettrovalvola a due vie così da aprire la valvola corretta. La parte trasparente della bottiglia presenta due finiture, una più liscia nelle parti in cui l’utente generalmente non deve interagire, e una più ruvida per far sì che la superficie non risulti sporca dopo pochi utilizzi. Come abbiamo già detto, il purificatore domestico è connesso alla rete idrica e alla rete elettrica. Il tubo che porta l’acqua all’interno passa per un’elettrovalvola normalmente chiusa, dalla quale si dirama un tubo in acciaio inox che porta l’acqua al comparto dei filtri. Tutti i tubi in cui circola l’acqua all’interno del sistema sono in acciaio inox, dal diametro esterno di 8 mm ed interno di 6,35 mm, corrispondenti ad un quarto di pollice, misura standard per i tubi di idraulica. I filtri sono posizionati in verticale e connessi in modo che l’acqua passi prima dal fondo del filtro micrometrico. Arrivata alla punta del filtro micrometrico un’altra sezione di tubo fa scendere l’acqua nuovamente in basso e la immette all’interno del filtro germicida, sempre nella parte inferiore. A quel punto l’acqua attraversa il filtro germicida e tramite un’altra sezione di tubo si dirige verso la seconda elettrovalvola, a due vie, che gestisce la veicolazione dell’acqua indirizzandola al primo o al secondo erogatore. A controllare le due elettrovalvole ci sono il pulsante a sfioramento nella parte superiore della torre, il tasto fisico al di sotto dell’erogatore della torre e lo switch che viene attivato dalla pressione della bottiglia nella base.

Tutti gli elementi aprono l’elettrovalvola principale; i primi due si occupano anche di dirigere il flusso verso l’erogatore principale mentre il terzo dirige il flusso verso l’erogatore per la bottiglia.

Gli interruttori esterni ed interni sono connessi alla main board principale, montata vicino alla scheda che gestisce la tensione in entrata di 12V, necessari al funzionamento delle elettrovalvole. Questa scheda è un elevatore di tensione che trasforma i 12V nei 40V necessari al funzionamento della lampada germicida. Le schede elettroniche sono montate al di sopra del telaio e coperte da una scocca in plastica che le isola sui tre lati necessari alle eventuali perdite di acqua generate dai tubi. Il prodotto presenta anche due contenitori per la raccolta dell’acqua, uno al di sotto dell’erogatore della torre, per catturare le eventuali gocce d’acqua rilasciate da esso, e uno all’interno del vano per i filtri, al di sotto di essi, in modo da recuperare l’acqua rimasta dal sistema durante la sostituzione dei filtri. Prima di passare al paragrafo successivo è importante comprendere il metodo di selezione dei sistemi filtranti ed il loro funzionamento.

Per la sterilizzazione ad onde ultraviolette si utilizzano delle particolari lampade alogene a bassa pressione e di forma longilinea. Dimensionare un sistema germicida UV con tali lampade non è complesso. L’EPA, United States Environmental Protection Agency, ha redatto delle tabelle che indicano la potenza necessaria per l’inattivazione delle principali specie di batteri. La tabella è divisa in 4 LOG di inattivazione, che rappresentano i livelli di efficacia della fonte di radiazioni UV-C. 1 LOG corrisponde alla distruzione del 90% dei batteri e dei virus; 2 LOG corrispondono alla distruzione del 99% dei batteri e dei virus; 3 LOG corrispondono alla distruzione del 99,9% dei batteri e dei virus; 4 LOG corrispondono alla distruzione del 99,99% dei batteri e dei virus.

Tabella della dose necessaria di radiazione UV-C per eliminare i principali batteri. Fonte:EPA, United States Enviromental Protection Agency, Study on the UV-C radioation on bacteria

Dalla tabella si evince che per eliminare il 99,99% di tutti i batteri e i virus c’è bisogno di una sorgente luminosa capace di erogare 30 mJ/cm². La spiegazione di questa unità di misura è semplice: La potenza di una lampada, nel caso dei sistemi che emettono onde elettromagnetiche, va calcolata tramite l’irraggiamento, ovvero il trasferimento di energia tra due corpi per mezzo appunto di onde elettromagnetiche. L’unità di misura è il W/m². Nel caso delle lampade germicida, oltre all’irraggiamento, è importante conoscere il tempo di esposizione per arrivare al LOG desiderato. È per questo che l’irraggiamento si moltiplica per il tempo in secondi. Dal momento che 1W = 1J/s Se nella formula dell’irraggiamento sostituisco W con J/s, moltiplicando per i secondi si ottiene come unità di misura il J/m², dunque il mJ/cm², che è l’unità di misura che viene citata nelle tabelle dell’EPA. I secondi per cui si moltiplica nella formula equivalgono al tempo di percorrenza dell’acqua vicino alla fonte luminosa. Per trovare la quantità di tempo si utilizzano come dati la lunghezza della lampada, che nel nostro caso equivale a 212 mm, il nostro spazio, e la portata dell’acqua in litri al minuto messa in relazione alla sezione del tubo in cui l’acqua scorre, per ottenere i metri al secondo a cui il flusso d’acqua viaggia. L’area del tubo in cui l’acqua scorre avrà una forma tipicamente a ciambella, perché al centro del tubo verrà posizionata la lampada germicida. Dividendo i metri al secondo a cui viaggia l’acqua per lo spazio da percorrere si ottengono i secondi di esposizione alla fonte luminosa.

La tabella successiva incrocia i dati relativi alla portata del sistema, all’area del tubo in cui essa scorre alla lunghezza della lampada stessa, e ne ricava la potenza necessaria in Watt per ottenere i 30 mJ /cm² di irraggiamento in relazione al tempo di esposizione.

