Studio del comportamento di materiali polimerici a contatto con biossido di cloro in applicazioni e/o impianti del sistema idrico integrato. Fenomeni di invecchiamento e predisposizione di test di prova sperimentale.

Despite Europe being endowed with adequate water resources, the increasing frequency and spread of water scarcity and droughts within the European Union are concerning phenomena. In some regions, the severity and frequency of droughts can lead to water scarcity situations, while excessive exploitation of available resources can exacerbate the consequences. Besides water quantity, water scarcity can also stem from serious quality issues, with pollution reducing the availability of clean water (European Environment Agency, 2021). Globally, to mitigate pollution, disinfection of water distribution networks is commonly carried out through chlorination. Chlorine dioxide (ClO₂) stands out as a potent oxidizing agent effective against chlorine-resistant viruses and pathogens. However, due to its intense oxidizing properties, ClO₂ can more aggressively damage polyolefins such as polyethylene (PE) compared to hypochlorite (ClOˉ ) (Yu et al., 2018). PE pipes within aqueducts may experience premature failures due to exposure to chlorine dioxide, which, being a dissolved gas, diffuses more rapidly into the polymer than other disinfectants, accelerating degradation reactions (Vertova et al., 2019) and thus leading to water losses. Phenolic antioxidants added to PE during pipe manufacturing to hinder the reaction of chlorine dioxide with the material seem to only offer temporary delay in polymer degradation (Yu et al., 2011). This thesis aims to thoroughly explore the complex dynamics of this process, offering a significant contribution to understanding its implications and performances. The first chapter lays the foundations, highlighting the effectiveness of chlorine dioxide disinfection in the integrated water system. The urgency for an in-depth understanding of this process serves to ensure sustainability and effectiveness of water systems. The second chapter further focuses on the interaction between chlorine dioxide and the polymeric materials employed in water systems. Detailed analysis of the long-term degradation of such materials provides a comprehensive picture of associated effects. In the third chapter, attention is directed towards methods used to anticipate chemical and physical aging of polymers in contact with chlorine dioxide, emphasizing the crucial importance of developing reliable and representative predictive methodologies of the context's complexity. The fourth chapter introduces the test bench, a result of collaboration with Central Tubi and Marche Multiservizi. The thesis is an in-depth analysis of the complex dynamics associated with water system disinfection through the use of chlorine dioxide. By analyzing challenges like premature degradation of polymeric materials in contact with chlorine dioxide, it provides a starting point for future investigations aimed at better understanding the interaction mechanisms between the disinfectant and water system components. These researches could deepen knowledge of long-term effects and possible solutions, allowing continuous improvement of disinfection technologies. Concurrently, identified opportunities, such as chlorine dioxide's effectiveness in combating chlorine-resistant pathogens, suggest potential development paths for optimizing disinfection practices. Future research could explore new ways of chlorine dioxide utilization, developing more efficient and sustainable methodologies.

Nonostante l'Europa sia dotata di risorse idriche adeguate, la crescente frequenza e diffusione della scarsità d'acqua e delle siccità all'interno dell'Unione Europea sono fenomeni preoccupanti. In alcune regioni, la gravità e la frequenza delle siccità possono portare a situazioni di scarsità idrica, mentre lo sfruttamento eccessivo delle risorse disponibili può amplificarne le conseguenze. Oltre alla quantità d'acqua, la scarsità idrica può anche derivare da gravi problemi di qualità, con l'inquinamento che riduce la disponibilità di acqua pulita (Agenzia europea per l'ambiente, 2021). A livello globale, per ridurre il problema dell’inquinamento, la disinfezione delle reti di distribuzione dell'acqua è comunemente effettuata mediante clorazione. Il biossido di cloro (ClO₂) si distingue come un potente agente ossidante efficace contro virus e agenti patogeni resistenti al cloro. Tuttavia, a causa delle sue proprietà ossidanti intense, il ClO₂ può danneggiare poliolefine come il polietilene (PE) in modo più aggressivo rispetto all'ipoclorito (ClOˉ ) (Yu et al., 2018). I tubi in PE all'interno degli acquedotti possono subire guasti prematuri a causa dell'esposizione al biossido di cloro, il quale, essendo un gas disciolto, si diffonde più velocemente nel polimero rispetto ad altri disinfettanti, accelerando le reazioni di degradazione (Vertova et al., 2019) e portando quindi a perdite idriche. Gli antiossidanti fenolici aggiunti al PE durante la produzione delle tubazioni per ostacolare la reazione del biossido di cloro con il materiale sembrano offrire solo un ritardo temporaneo nella degradazione del polimero (Yu et al., 2011). Questa tesi si propone di esplorare approfonditamente le dinamiche complesse di questo processo, offrendo un contributo significativo alla comprensione delle sue implicazioni e prestazioni. Il primo capitolo stabilisce le fondamenta, mettendo in luce l'efficacia della disinfezione con biossido di cloro nel sistema idrico integrato. L'urgenza di una conoscenza approfondita di questo processo serve a garantire la sostenibilità e l'efficacia dei sistemi idrici. Il secondo capitolo si concentra ulteriormente sull'interazione tra il biossido di cloro e i materiali polimerici impiegati nei sistemi idrici. L'analisi dettagliata della degradazione a lungo termine di tali materiali offre un quadro esaustivo degli effetti connessi. Nel terzo capitolo, l'attenzione si focalizza sui metodi utilizzati per anticipare l'invecchiamento chimico e fisico dei polimeri a contatto con il biossido di cloro, sottolineando l'importanza cruciale dello sviluppo di metodologie predittive affidabili e rappresentative della complessità del contesto. Il quarto capitolo introduce il banco prova, frutto di una collaborazione con Central Tubi e Marche Multiservizi. La tesi è un'analisi approfondita delle complesse dinamiche connesse alla disinfezione del sistema idrico attraverso l'impiego del biossido di cloro. Attraverso l'analisi delle sfide, come la degradazione prematura dei materiali polimerici a contatto con il biossido di cloro, si fornisce uno spunto per future indagini mirate a comprendere meglio i meccanismi di interazione tra il disinfettante e i componenti del sistema idrico. Queste ricerche potrebbero approfondire la conoscenza degli effetti a lungo termine e delle possibili soluzioni, consentendo un miglioramento continuo delle tecnologie di disinfezione. Parallelamente, le opportunità individuate, come l'efficacia del biossido di cloro nel contrastare agenti patogeni resistenti al cloro, suggeriscono possibili percorsi di sviluppo per l'ottimizzazione delle pratiche di disinfezione. Ricerche future potrebbero studiare nuove modalità di utilizzo del biossido di cloro, sviluppando metodologie più efficienti e sostenibili.