Scaricati in grandi quantità da produttori tessili, cosmetici, inchiostri, carta e altri, i coloranti presentano un’elevata tossicità e possono portare potenziali agenti cancerogeni nelle acque reflue. Si tratta di una delle principali preoccupazioni per il trattamento delle acque reflue, ma i ricercatori del College of Engineering della Drexel University potrebbero aver trovato una soluzione, utilizzando un minuscolo nanofilamento.
Uno studio condotto da Michel Barsoum, Ph.D., illustre professore universitario presso il College of Engineering, e il suo team, inclusi ricercatori del Drexel’s College of Arts and Sciences, hanno scoperto che un materiale fotocatalitico monodimensionale a base di ossido di titanio strutturato in lepidocrocite ha la capacità per abbattere due comuni inquinanti coloranti – rodamina 6G e cristalvioletto – sotto lo spettro della luce visibile. Il materiale ha inoltre ridotto le concentrazioni di colorante nell’acqua rispettivamente del 90% e del 64%, in soli 30 minuti, quando il rapporto in massa tra catalizzatore iniziale e colorante era 1 a 1.
“Si tratta di una scoperta entusiasmante perché aiuta ad affrontare un problema che ha rappresentato una vera sfida per il processo di trattamento delle acque”, ha affermato Barsoum. “Prevediamo che l’integrazione del nostro fotocatalizzatore a base di ossido di titanio negli attuali processi potrebbe migliorare la sua efficacia nella rimozione di queste sostanze chimiche, oltre a ridurre la quantità di energia necessaria per farlo”.
Il processo inizia con l’adsorbimento, dove il colorante aderisce alla superficie del nanofilamento e, una volta illuminato, subisce la fotocatalisi. Il colorante sensibilizza i nanofilamenti alla luce visibile. Questo processo accelera la degradazione, consentendo al colorante di scomporsi in sottoprodotti innocui come anidride carbonica e acqua.
Lo studio, recentemente pubblicato sulla rivista Questionehanno scoperto che la chiave del processo di degradazione del colorante e di autosensibilizzazione era la capacità del materiale di generare lacune elettroniche e qualcosa chiamato “ROS” – idrossile, superossido e ossigeno singoletto, radicali, nonché “lacune” elettroniche.
I due bersagli del colorante sono comunemente effluenti contenenti colorante nelle acque reflue. L’effluente, che letteralmente significa qualcosa che fuoriesce, è diverso dai liquami presenti nelle acque reflue. I rifiuti solidi possono essere filtrati e rimossi prima che l’acqua venga purificata. L’effluente è sospeso nell’acqua, rendendo difficile la separazione e la rimozione.
La rodamina 6G è un colorante derivato dallo xantene utilizzato principalmente nella lavorazione del legno, nella tintura della carta, nell’inchiostro delle penne e nei cosmetici. Il cristalvioletto, un colorante trifenilmetano, viene utilizzato per tingere inchiostri e tessuti. Questi coloranti sono solubili in acqua e l’eventuale eccesso viene scaricato come effluente.
Le acque reflue rappresentano una delle principali preoccupazioni ambientali in tutto il mondo e la loro esistenza ha impatti a lungo termine sulla salute degli esseri umani, delle piante acquatiche e degli animali. Le famiglie e l’industria generano ogni anno quasi 380 miliardi di tonnellate cubi di acque reflue a livello globale. Solo il 24% di questi viene trattato in modo adeguato a causa di difficoltà nel trattamento, tra cui l’elevato consumo energetico, l’esistenza di residui chimici, il personale dei centri di trattamento e il trattamento insufficiente di contaminanti complessi e persistenti, compresi i coloranti.
I metodi più comuni di trattamento delle acque reflue, come la sedimentazione, l’ossidazione biologica e il trattamento chimico-fisico, secondo i ricercatori sono inefficaci nel rimuovere i coloranti, a causa della complessa struttura molecolare dei coloranti e della natura solubile in acqua.
Anche l’adsorbimento con materiali argillosi, carbone attivo, ossido di ferro e materiali naturali come fondi di caffè è stato utilizzato in precedenza e mostra un elevato assorbimento di colorante cationico, scambiando ioni o formando legami. Tuttavia, questi materiali consentono semplicemente la separazione del colorante dall’acqua: il colorante esiste ancora ed è semplicemente attaccato ai materiali adsorbenti all’interno delle acque reflue.
I fotocatalizzatori, a lungo ritenuti la chiave per rimuovere i coloranti dall’acqua, finora non hanno prodotto una soluzione sostenibile. Secondo Barsoum, molti fotocatalizzatori richiedono in genere un trattamento con luce UV, che utilizza una grande quantità di energia. L’impatto del nuovo nanofilamento risiede nel suo comportamento di autosensibilizzazione, che rende il nanofilamento più sensibile alla luce visibile.
“L’uso della luce visibile – la luce che l’occhio umano può vedere – come il sole o altre fonti di luce simulata, potrebbe ridurre significativamente i costi finanziari ed energetici associati al trattamento, pur essendo altamente efficace nel rimuovere i coloranti dalle acque reflue, eliminando gli effluenti tossici”, ha detto Adam Walter, uno studente di dottorato nel gruppo di ricerca di Barsoum e il primo autore dell’articolo, presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali. “Ciò rappresenta anche un’entusiasmante opportunità di espansione in altri campi come le celle solari o i dispositivi ottici.”
Il risultato: acqua più pulita senza l’uso di ulteriori tossine o energia aggiuntiva.
Per eseguire lo studio, il team ha utilizzato la diffrazione dei raggi X per caratterizzare la disposizione degli atomi nel nanomateriale. Hanno inoltre caratterizzato il nanomateriale con la microscopia elettronica a scansione e trasmissione, che invia fasci di elettroni sul materiale per formare un’immagine.
Per monitorare la decolorazione del colorante, il team ha monitorato il campione utilizzando la spettroscopia ultraviolenta-visibile e ha quantificato la mineralizzazione in base alla domanda chimica di ossigeno. Lo studio descrive nel dettaglio le proprietà strutturali e ottiche dei nanofilamenti, nonché la promessa del materiale per il trattamento delle acque reflue grazie alla sua efficienza di adsorbimento di entrambi i coloranti testati nello studio.
Uno dei risultati più importanti dello studio è stata la forte evidenza che il nanofilamento è sensibilizzato dal colorante, il che rappresenta una relazione simbiotica tra additivo ed effluente che ha prodotto acqua più pulita e meno tossica. Un modo di pensare a questo, ha detto Walter, è che il colorante catalizza la propria distruzione.
Inoltre, sebbene questo studio abbia dimostrato che il nanofilamento potrebbe essere sfruttato per migliorare la capacità di trattamento dell’acqua, serve anche come prima prova che i materiali possono essere sensibilizzati, aprendo la porta ad altre applicazioni nelle celle solari e nei dispositivi ottici. All’inizio di quest’anno, lo stesso nanofilamento è stato studiato dal team e si è scoperto che sfrutta la luce solare per la separazione dell’idrogeno, cosa che potrebbe sbloccare il suo potenziale nella generazione di carburante verde.
“Stiamo appena iniziando a scoprire le possibilità di questo materiale”, ha detto Barsoum. “Man mano che comprendiamo meglio i processi che ne consentono il comportamento, prevediamo di esplorare nuove applicazioni in cui potrebbe migliorare le prestazioni della tecnologia di cui il mondo ha bisogno per muoversi verso un futuro più sostenibile.”
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