Lo spettro luminoso della radiazione UV-C. Fonte: https://www.aquawin.com.tw/category/uvc-lighting.htm

A questo punto bisognerà soltanto prendere i valori indicati in relazione alla portata che il sistema dovrà sopportare. Per quanto riguarda la selezione della lampada, sono stati presi in considerazione due cataloghi di aziende importanti che producono lampade germicida, OSRAM e Philips. Entrambe le aziende hanno a catalogo soluzioni differenti e valide tra cui scegliere. Per lo scopo di questo progetto serviva una lampada lunga a stelo singolo, così da poter realizzare un componente perfettamente cilindrico che minimizzasse le dimensioni. Lampade a doppio stelo con forma ad “U” vengono utilizzate per immersione, come per le caraffe con de-batterizzazione UV, tuttavia come abbiamo visto precedentemente, la purificazione per immersione senza una sorgente concentrata o a stretto contatto con una piccola porzione di acqua alla volta, richiede molto tempo per raggiungere risultati accettabili, facendo perdere al sistema l’enorme vantaggio della purificazione immediata. La tabella del dimensionamento delle sorgenti UV segnala che, se si considera un diametro interno dei tubi di ¼ di pollice, ovvero 6,5 mm, adeguati per un elettrodomestico, considerando una portata di 4 litri al minuto, che si avvicina molto ai circa 5 dell’acqua corrente, per ottenere la dose di irraggiamento adeguata ad eliminare il 99,99% dei batteri è necessaria una lampada con una potenza assorbita minima di 11 Watt e con la lunghezza dello stelo (interasse) di almeno 150 mm.

Questi dati hanno portato la scelta verso una lampada germicida Philips con una potenza di 11,5 Watt, una corrente di 0,4 Ampere e una tensione di 34 V. la lampada in questione è la TUV 11W FAM/10X25BOX, monta un classico attacco G5 e ha una lunghezza di interasse di 212 mm. La vita utile che Philips stima di questa lampada è di 11.000 ore oppure 18 mesi. Le specifiche della lampada sono perfino lievemente superiori a quelle richieste dalla tabella di dimensionamento, ma sono quelle che più si avvicinano alle necessità. L’apparato dentro cui si dovrà montare la lampada è formato da alcuni componenti. All’esterno si ha un tubo in acciaio filettato alle estremità e con due sezioni di tubo laterali saldate perpendicolarmente, per far entrare ed uscire l’acqua. Alle estremità del tubo si inseriscono i portalampada, che mantengono la lampada e si inseriscono a loro volta in

un tubo di vetro al quarzo tenero, meno fragile del vetro tradizionale e capace di far passare i raggi ultravioletti della lampada. La funzione del tubo di quarzo è quella di non far arrivare l’acqua direttamente sulla lampada. Un sistema di guarnizioni rende impermeabile il sistema interponendosi tra acciaio, elettronica e vetro. L’assieme è concluso da due tappi filettati realizzati per fresatura che sigillano le estremità del tubo in metallo. Per calcolare il diametro del tubo in metallo e di quello in vetro è stato necessario considerare che la sezione del tubo cavo con diametro interno di 6,5 mm corrispondesse a quella della lamella d’acqua che si crea tra la lampada e il tubo di metallo che la contiene, così da non perdere pressione durante il percorso e da rispettare il diametro dato dalla tabella del dimensionamento della sorgente luminosa. Il diametro della lampada è di 15 mm, così si è optato per un tubo al quarzo di rivestimento della lampada con un diametro esterno di 20 mm e spessore di parete di 0,8 mm.

Tabella del tempo di inattivazione dei batteri sottoposti a radiazione UV-C in relazione alla portata dei tubi. Fonte:EPA, United States Enviromental Protection Agency, Study on the UV-C radioation on bacteria

Un tubo con diametro interno di 6,5 mm ha un’area di 31,65 mm². Per ottenere la stessa sezione nel tubo con il foro “a ciambella”, dato il primo diametro di 20 mm, il secondo diametro dovrà essere di 21 mm. Si creerà così, tra il tubo di acciaio e quello di vetro al quarzo, una lamella d’acqua spessa mezzo millimetro che verrà de-batterizzata nel tempo del passaggio dell’acqua stessa. Per introdurre la questione relativa al filtro micrometrico da affiancare al de-batterizzatore, verrà presa per un momento la questione relativa alle pressioni. A mettere in relazione la portata di un tubo, il suo diametro e al pressione generata ci pensa l’equazione di Hazen-Williams. La tabella che segue riporta come, per un diametro di 6,5 mm e una portata che oscilla tra i 3,4 e i 3,8 litri, la pressione minima dell’acqua è di 1-1,25 Bar. Il flusso desiderato e la pressione sono fattori importanti per la scelta del filtro micrometrico.

Sappiamo che il flusso dell’acqua corrente domestica oscilla tra i 5 e i 6 litri al minuto, ma sappiamo anche che per la tabella del dimensionamento della fonte luminosa di un sistema germicida, con la potenza scelta di 11 Watt e il diametro dei tubi di 6,5 mm, non possiamo superare i 4 litri al minuto. A regolare l’erogazione dell’acqua ad un flusso di 4 litri al minuto ci penserà la prima elettrovalvola, capace di aprirsi parzialmente per dimmerare il flusso. Quattro litri al minuto sono un buon valore, se pensiamo che i dispositivi per il trattamento dell’acqua domestico forniscono un flusso che spesso si ferma ai 3 litri al minuto. Questa portata è un buon compromesso tra prestazioni, consumi in termini energetici e costo del prodotto. Il filtro scelto è un filtro testa-coda a bobina. È prodotto da Ionicore, che realizza filtri per sistemi di erogazione dell’acqua dei frigoriferi, ed è infatti un componente del genere. Il nome del filtro è IC 10-SE. Esso supporta un flusso di 4 litri al minuto e lavora ad una pressione limite di 9 bar e una minima di 2 bar. La pressione dell’acqua corrente oscilla tra l’1,5 e i 3 bar, perciò avvicinarsi ai 9 bar per riuscire a passare attraverso il filtro è questione di attimi. Superato il filtro micrometrico, il restante circolo all’interno dei tubi e del filtro UV è abbastanza lungo da permettere alla pressione di scendere e all’acqua di arrivare con un flusso adeguato nel momento dell’erogazione.

