Ossido di titanio per rimuovere i coloranti tossici dalle acque reflue

Ambiente
Redazione
24 Ottobre 2023
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I materiali fotocatalizzatori a base di ossido di titanio, sviluppati dal College of Engineering di Drexel, potrebbero contribuire a rimuovere i contaminanti tossici dei coloranti nel processo di trattamento delle acque reflue.

Utilizzati in grandi quantità dai produttori di tessuti, cosmetici, inchiostri, carta e altro, i coloranti sono altamente tossici e possono introdurre potenziali agenti cancerogeni nelle acque reflue. Si tratta di un problema importante 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, PhD, professore universitario emerito del College of Engineering, e dal suo team, che comprende anche ricercatori del College of Arts and Sciences della Drexel, ha scoperto che un materiale fotocatalizzatore unidimensionale di ossido di titanio strutturato a lepidocrocite ha la capacità di abbattere due comuni coloranti inquinanti – la rodamina 6G e il cristalvioletto – nello spettro della luce visibile. Il materiale ha anche ridotto le concentrazioni di questi coloranti nell’acqua rispettivamente del 90% e del 64% in soli 30 minuti, quando il rapporto di massa catalizzatore/colorante di partenza era di 1 a 1.

“Si tratta di una scoperta entusiasmante perché aiuta a risolvere un problema che rappresenta una vera e propria sfida per il processo di trattamento delle acque. Prevediamo che l’integrazione del nostro fotocatalizzatore all’ossido di titanio nei processi attuali possa migliorare l’efficacia nella rimozione di queste sostanze chimiche, oltre a ridurre la quantità di energia necessaria per farlo“. Ha dichiarato Barsoum.

Il processo inizia con un assorbimento, in cui 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, permettendo al colorante di scomporsi in sottoprodotti innocui come anidride carbonica e acqua.

Lo studio, pubblicato di recente sulla rivista Matter, ha riscontrato che la chiave del processo di degradazione e autosensibilizzazione dei coloranti è la capacità del materiale di generare buchi di elettroni e una sostanza chiamata “ROS” (radicali di idrossile, superossido e ossigeno singoletto), oltre a “buchi” di elettroni.

I due coloranti bersaglio sono gli effluenti comunemente presenti nelle acque reflue. L’effluente, che letteralmente significa qualcosa che fuoriesce, è diverso dal liquame presente nelle acque reflue. I rifiuti solidi possono essere filtrati e rimossi prima della depurazione dell’acqua. Gli effluenti sono sospesi nell’acqua e quindi difficili da separare e rimuovere.

La rodamina 6G è un colorante derivato dallo xantene utilizzato principalmente nella lavorazione del legno, nella tintura della carta, nell’inchiostro per penne e nei cosmetici. Il cristalvioletto, un colorante trifenilmetano, è utilizzato per tingere l’inchiostro e i tessuti. Questi coloranti sono solubili in acqua e ogni eccedenza viene scaricata come effluente.

Le acque reflue sono una delle più gravi problematiche ambientali a livello mondiale e la loro presenza ha un impatto 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 cubiche di acque reflue a livello globale. Solo il 24% di queste viene trattato in modo adeguato a causa delle difficoltà di trattamento, tra cui l’elevato consumo energetico, la presenza di sostanze chimiche residue, il personale dei centri di depurazione e l’insufficiente trattamento di contaminanti complessi e persistenti, tra cui i coloranti.

Secondo i ricercatori, i metodi più comuni di trattamento delle acque reflue, come la sedimentazione, l’ossidazione biologica e il trattamento chimico-fisico, sono inefficaci per rimuovere i coloranti, a causa della loro complessa struttura molecolare e della loro natura idrosolubile.

In precedenza sono stati utilizzati anche materiali argillosi, carbone attivo, ossido di ferro e materiali naturali come i fondi di caffè, che mostrano un elevato assorbimento di coloranti cationici, scambiando ioni o formando legami. Tuttavia, questi materiali consentono soltanto di separare il colorante dall’acqua: il colorante resta ancora in circolazione ed è semplicemente attaccato ai materiali adsorbenti all’interno dell’acqua di scarico.

I fotocatalizzatori, a lungo ritenuti la chiave per rimuovere i coloranti dall’acqua, non hanno finora prodotto una soluzione affidabile. Secondo Barsoum, molti fotocatalizzatori richiedono un trattamento con luce UV, che consuma molta 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 – luce che l’occhio umano può vedere – come il sole o altre fonti di luce simulate, potrebbe ridurre significativamente i costi finanziari e di consumo energetico associati al trattamento, rimanendo comunque altamente efficace nel rimuovere i coloranti dalle acque reflue, eliminando gli effluenti tossici. Questo presenta anche un’interessante opportunità di espansione in altri campi, come le celle solari o i dispositivi ottici”. Ha dichiarato Adam Walter, dottorando del gruppo di ricerca di Barsoum e primo autore dell’articolo, presso il Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria.

Il risultato: un’acqua più pulita senza l’uso di ulteriori tossine o di energia supplementare.

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 un microscopio elettronico a scansione e a trasmissione, che invia fasci di elettroni al materiale per formare un’immagine.

Per monitorare la decolorazione del colorante, il team ha esaminato il campione con la spettroscopia ultravioletta-visibile e ha quantificato la mineralizzazione attraverso la domanda chimica di ossigeno. Lo studio illustra le proprietà strutturali e ottiche dei nanofilamenti, nonché la potenzialità 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 dimostrazione che il nanofilamento è sensibilizzato dal colorante, il che rappresenta una relazione simbiotica tra l’additivo e l’effluente che ha consentito di ottenere un’acqua più pulita e meno tossica. Secondo Walter, il colorante catalizza la propria eliminazione.

Inoltre, se da un lato questo studio ha dimostrato che i nanofilamenti possono essere sfruttati per migliorare la capacità di trattamento delle acque, dall’altro è anche la 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, il team ha studiato lo stesso nanofilamento e ha scoperto che è in grado di sfruttare la luce solare per la separazione dell’idrogeno, il che potrebbe offrire un contributo alla produzione di carburante verde.

“Stiamo appena iniziando a scoprire le possibilità di questo materiale. 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”. Ha detto Barsoum.

fonte articolo: Drexel’s Titanium Oxide Removes Toxic Dyes from Wastewater | Drexel Engineering – per approfondire lo studio: https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.09.008