Inquinamento da fosfati nei fiumi, laghi e altri corsi d'acqua ha raggiunto livelli pericolosi, causando fioriture di alghe che affamano i pesci e le piante acquatiche di ossigeno. Nel frattempo, gli agricoltori di tutto il mondo stanno facendo i conti con una riserva in diminuzione di fertilizzanti fosfatici che alimentano metà dell'approvvigionamento alimentare mondiale.

Ispirato dai numerosi specchi d'acqua nelle vicinanze di Chicago, un team guidato dalla Northwestern University ha sviluppato un modo per rimuovere e riutilizzare ripetutamente il fosfato dalle acque inquinate. I ricercatori paragonano lo sviluppo a un "coltellino svizzero" per la bonifica dell'inquinamento mentre adattano la loro membrana per assorbire e successivamente rilasciare altri inquinanti.

La ricerca sarà pubblicata durante la settimana del 31 maggio nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Il fosforo è alla base sia del sistema alimentare mondiale che di tutta la vita sulla terra. Ogni organismo vivente sul pianeta lo richiede:il fosforo è nelle membrane cellulari, l'impalcatura del DNA e nel nostro scheletro. Sebbene altri elementi chiave come l'ossigeno e l'azoto possano essere trovati nell'atmosfera, il fosforo non ha analoghi. La piccola frazione di fosforo utilizzabile proviene dalla crosta terrestre, che impiega migliaia o addirittura milioni di anni per svanire. E le nostre miniere stanno finendo.

Un articolo del 2021 su The Atlantic di Julia Rosen citava il saggio del 1939 di Isaac Asimov, in cui lo scrittore e chimico americano ha soprannominato il fosforo "il collo di bottiglia della vita".

Data la scarsità di questa risorsa naturale non rinnovabile, è tristemente ironico che molti dei nostri laghi soffrano di un processo noto come eutrofizzazione, che si verifica quando troppi nutrienti entrano in una fonte d'acqua naturale. Man mano che si accumulano fosfati e altri minerali, la vegetazione acquatica e le alghe diventano troppo dense, esaurendo l'ossigeno dall'acqua e infine uccidendo la vita acquatica.

"Riutilizzavamo molto di più il fosfato, "ha detto Stephanie Ribet, il primo autore dell'articolo. "Ora lo tiriamo fuori da terra, usalo una volta e sciacqualo via nelle fonti d'acqua dopo l'uso. Così, è un problema di inquinamento, un problema di sostenibilità e un problema di economia circolare".

Ecologisti e ingegneri tradizionalmente hanno sviluppato tattiche per affrontare i crescenti problemi ambientali e di salute pubblica intorno al fosfato eliminando il fosfato dalle fonti d'acqua. Solo di recente l'enfasi si è spostata dalla rimozione al recupero del fosfato.

"Si possono sempre fare certe cose in un ambiente di laboratorio, " disse Vinayak Dravid, l'autore corrispondente dello studio. "Ma c'è un diagramma di Venn quando si tratta di ridimensionare, dove è necessario essere in grado di scalare la tecnologia, vuoi che sia efficace e vuoi che sia conveniente. Non c'era niente in quell'intersezione dei tre prima, ma la nostra spugna sembra essere una piattaforma che soddisfa tutti questi criteri".

Dravid è Abraham Harris Professor of Materials Science and Engineering presso la McCormick School of Engineering della Northwestern, il direttore fondatore del Centro sperimentale di caratterizzazione atomica e nanoscala della Northwestern University (NUANCE), e direttore del Soft and Hybrid Nanotechnology Experimental Resource (SHyNE). Dravid è anche direttore delle iniziative globali per l'International Institute of Nanotechnology della Northwestern. Ribet è un dottorato di ricerca. studente nel laboratorio di Dravid e primo autore dell'articolo.

La membrana leggera per l'eliminazione e il recupero dei fosfati (PEARL) del team è una membrana porosa, substrato flessibile (come una spugna rivestita, tessuti o fibre) che sequestra selettivamente fino al 99% di ioni fosfato dall'acqua inquinata. Rivestito con nanostrutture che si legano al fosfato, la membrana PEARL può essere regolata controllando il pH per assorbire o rilasciare i nutrienti per consentire il recupero del fosfato e il riutilizzo della membrana per molti cicli.

I metodi attuali per rimuovere il fosfato si basano su complessi, lungo, metodi a più fasi. La maggior parte di essi non recupera anche il fosfato durante la rimozione e alla fine genera una grande quantità di rifiuti fisici. La membrana PEARL fornisce un semplice processo in un solo passaggio per rimuovere il fosfato che lo recupera anche in modo efficiente. È anche riutilizzabile e non genera rifiuti fisici.

Usando campioni dal distretto di bonifica dell'acqua di Chicago, i ricercatori hanno testato la loro teoria con l'ulteriore complessità dei campioni di acqua reale.

"Spesso chiamiamo questa una "soluzione su scala nanometrica per un problema gigantesco, '" ha detto Dravid. "In molti modi le interazioni su scala nanometrica che studiamo hanno implicazioni per la bonifica a livello macro".

Il team ha dimostrato che l'approccio basato sulla spugna è efficace su scale, che vanno da milligrammi a chilogrammi, suggerendo promesse nel ridimensionamento ulteriormente.

Questa ricerca si basa su uno sviluppo precedente dello stesso team:Vikas Nandwana, un membro del gruppo Dravid e coautore del presente studio è stato il primo autore, chiamato spugna OHM (oleofila idrofobica multifunzionale) che ha utilizzato la stessa piattaforma di spugna per rimuovere e recuperare selettivamente l'olio derivante dalla contaminazione dell'olio nell'acqua. Modificando il rivestimento di nanomateriali nella membrana, il team prevede di utilizzare la loro struttura simile al "plug-and-play" per inseguire i metalli pesanti. Ribet ha anche affermato che più inquinanti potrebbero essere affrontati contemporaneamente applicando più materiali con affinità su misura.

"Questa sfida di risanamento dell'acqua colpisce così vicino a casa, " Ha detto Ribet. "Il bacino occidentale del Lago Erie è una delle aree principali a cui si pensa quando si tratta di eutrofizzazione, e sono stato ispirato dall'apprendere di più sulle sfide di bonifica dell'acqua nel nostro quartiere dei Grandi Laghi".