Lo schema di montaggio Per approfondire i dettagli tecnici dell’oggetto viene riportato lo schema di montaggio con relative immagini correlate.

Tabella della portata dell’acqua in un tubo in relazione al diametro. Fonte: http://fabrizio.zellini.org/portata-di-acqua-da-un-tubo

Il telaio è stato studiato in modo da essere realizzato a partire da un’unica lamiera sagomata tramite taglio laser e poi piegata in diversi punti. I punti di fissaggio delle viti sono realizzati tramite fori su cui vengono montati degli inserti filettati cilindrici.

Sul telaio vengono montati tutti i componenti principali e le scocche: sei viti lo fissano alla scocca inferiore della base, due viti autofilettanti lo collegano alla scocca anteriore, e altre due a quella posteriore. Sulle scocche sono presenti delle poppette realizzate in modo da fissarci delle viti autofilettanti. Infine quattro viti congiungono il vano laterale dell’oggetto con il telaio. Non ci sono viti a fissare le parti superiori al telaio, per questi componenti sono stati utilizzati degli snapfit che vanno ad agganciarsi alle flange superiori del telaio. La torre è l’elemento principale dell’oggetto. Essa è composta da sei scocche: due superiori, due frontali, una che definisce il retro e l’ultima che forma il vano per i filtri, da montare lateralmente. Tutte le scocche sono realizzate tramite stampaggio ad iniezione. Oltre ai due filtri, la torre contiene gran parte delle tubazioni, l’elettrovalvola principale, l’elettrovalvola a due vie e le schede elettroniche, tra cui la scheda di controllo dei LED, la motherboard per il funzionamento delle due elettrovalvole e della lampada germicida, e l’elevatore di tensione che porta la corrente da 12V a 40V, tensione necessaria per l’alimentazione della scheda. Per questioni di sicurezza il sistema adotta un alimentatore esterno che fa entrare nell’oggetto una tensione di 12V. L’accoppiamento delle scocche è pensato in modo che il montaggio risulti il più semplice possibile. Inoltre i lip and groove dei componenti sono studiati in modo che gli elementi facciano da ritenuta gli uni agli altri, in modo da minimizzare il problema dell’apertura delle scocche verso l’esterno e ottenere degli scuretti lineari e uniformi.

Il montaggio delle scocche è previsto in questo modo: si parte con la base, sulla quale viene montato il telaio dall’interno. Le viti che collegano telaio e base si inseriscono dalla parte superiore. Sulla parte di base del telaio si montano la scheda con l’interruttore per l’erogatore della bottiglia e la sezione di tubo che uscirà dalla base. Al di sopra di questo assieme si posiziona successivamente l’assieme del disco di carico della bottiglia, composto da base di centraggio da ancorare al telaio, molle di sospensione e piattello di carico, poi su questi componenti si monta la parte superiore della base.

L’apertura che la scocca presenta è abbastanza larga da farci passare il telaio, perciò in questa fase non si creano complicazioni.

Le viti che collegano le due scocche della base vanno inserite dal basso. Questo richiede di capovolgere una volta l’oggetto durante la produzione, ma è necessario perché è importante che le due scocche siano connesse bene tra di loro e che ci sia anche una guarnizione, per evitare che ci possa entrare l’acqua che potrebbe essere rovesciata sul sistema. Una tenuta a snapfit sarebbe stata migliore per evitare di capovolgere l’oggetto in fase di assemblaggio, ma purtroppo avrebbe garantito una tenuta all’acqua inadeguata. Finita di montare la base si passa alla torre. La prima cosa da fare è quella di completare il montaggio dei tubi, inserendo l’elettrovalvola a due via e l’elettrovalvola principale. L’elettrovalvola a due vie si monta al telaio tramite due fori già presenti e due distanziali, mentre per l’elettrovalvola a due vie è necessario prima montare un supporto ad “L” sul telaio.

Montate le elettrovalvole si procede al fissaggio di motherboard ed elevatore di tensione al telaio, sempre tramite distanziali. Si monta anche la scheda di controllo dei LED e l’interruttore per il secondo pulsante, quello frontale. Successivamente si effettua il cablaggio. Finito il cablaggio si è pronti ad assemblare le scocche principali della torre. La scocca frontale richiede un pre-assemblaggio di guide luce e strisce LED, completato il quale si è pronti al fissaggio delle scocche sul telaio, tramite viti autofilettanti che vanno ad insistere su due poppette della scocca frontale e tre poppette della scocca posteriore. Le parti che completano il top dell’oggetto sono due, legate tra loro da snapfit di fissaggio. La scocca superiore che presenta il tasto a sfioramento e i LED di stato dei filtri prevede un pre-assemblaggio per fissare la scheda del sensore touch, le guide luce e le strisce LED. Le due parti superiori fanno da ritenzione alle scocche laterali e si fissano in posizione tramite snapfit direttamente al telaio, che presenta dei fori appositi. A completare il montaggio delle scocche è la scocca frontale bassa, che fa da ritenzione al tasto frontale e non ha bisogno di pre-assemblaggi, e il vano laterale porta-filtri. Tale vano è l’ultimo elemento della scocca da montare, ritiene le due scocche principali tenendole chiuse tramite la lingua presente all’esterno e viene fissato direttamente al telaio tramite quattro viti. All’interno del vano si completa l’assemblaggio, andando a fissare gli elementi dei tubi che gestiranno lo sgancio rapido dei filtri e successivamente i filtri già equipaggiati di adattatori. Lo sportello che chiude il vano viene fissato tramite una guida metallica che parte dal fondo del vano stesso, in modo da non generare sottosquadri. A permettere l’apertura e la chiusura dello sportello è una cerniera metallica frizionata a due vie, che mantiene lo sportello nella posizione in cui lo si lascia. Completa l’oggetto la bottiglia, realizzata in due componenti per stampaggio a iniezione, successivamente uniti tramite saldatura ad ultrasuoni. La bottiglia presenta un tappo realizzato in gomma in un unico componente e una valvola stampata per iniezione con un inserto per adottare una molla e una guarnizione. Tale valvola permette di chiudere totalmente il foro di ingresso dell’acqua nella bottiglia.

