Un tappetino polimerico sviluppato alla Rice University ha la capacità di pescare contaminanti biologicamente dannosi dall'acqua attraverso una strategia nota come "esca, agganciare e distruggere."

I test con le acque reflue hanno dimostrato che il tappetino può rimuovere efficacemente gli inquinanti mirati, in questo caso una coppia di interferenti endocrini biologicamente dannosi, utilizzando una frazione dell'energia richiesta da altre tecnologie. La tecnica può essere utilizzata anche per trattare l'acqua potabile.

Il tappetino è stato sviluppato da scienziati con il Centro per il trattamento delle acque abilitato per le nanotecnologie (NEWT) guidato da Rice. La ricerca è disponibile online sulla rivista dell'American Chemical Society Scienze e tecnologie ambientali .

Il tappetino dipende dalla capacità di un materiale comune, diossido di titanio, catturare gli inquinanti e, per esposizione alla luce, degradarli attraverso l'ossidazione in sottoprodotti innocui.

Il biossido di titanio è già utilizzato in alcuni sistemi di trattamento delle acque reflue. Di solito viene trasformato in un impasto liquido, combinato con acque reflue ed esposto alla luce ultravioletta per distruggere i contaminanti. Il liquame deve quindi essere filtrato dall'acqua.

Il tappetino NEWT semplifica il processo. Il tappetino è realizzato con fibre di polivinile filate. I ricercatori lo hanno reso altamente poroso aggiungendo piccole perline di plastica che sono state successivamente sciolte con sostanze chimiche. I pori offrono un'ampia superficie in cui le particelle di ossido di titanio possono abitare e attendere la loro preda.

Le fibre idrofobe (che evitano l'acqua) del tappetino attraggono naturalmente i contaminanti idrofobici come gli interferenti endocrini utilizzati nei test. Una volta legato al tappeto, l'esposizione alla luce attiva il biossido di titanio fotocatalitico, che produce specie reattive dell'ossigeno (ROS) che distruggono i contaminanti.

Istituito dalla National Science Foundation nel 2015, NEWT è un centro di ricerca nazionale che mira a sviluppare compatti, mobile, sistemi di trattamento delle acque off-grid in grado di fornire acqua pulita a milioni di persone che ne sono prive e rendere la produzione di energia degli Stati Uniti più sostenibile ed economicamente vantaggiosa.

I ricercatori NEWT hanno affermato che il loro tappetino può essere pulito e riutilizzato, ridimensionato a qualsiasi dimensione, e la sua chimica può essere regolata per vari inquinanti.

"L'attuale trattamento fotocatalitico soffre di due limitazioni, ", ha affermato l'ingegnere ambientale Rice e direttore del Centro NEWT Pedro Alvarez. "Uno è l'inefficienza perché gli ossidanti prodotti vengono eliminati da cose che sono molto più abbondanti dell'inquinante bersaglio, quindi non distruggono l'inquinante.

"Secondo, costa un sacco di soldi trattenere e separare i fotocatalizzatori dei fanghi ed evitare che fuoriescano nell'acqua trattata, " ha detto. "In alcuni casi, il costo energetico del filtraggio di quel liquame è superiore a quello necessario per alimentare le luci UV.

"Abbiamo risolto entrambe le limitazioni immobilizzando il catalizzatore per renderlo molto facile da riutilizzare e conservare, " Ha detto Alvarez. "Non gli permettiamo di lisciviare fuori dal tappeto e urtare l'acqua."

Alvarez ha affermato che il tappetino polimerico poroso svolge un ruolo importante perché attrae gli inquinanti target. "Quella è l'esca e l'amo, " ha detto. "Quindi il fotocatalizzatore distrugge l'inquinante producendo radicali idrossili".

"I pori su scala nanometrica vengono introdotti sciogliendo un polimero sacrificale sulle fibre elettrofilate, L'autore principale ed ex ricercatore postdottorato di Rice, Chang-Gu Lee, ha dichiarato:"I pori migliorano l'accesso dei contaminanti al biossido di titanio".

Gli esperimenti hanno mostrato una drastica riduzione di energia rispetto al trattamento delle acque reflue mediante liquami.

"Non solo distruggiamo gli inquinanti più velocemente, ma riduciamo anche significativamente la nostra energia elettrica per ordine di reazione, " Ha detto Alvarez. "Questa è una misura di quanta energia è necessaria per rimuovere un ordine di grandezza dell'inquinante, quanti kilowattora sono necessari per rimuovere il 90 percento o il 99 percento o il 99,9 percento.

"Mostriamo che per il liquame, mentre si passa dal trattamento dell'acqua distillata all'effluente dell'impianto di trattamento delle acque reflue, la quantità di energia richiesta aumenta di 11 volte. Ma quando lo fai con il nostro fotocatalizzatore immobilizzato con esca e uncino, l'aumento comparabile è solo di due volte. È un risparmio notevole".

Il tappeto consentirebbe inoltre agli impianti di trattamento di eseguire la rimozione e la distruzione degli inquinanti in due fasi distinte, che non è possibile con l'impasto liquido, ha detto Alvarez. "Può essere desiderabile farlo se l'acqua è torbida e la penetrazione della luce è una sfida. Puoi pescare i contaminanti adsorbiti dal tappetino e trasferirli in un altro reattore con acqua più pulita. Lì, puoi distruggere gli inquinanti, pulisci il tappetino e poi restituiscilo in modo che possa pescare di più."

La messa a punto del tappetino implicherebbe la modifica delle sue proprietà idrofobe o idrofile per adattarsi agli inquinanti target. "In questo modo potresti trattare più acqua con un reattore più piccolo che è più selettivo, e quindi miniaturizzare questi reattori e ridurre la loro impronta di carbonio, " ha detto. "È un'opportunità non solo per ridurre il fabbisogno energetico, ma anche requisiti di spazio per il trattamento fotocatalitico dell'acqua."

Alvarez ha affermato che la collaborazione dei partner di ricerca di NEWT ha aiutato il progetto a realizzarsi in pochi mesi. "NEWT ci ha permesso di fare qualcosa che separatamente sarebbe stato molto difficile da realizzare in questo breve lasso di tempo, " Egli ha detto.

"Penso che il tappetino migliorerà in modo significativo il menu da cui selezioniamo le soluzioni alle nostre sfide di purificazione dell'acqua, " ha detto Alvarez.