Gli ingegneri del Nanotechnology Enabled Water Treatment Center (NEWT) della Rice University hanno trovato un catalizzatore che pulisce i nitrati tossici dall'acqua potabile convertendoli in aria e acqua.

La ricerca è disponibile online sulla rivista dell'American Chemical Society Catalisi ACS .

"I nitrati provengono principalmente dal deflusso agricolo, che colpisce le comunità agricole di tutto il mondo, ", ha affermato l'ingegnere chimico della Rice, Michael Wong, lo scienziato capo dello studio. "I nitrati sono sia un problema ambientale che un problema di salute perché sono tossici. Esistono filtri a scambio ionico che possono rimuoverli dall'acqua, ma questi devono essere lavati ogni pochi mesi per riutilizzarli, e quando ciò accade, l'acqua sciacquata restituisce solo una dose concentrata di nitrati nella rete idrica."

Il laboratorio di Wong è specializzato nello sviluppo di catalizzatori a base di nanoparticelle, pezzi submicroscopici di metallo che accelerano le reazioni chimiche. Nel 2013, il suo gruppo dimostrò che minuscole sfere d'oro punteggiate di granelli di palladio potevano rompere i nitriti, i cugini chimici più tossici dei nitrati.

"I nitrati sono molecole che hanno un atomo di azoto e tre atomi di ossigeno, " Wong ha spiegato. "I nitrati si trasformano in nitriti se perdono un ossigeno, ma i nitriti sono ancora più tossici dei nitrati, quindi non vuoi fermarti ai nitriti. Inoltre, i nitrati sono il problema più diffuso.

"In definitiva, il modo migliore per rimuovere i nitrati è un processo catalitico che li scomponga completamente in azoto e ossigeno, o nel nostro caso, azoto e acqua perché aggiungiamo un po' di idrogeno, " ha detto. "Più del 75 per cento dell'atmosfera terrestre è azoto gassoso, quindi stiamo davvero trasformando i nitrati in aria e acqua".

I nitrati sono tossici per i neonati e le donne in gravidanza e possono anche essere cancerogeni. L'inquinamento da nitrati è comune nelle comunità agricole, soprattutto nella cintura di mais degli Stati Uniti e nella Central Valley della California, dove i fertilizzanti sono molto usati, e alcuni studi hanno dimostrato che l'inquinamento da nitrati è in aumento a causa del cambiamento dei modelli di utilizzo del suolo.

Sia i nitrati che i nitriti sono regolamentati dall'Agenzia per la protezione dell'ambiente, che stabilisce i limiti consentiti per l'acqua potabile sicura. Nelle comunità con pozzi e laghi inquinati, ciò significa tipicamente pretrattare l'acqua potabile con resine a scambio ionico che intrappolano e rimuovono nitrati e nitriti senza distruggerli.

Dal loro lavoro precedente, Il team di Wong sapeva che le nanoparticelle di oro-palladio non erano buoni catalizzatori per rompere i nitrati. Co-autore Kim Heck, uno scienziato ricercatore nel laboratorio di Wong, ha affermato che una ricerca nella letteratura scientifica pubblicata ha rivelato un'altra possibilità:indio e palladio.

"Siamo stati in grado di ottimizzarlo, e abbiamo scoperto che coprire con indio circa il 40% della superficie di una sfera di palladio ci ha fornito il nostro catalizzatore più attivo, " Heck ha detto. "Era circa il 50 per cento più efficiente di qualsiasi altra cosa che abbiamo trovato in studi precedentemente pubblicati. Avremmo potuto fermarci lì, ma eravamo davvero interessati a capire perché fosse meglio, e per questo abbiamo dovuto esplorare la chimica dietro questa reazione".

In collaborazione con i colleghi di ingegneria chimica Jeffrey Miller della Purdue University e Lars Grabow dell'Università di Houston, il team di Rice ha scoperto che l'indio accelera la scomposizione dei nitrati mentre il palladio apparentemente impedisce all'indio di ossidarsi permanentemente.

"L'indio ama essere ossidato, " Heck ha detto. "Dai nostri studi in situ, abbiamo scoperto che l'esposizione dei catalizzatori a soluzioni contenenti nitrati provocava l'ossidazione dell'indio. Ma quando abbiamo aggiunto acqua satura di idrogeno, il palladio ha spinto parte di quell'ossigeno a legarsi con l'idrogeno e formare l'acqua, e ciò ha portato l'indio a rimanere in uno stato ridotto dove è libero di rompere più nitrati".

Wong ha affermato che il suo team lavorerà con partner industriali e altri ricercatori per trasformare il processo in un sistema di trattamento dell'acqua commercialmente valido.

"Ecco dove entra in gioco NEWT, " ha detto. "NEWT è tutto incentrato sull'acquisizione di scoperte scientifiche di base e sul loro utilizzo in condizioni reali. Questo sarà un esempio all'interno di NEWT in cui abbiamo capito la chimica, e il prossimo passo è creare un sistema di flusso per mostrare la prova del concetto che la tecnologia può essere utilizzata sul campo".

NEWT è un centro di ricerca ingegneristica multi-istituzionale con sede a Rice, istituito dalla National Science Foundation nel 2015 per sviluppare compatti, mobile, sistemi di trattamento delle acque off-grid in grado di fornire acqua pulita a milioni di persone e rendere la produzione di energia degli Stati Uniti più sostenibile ed economicamente vantaggiosa. Si prevede che il NEWT sfrutterà oltre 40 milioni di dollari di sostegno federale e industriale entro il 2025 e si concentrerà sulle domande di risposta alle emergenze umanitarie, sistemi idrici rurali e trattamento e riutilizzo delle acque reflue in siti remoti, comprese piattaforme di perforazione sia onshore che offshore per l'esplorazione di petrolio e gas.