I componenti buy e l’analisi dei costi Il paragrafo che segue riporta la lista dei componenti buy presenti all’interno del prodotto e sviluppa un’analisi dei costi basata sul loro costo e sui preventivi stimati da aziende di realizzazione di scocche in plastica e componenti in metallo.

Elettrovalvola principale: Uno degli elementi più importanti dell’oggetto è l’elettrovalvola principale, un componente che permette ed impedisce l’ingresso dell’acqua corrente all’interno del sistema. Tale componente è in particolare un’elettrovalvola a solenoide, che lavora con una potenza di 2 Watt ed una tensione di 12 Volt ed è normalmente chiusa. Il fatto che sia di base chiusa vuol dire che è necessario fornirgli energia solo nel momento in cui c’è bisogno di effettuare l’erogazione. L’elettrovalvola in questione è una Elettrovalvola N/C 2-Way Mayitr con dimetro di ingresso ed uscita di ¼ di pollice, ovvero 6,35 mm, quello adoperato per tutto il sistema e compatibile col flusso d’acqua da trattare. Il prezzo di questo componente è di € 7,63.

L’elettrovalvola principale N/C 2-Way Mayitr.

Elettrovalvola a due vie: L’elettrovalvola a due vie è quel componente che indirizza il flusso ad uno all’altro erogatore, quindi alla torre o alla base, nel punto in cui si collega la bottiglia. Questo elemento funziona anch’esso a 12 Volt, e richiede una potenza di 5 Watt.

L’elemento ha quindi un punto di ingresso da ¼ di pollice e due di uscita, anch’essi con lo stesso diametro. La forma assottigliata vicine alle nostre necessità ne ha decretato la scelta di utilizzo. Il componente si lega al telaio tramite due fori filettati presenti sul suo corpo, e viene distanziato dalla lamiera tramite dei distanziali esagonali, in modo da posizionarlo nel punto corretto. L’elettrovalvola a due vie è una Zerodis aluminium electro-solenoid Valve DC12, e il suo costo è di € 6,29.

Elettrovalvola a due vie Zerodis aluminium electro-solenoid Valve DC12.

Elevatore di tensione: L’elevatore di tensione è un importante componente, dal momento che il sistema è alimentato dalla corrente con tensione di 12 Volt, trasformata da un alimentatore alla presa, eccetto per la lampada germicida, che per questioni di potenza richiede una tensione di 40 Volt. L’erogatore di tensione ha quindi il compito di trasformare i 12 Volt del sistema nei 40 Volt che richiede la lampada. Tale componente è un AC / DC open frame, prodotto da Mean Well e chiamato PS-05-12 12 V/DC 0.45 A. Il costo di tale componente è di € 4,91.

Schede LED: Nel prodotto sono presenti tre schede LED, due per i sistemi di segnalazione dello stato dei filtri ed il tasto superiore a sfioramento, la terza per l’indicatore LED verticale sulla facciata frontale del prodotto. I componenti adottati sono degli Adafruit NeoPixel Stick RGB LED 8 x WS2812, scelti perché delle dimensioni adeguate e con dei fori sulle schede per il montaggio. Il costo di ognuna delle schede è di € 2,30.

Pulsanti fisici: Due pulsanti fisici sono montati sull’oggetto, uno al di sotto dell’erogatore della torre, dietro il pulsante di attivazione, l’altro nella base, sotto il disco di stazionamento della bottiglia, che viene attivato facendo pressione sulla bottiglia stessa. I componenti utilizzati sono dei RobotGeek Pushbutton, il prodotto ne contiene due e hanno un costo unitario di € 2,95.

L’elevatore di tensione Mean Well PS-05-12 12V/DC, 0,45A.

La scheda LED Adafruit NeoPixel Stick RGB LED.

La scheda pulsante RobotGeek Pushbutton.

Alimentatore: Anche l’alimentatore da muro è un componente buy. Esso ha il compito di trasformare la 220 V in 12 V 2 A da fornire al sistema. L’alimentatore scelto è un grado di alimentare un sistema che richiede una potenza fino a 24 Watt, perciò adeguata a quella del sistema. Il componente è un RS PRO 12V, 2A, ed il suo costo è di € 4,00.

Scheda Touch: Al di sotto del tasto superiore di erogazione è presente uno scasso in cui il materiale si fa molto sottile, dentro il quale è montata una scheda touch che rende il pulsante a sfioramento. L’elemento montato è un Adafruit AT42QT1012 TOUCH SENSOR BREAKOUT, scelto per la sua particolare compattezza. Il suo costo è di € 5,21.

Filtro micrometrico: Come è stato riportato diverse volte, il filtro micrometrico è un sistema in linea dalla forma standard, che si adatta ad ogni tipo di frigorifero. Scegliere un filtro del genere aiuta a mantenere bassi i costi, visto che la sua standardizzazione ne abbassa il prezzo. Il filtro presenta una maglia micrometrica con fori dal diametro di 5 micron e attacchi dal diametro di 12 mm. Il componente si chiama Ionicore IC-10SE, garantisce un’autonomia minima di 9 mesi ed ha un prezzo di € 5,00. Il prodotto è pensato per funzionare all’interno di sistemi con tubi di portata dal diametro di 6,35 mm, come quelli adottati dal prodotto.

Lampada germicida UV-C: La selezione della lampada germicida è stata effettuata tenendo in considerazione la potenza necessaria alla de-batterizzazione totale ed immediata del flusso d’acqua supportato dal sistema. Tale selezione ha portato alla scelta di una lampada Philips, la TUV 11W FAM/10X25BOX , una lampada da 11W e 40 Volt, adeguata alle caratteristiche del prodotto sia per prestazioni che per dimensioni. La lampada andrà a montarsi all’interno di un tubo di acciaio inox dentro il quale passerà l’acqua. Il prezzo della lampada è di € 5,88.

Per il componente dentro cui viene posizionata la lampada si è fatta una stima considerando il costo degli elementi da acquistare (portalampada e tubo di vetro al quarzo) e dell’elemento di metallo da realizzare, con i relativi tappi. I portalampada hanno un costo di €0,60 ciascuno, e sono due.

La scheda touch Adafruit AT42QT1012 Touch Sensor Breakout.

Il filtro micrometrico in linea Ionicore IC-10.

La lampada germicida UV-C Philips TUV 11W FAM/10X25BOX.

Il tubo di vetro al quarzo, prodotto da Heliosquartz, ha un costo di € 2,70. Le guarnizioni all’interno del sistema sono standard, ed un kit completo per realizzare un filtro costa, secondo i listini di Teknofluor, € 2,30. La stima di costo per la realizzazione del case in metallo è stata effettuata partendo del costo degli estrusi di base riportato da Officine GSP. In questo caso la lavorazione consiste nel taglio di un tubo in acciaio inox 304, nella filettatura delle estremità, nella foratura laterale e nella successiva saldatura dei tubi laterali per l’ingresso dell’acqua. Inoltre c’è la realizzazione tramite fresa a controllo numerico dei due tappi del sistema. Il costo stimato per questo lavoro è di € 25 per kit, comprensivo di materiale e manodopera.

Vari: Tra i componenti restanti ci sono i tubi in acciaio inox, i gomiti a 90° per fissarli, gli adattatori ad attacco rapido per i filtri, le viti e gli inserti filettati da inserire nei fori praticati nel telaio.

Gli adattatori rapidi per i filtri Hydraulic Quick Coupling ¼ inch.

I tubi seguono lo standard internazionale, hanno diametro esterno di 8 mm e diametro interno di 6,35 mm, o ¼ ‘’. Il materiale di cui sono composti è acciaio inox 304, e presentano la possibilità di essere filettati all’esterno dopo il taglio a misura. Il prezzo del kit per un dispositivo è di €12,50.

I tubi in acciaio inox AISI 304 con diametri 8 mm e 6,35 mm.

I gomiti a 90° sono prodotti da FGInox e chiamati Raccordi Serie 3000 SW Gomiti 90° a saldare acciaio inossidabile 304L acciaio inossidabile 316L. Il kit per montare il dispositivo ha un costo di € 7,00 I set di connettori rapidi per i filtri sono realizzati per lavorare con l’acqua, e hanno un diametro interno di 6,35 mm. Il loro costo è di € 4,50 a coppia di maschio e femmina, da moltiplicare per due per la presenza dei due filtri. Gli inserti filettati cilindrici per il telaio sono in acciaio zincato, e hanno delle misure di M3 x 2. Novara Metalli li vende ad un prezzo di € 3,66 per kit di montaggio di un dispositivo. Il costo di tutte le viti, stando sempre al listino di Novara Metalli arrivano a costare € 5.

L’analisi dei costi: Per le plastiche si è considerato il prezzo del materiale, una stima della manodopera necessaria, perciò del tempo di realizzazione dei pezzi, e una stima di quantità e costo dei singoli stampi. Un set di stampe per un singolo purificatore prevede due scocche di base, tre elementi per il raccoglitore dell’acqua montato nella base, quattro scocche per le pareti della torre, due scocche per la parte superiore della torre e una scocca per il contenitore dell’acqua all’interno del vano dei filtri. Inoltre prevede lo sviluppo di due scocche per la bottiglia più il tappo, in gomma. Tra la minuteria c’è il tasto fisico e la valvola di erogazione da montare nel fondo della bottiglia. I calcoli relativi al costo delle scocche sono stati effettuati considerando una prima produzione di 5000 pezzi, e quindi l’ammortamento degli stampi è stato effettuato su questa base di partenza. Si è stimato il bisogno di realizzare 11 stampi di medie dimensioni senza il bisogno di carrelli, alcuni dei quali prevedono l’accorpamento di alcuni oggetti più piccoli. Ad un prezzo medio di € 10.000 a stampo, l’ammortamento sui 5000 esemplari prodotti porta ad un costo di 15 € a kit. Si è anche stimato un costo medio di produzione dei componenti, che tra materiale e tempo di lavorazione arriva ad una media di 1,30 € a pezzo, per un totale di 17 €. Un kit di scocche in plastica costerà quindi € 32.

Per il telaio l’azienda di riferimento per l’acquisto del materiale e la successiva lavorazione di taglio laser e piegatura è stata Officine GSP, azienda italiana specializzata in queste lavorazioni. Il preventivo dell’azienda riporta il costo del materiale incluso di scarto. La realizzazione del telaio richiede una lastra di acciaio inox 304 spessa 2 mm con dimensioni di 540 x 275 mm. Il costo del materiale grezzo è di € 21, a pezzo. Si è stimato un costo di lavorazione di € 8 per kit comprensivo di telaio e flange metalliche di supporto, compreso di taglio e piegatura. Il prezzo di ogni kit di telaio e flange è quindi di € 29.

Partendo dai dati raccolti precedentemente, è stata effettuata l’analisi dei costi che prevede una stima del costo di produzione e montaggio di un dispositivo, considerando gli ammortamenti degli stampi per la plastica su un lotto di 5000 unità di partenza. Sommando il costo dei componenti make, ovvero di plastiche e telaio, e dei componenti buy, si arriva ad un costo in BOM di € 174,28. Considerando un costo di vendita doppio rispetto al costo di produzione, il prodotto rimarrebbe in ogni caso più economico dei competitor dal layout simile, studiati per essere dei piccoli elettrodomestici, ma avrebbe prestazioni comparabili a quelle dei sistemi ben più costosi ed ingombranti.

Criteri di selezione dei materiali La selezione dei materiali di un piccolo elettrodomestico deve tenere in considerazione diversi fattori. Uno dei fattori più impattanti è la resa estetica delle scocche in plastica, che deve essere elevata. Le plastiche delle scocche devono inoltre permettere di essere lavorate con diverse finiture superficiali senza creare alcun problema estetico.

Chip di ABS colorato in massa prima di essere fuso in tramoggia. Fonte: https://www.protolabs.it/risorse/suggerimenti-di-progettazione

Le scocche non devono essere solamente belle da vedere, ma devono durare nel tempo ed essere semplici da pulire: la plastica di cui sono composte deve resistere all’utilizzo ciclico dei prodotti per la pulizia della cucina, e in definitiva agli agenti chimici tipicamente presenti in essi. Un ottimo polimero adoperato nell’industria degli elettrodomestici è l’acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS). Tale materiale ha un costo leggermente superiore ad altri polimeri come il Polietilene e Polistirene, ma ha proprietà superiori. L’ABS è la scelta corretta quando c’è bisogno di ottenere resistenza meccanica, resistenza agli agenti chimici e buona finitura e lunga durata. Questo polimero viene applicato moltissimo nell’industria degli elettrodomestici anche perché le sue proprietà non sono influenzate dall’umidità. Tra i punti deboli c’è la poca resistenza alla luce del sole, di cui però non si tiene conto nel momento in cui si realizza un prodotto per la casa. La scelta di adottare l’ABS per tutte le scocche è dovuta al bisogno di pulire spesso l’oggetto, utilizzando anche solventi alcolici, ma anche alla necessità di resistenza meccanica. Sebbene infatti alla base del prodotto ci sia un telaio in acciaio, alcune scocche in particolare, come quelle della base, richiedono una certa resistenza per sopportare il peso della bottiglia. Tutti i componenti plastici dell’oggetto sono realizzati nello stesso materiale, dal momento che ognuno di essi si trova esternamente e può essere visto e toccato dall’utente. Come tutti i piccoli elettrodomestici, ci si aspetta che il prodotto abbia un tempo di servizio di almeno cinque anni. Questo punto ha fatto protendere verso l’utilizzo di tubi metallici per il passaggio dell’acqua.

Un altro elemento che ha portato a questa scelta è stato la predisposizione al montaggio di tubi in metallo dei componenti tecnici e dei raccordi adoperati nel prodotto. Tali elementi sono realizzati con materiali in grado di evitare la corrosione per contatto galvanico con l’acciaio inox, perciò tutti i tubi adoperati sono degli estrusi standard con diametro esterno di 8 mm e diametro interno di 6,35 mm. Il materiale specifico dei tubi è l’AISI 304 (Modulo elastico di 195 GPa, sforzo di snervamento di 207 MPa), un acciaio inox austenitico, rigido e che non soffre il contatto prolungato con l’acqua proprio perché inossidabile. Tale materiale non teme il contatto prolungato con l’acqua, che se purificata e povera di inquinanti non lascia traccia sulle pareti interne dei tubi. Per il tubo esterno flessibile, che porta l’acqua dall’attacco esterno all’elettrovalvola principale, invece, è stato utilizzato un tubo di nylon rinforzato, come quelli utilizzati dai sistemi domestici che richiedono l’attacco alla rete idrica. Tali tubi sono resistenti, duraturi e non soggetti alle incrostazioni. Anche il telaio è realizzato in acciaio inox AISI 304, in modo da non soffrire nel momento in cui si presentino eventuali infiltrazioni d’acqua all’interno del prodotto. Un’altra ragione che ha portato all’adozione di questo materiale è la buona resistenza meccanica a flessione, la facile lavorabilità con i sistemi ipotizzati e il basso costo delle lastre da 2 mm di spessore.

Tubi flessibili in teflon e gomma per applicazioni idriche. Fonte: http://www.girgom.it/tubi-flessibili

La scelta de materiale per la realizzazione della bottiglia ha richiesto un ragionamento relativo alla resistenza, alla possibilità di lavare spesso l’elemento, alla sicurezza a contatto con l’acqua e alla necessità di saldare insieme due tipi di plastiche diverse. La bottiglia è realizzata da due componenti, uno trasparente e l’altro opaco. La parte inferiore, quella opaca, è anche quella più articolata, visto che presenta il centraggio con la base del sistema e accoglie la valvola che sta nella base della bottiglia. Dal momento che questo elemento richiede di essere opaco, si è deciso di utilizzare come materiale il polipropilene. Il polipropilene è un polimero stampabile per iniezione che viene utilizzato per lo sviluppo di contenitori e bicchieri in plastica rigida per il cibo e le bevande. Il polipropilene può subire il contatto dei cibi senza contaminarli, e non teme i solventi e le alte temperature, perciò è l’ideale per quei prodotti che richiedono di essere puliti con frequenza, e che potrebbero essere lavati in lavastoviglie. Pur essendo un polimero strutturale e per determinati spessori non deformabile al tatto, il polipropilene ha una rigidità inferiore a quella tipica dei polimeri, quindi riesce a resistere maggiormente agli urti. Il polipropilene può anche subire lavorazioni di saldatura tra plastiche senza problemi, ed è per questo che si adotta spesso in componenti che adottano due diversi materiali da saldare. La saldatura ad ultrasuoni lascia un segno di giunzione veramente pulito. Per la parte trasparente della bottiglia, anch’essa stampata per iniezione e accoppiata per saldatura ad ultrasuoni all’elemento inferiore, è stato necessario cercare un altro materiale. A lungo andare e con i vari cicli di lavaggio, il polipropilene, se trasparente, tende a perdere la sua lucentezza. Inoltre, per un componente alto come quello di cui si parla, tale materiale sarebbe risultato troppo elastico. La scelta finale è ricaduta sul SAN, ovvero il co-polimero acrilonitrile-stirene. Tale materiale è trasparente e resistente ai graffi. Ha qualità ottiche molto elevate, paragonabili a quelle del polistirene, tuttavia rispetto a quest’ultimo ha più resistenza chimica e durezza superficiale, ha una maggiore resistenza alle temperature e una buona resistenza ai solventi, che si traduce nella possibilità di lavaggio in lavastoviglie.

Tale materiale viene usato per realizzare i contenitori dei frullatori e dei minipimer. Avendo le adeguate proprietà meccaniche e chimiche alla funzione, potendo essere lavorato per stampaggio ad iniezione e ammettendo la saldatura ad ultrasuoni, è il polimero adatto allo sviluppo di questo componente. Dai volumi del modello 3D, una volta selezionati i materiali è stato possibile calcolare le masse dei vari elementi. Il kit delle scocche è composto da diversi componenti, che arrivano a pesare tutti insieme 1,045 Kg. La massa della bottiglia è di 0,33 Kg, mentre quella del telaio e delle flange in acciaio inox è 1,78 Kg. Si è stimato il costo delle componenti interne, che sfiora i 2 Kg. In tutto si stima che il dispositivo avrà un peso di 5 Kg e 155 grammi, in linea con il peso dei prodotti simili sul mercato.

Applicazione tipica dell’acrilonitrile-stirene, i contenitori dei minipimer. Fonte: https://www2.braunhousehold.com/it-it/products

L’analisi strutturale del telaio Il telaio è l’elemento portante dell’intero oggetto, sul quale vengono fissati tutti i componenti e le scocche. È importante che tale elemento soddisfi i requisisti di resistenza meccanica che vengono richiesti da un eventuale uso improprio del sistema. Per trovare lo spessore da adoperare per sviluppare il telaio si sono effettuate delle analisi strutturali adoperando il metodo degli elementi finiti. Innanzitutto è stato individuato il punto critico di applicazione della forza, insieme ad una direzione ed un verso critici del vettore stesso. Tale punto è quello che permette di effettuare la massima leva sull’oggetto, e si trova nella parte superiori del fianco laterale del telaio. Il telaio è legato alle tre scocche principali in nove punti. I cinque punti di ancoraggio alla scocca anteriore e posteriore della torre fanno in modo che delle forze applicate su questi elementi vadano a scaricarsi nella parte superiore del telaio.

I due casi limite sono quindi quelli dell’applicazione di una forza in cima alla torre, dal fianco sinistro verso quello destro e viceversa. Verranno effettuate quindi due analisi FEM, applicando a turno la forza di una spinta mediamente vigorosa, come quella di un urto accidentale, nel punto di massima leva del telaio. Per convenzione, affinché un manufatto in metallo risulti abbastanza resistente, quando il carico è applicato sul punto critico l’elemento dovrebbe subire una deformazione massima inferiore ad 1/20 della sua dimensione maggiore. Nel caso del telaio del prodotto, la dimensione maggiore è quella dell’altezza, che equivale a 380 mm. Dividendo per 20 questo valore si ottiene che la massima deformazione ammissibile non può essere superiore a 19 mm. Questa è una deformazione teorica, che con le scocche in posizione non avverrebbe e sarebbe limitata a pochi millimetri, tuttavia per rendere l’analisi snella e schematica si tiene in considerazione il solo telaio vincolato solamente nei punti inferiori di aggancio alla base. Sono state effettuate due analisi, considerando i due casi estremi di applicazione di forze sulla parte alta del lato destro dell’oggetto e sulla parte alta del lato sinistro. La forza considerata è stata quella di 10 Kg, oppure 100 N, che equivale ad un urto moderatamente pesante. Andare oltre non avrebbe senso dal momento che si deve considerare che l’oggetto, superata una certa forza, può strisciare sul piano e dissipare in movimento la forza stessa.

Nell’impostare l’analisi sono stati considerati i vincoli nei punti di ancoraggio alla base, la geometria del telaio, il materiale dell’oggetto, con i suoi valori di sforzo di snervamento e coefficiente di Poisson, e una forza di 100 N distribuita nella parte superiore del telaio, prima di destra, poi di sinistra. L’analisi ha dimostrato che una lamiera con spessore di 2 mm avrebbe soddisfatto i vincoli meccanici richiesti.

Prima analisi

Lo sforzo massimo provocato dalla sollecitazione è di 165 MPa, mentre lo forzo di snervamento dell’acciaio è superiore ai 207 MPa.

La deformazione massima vista dall’alto.

La deformazione massima (URES) nel primo caso è di 16,9 mm.

Nel primo caso la forza di 100 N è applicata sul lato destro del telaio. In questo caso, come mostra la prima immagine in alto, la deformazione massima è di 16,9 mm, in linea con il limite di 19 mm imposto precedentemente. L’immagine in basso a sinistra fa apprezzare lo sforzo generato dall’urto, e dimostra che esso è inferiore allo sforzo di snervamento del materiale, perciò anche in questo caso estremo il pezzo non correi il rischio di essere deformato plasticamente. Lo sforzo si attesta essere 165 MPa, mentre lo sforzo di snervamento del materiale è di 207 Mpa. Ciò vuol dire che ci si avvicina allo snervamento ma solo nei punti di ancoraggio, che verosimilmente non saranno così sollecitati per via dello slittamento dell’oggetto. Nell’immagine in basso a destra si nota il punto di applicazione della forza, il posizionamento dei vincoli in relazione ai punti di ancoraggio del telaio alla base dell’oggetto e la deformazione che segue all’applicazione della forza.

Seconda analisi Nel secondo caso la forza di 100 N è applicata sul lato sinistro del telaio. La massima deformazione è di 16 mm, leggermente inferiore rispetto al primo caso. La tendenza alla deformazione è speculare a quella del primo caso e rimane sotto la soglia del ventesimo dell’altezza (19 mm). Anche lo sforzo massimo generato dall’applicazione della forza è lievemente inferiore, essendo 160 Newton. I punti di massimo sforzo restano gli stessi, cioè quelli di ancoraggio alla base, ma come abbiamo detto precedentemente risultano molto sotto sforzo perché la deformazione non è mitigata dallo spostamento dell’oggetto sul piano, che in condizioni reali generalmente avverrebbe. In basso si può notare l’entità della deformazione del telaio dalla vista frontale ed in scala reale.

Lo sforzo massimo provocato dalla sollecitazione è di 160 MPa, mentre lo forzo di snervamento dell’acciaio è superiore ai 207 MPa.

La deformazione massima vista dal fronte

La deformazione massima (URES) nel secondo caso è di 16 mm.

Bibliografia Sitografia

Bibliografia

Acquaxcasa S.R.L., UV Water sterilizers, report, Roma, 2016. Ashby M., Shercliff H., Cebon D., Materiali, dalla scienza alla progettazione ingegneristica, Casa editrice ambrosiana, Milano, 2009. BM Project, Sterilizzazione Raggi UV-C, Report, Milano, 2017. Colagrossi R., Lucentini L., Linee guida per l’informazione sulle apparecchiature per il trattamento dell’acqua destinata al consumo umano, ISTISAN, Roma, 2015. Croce Rossa Italiana, Contaminazione dell’acqua potabile e degli alimenti, Report, Milano, 2018. De Veer T., Water supply in disasters and emergencies, Report, Leiden editore, Oslo, 2015. European Food Safety Authority, Health risk of ammonium rekeased from water filters, WFSA Journal, Ginevra, 2012. Fridenson, Water transport and storage in emergency situation, Report, Washington, 2016. Lupacchini Andrea, La sensorialità nei materiali, Franco Angeli editore, Milano, 2015. Moretti G., Valutazione dei rischi e dei benefici derivanti dal trattamento delle acque destinate al consumo umano, Report del Laboratorio di Epidemologia Ambientale, Università degli Studi di Padova, 2017 UNICEF, Rapporto sull’intervento umanitario, Report, Milano, 2018.

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UNISDR, Economic Losses, Poverty & Disasters, 1998, 2017, Report, Belgium, 2018.

Sitografia

Sottoprodotti della disinfezione: https://www.lenntech.it/disinfezione-acqua/sottoprodotti-disinfezione.htm Funzionamento dei depuratori domestici: http://www.depuratoreacquainfo.it/depuratori-acqua-domestici/ Tecniche di filtrazione dell’acqua: https://www.culligan.it/tecniche-di-filtrazione-acqua/ Tecniche di filtrazione dell’acqua: https://www.lenntech.it/disinfezione-acqua/introduzione-disinfezione-acqua.htm Tecniche di filtrazione dell’acqua: http://www.osmosistemi.it/index.php?option=com_content&view=article&id=30&Itemid=125&lang=it Tecniche di filtrazione dell’acqua: http://www.osmosistemi.it/index.php?option=com_content&view=article&id=36&Itemid=123&lang=it Contaminazione delle acque dopo I terremoti: https://www.microbiologiaitalia.it/2017/09/16/contaminazioni-dopo-i-terremoti/ Studi sulla quantità di acqua contaminate: http://www.mbamutua.org/lavoce/oms-2-miliardi-persone-bevono-acqua-contaminata/ Disinfezione UV dell’acqua: http://www.uv-water.com/modules/it/disinfezione-uv-c-acqua.php L’aumento delle catastrofi naturali: https://valori.it/catastrofi-naturali-il-loro-costo-e-cresciuto-di-1-600-miliardi-in-20-anni/ Pericoli di ingestion di acqua non pura: https://news.fidelityhouse.eu/salute/lacqua-sporca-uccide-piu-donne-dellaids-nel-terzo-mondo-99130.html

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Importanza e rischi portati dai batteri nel corpo umano: https://www.fibrosicisticaricerca.it/domanda-e-risposta/batteri-fondamentali-la-sopravvivenza-delluomo/

Parametri microbiologici dell’acqua contaminata: https://ambiente.provincia.bz.it/acqua/parametri-microbiologici.asp L’aumento dei fenomeni meteorologici severi: https://www.lifegate.it/persone/news/disastri-naturali-costi-vittime L’aumento dei fenomeni meteorologici severi: https://ec.europa.eu/jrc/en/publication/eur-scientific-and-technical-research-reports/atlas-human-planet-2017-global-exposure-natural-hazards Depuratori d’acqua domestici: http://www.acquangy.it/depuratori-acqua-a-microfiltrazione-domestico-sopralavello-uso-casalingo-cucina/ Calcolo della portata di un tubo: https://www.youmath.it/lezioni/fisica/idrostatica-fluidodinamica/3220-equazione-di-bernoulli.html Calcolo della portata di un tubo: https://aulascienze.scuola.zanichelli.it/esperto-fisica/2012/01/19/un-fluido-attraverso-una-strozzatura/

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La dimensione delle particelle di contaminanti disperse nell’acqua: https://www.lenntech.com/library/fine/particles/particlesize.htm

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