I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory hanno progettato un materiale adsorbente per rimuovere rapidamente cromo tossico e arsenico simultaneamente dalle risorse idriche. Credito:Adam Malin/ORNL, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia stanno affrontando una sfida globale per l'acqua con un materiale unico progettato per colpire non uno, ma due inquinanti tossici di metalli pesanti per la rimozione simultanea.
Santa Jansone-Popova dell'ORNL della Divisione Scienze Chimiche e Ping Li, ora in Elementis Global, hanno scoperto un adsorbente con un'elevata selettività per cromo e arsenico in condizioni reali in cui le risorse idriche contengono molti elementi chimicamente simili.
Risultati pubblicati in Piccolo dimostrato che il nuovo materiale cattura cromo e arsenico in un rapporto equilibrato di 2 a 1. L'avanzamento fondamentale crea una sinergia tra la cattura del cromo e dell'arsenico in modo che più cromo cattura il materiale, più arsenico può anche rimuovere.
"È raro che un adsorbente catturi due inquinanti contemporaneamente e operi in modo rapido ed efficiente in scenari realistici per affrontare l'ampia gamma di condizioni dell'acqua in tutto il mondo", ha affermato Jansone-Popova.
Il cromo e l'arsenico sono due degli inquinanti più pericolosi presenti nell'acqua potabile in tutto il mondo. Entrambi sono tossici e possono causare effetti negativi sulla salute, incluso il cancro. Anche livelli bassi rappresentano rischi significativi per gli organismi viventi perché le dosi si bioaccumulano o si accumulano ad ogni esposizione e possono raggiungere gradualmente quantità dannose. Questi elementi sono presenti in natura, ma la loro presenza nell'ambiente è aumentata con l'industria e l'urbanizzazione come sottoprodotti dell'estrazione mineraria, della produzione e dell'industria manifatturiera. Rilascia l'aria d'impatto, il suolo e l'acqua, ma l'acqua potabile è la via di esposizione più comune.
In acqua, questi metalli si dissolvono per formare oxoanioni cromati e arseniati, o sali, che sono chimicamente simili ai minerali benefici che sono naturalmente presenti nell'acqua tra cui fosfato, solfato, nitrato e bicarbonato. Il cromato e l'arseniato sono altamente mobili nell'acqua e possono avere impatti di vasta portata. Non si degradano e sono permanenti nell'ambiente senza alcun intervento. Sono necessari approcci mirati per separare questi metalli dai sali minerali innocui che sono vitali per l'ecosistema.
Jansone-Popova fa parte di un gruppo ORNL specializzato nello studio degli adsorbenti, materiali progettati per colpire elementi specifici e legarli a una superficie. Gli adsorbenti hanno ampie applicazioni nell'aiutare a recuperare metalli preziosi o rimuovere gli inquinanti dall'ambiente.
"Sono una delle opzioni di trattamento delle acque più promettenti perché sono convenienti, facilmente implementabili e possono funzionare rapidamente per filtrare le forniture d'acqua, ma devono essere adattate per l'uso pratico negli scenari di pulizia", ha affermato Jansone-Popova. "La sfida è progettare materiali in grado di isolare efficacemente tracce di elementi nocivi molto simili alle specie chimiche sfuse che si trovano nell'acqua."
Nel design adsorbente, la selettività è fondamentale. Poiché la superficie di un materiale offre uno spazio limitato, l'obiettivo è afferrare solo elementi mirati e catturarne il più possibile prima che l'adsorbente si riempia e debba essere sostituito o riciclato. I materiali scarsamente selettivi non hanno la precisione per individuare i bersagli in ambienti misti, come l'acqua, dove elementi simili competono per lo spazio.
Jansone-Popova ha precedentemente guidato la progettazione di un adsorbente ad alta selettività per il cromato che agisce rapidamente e in presenza di specie concorrenti per decontaminare l'acqua. Uno studio pubblicato su Scienze e tecnologie ambientali ha mostrato che il nuovo materiale ha ridotto le concentrazioni di cromati di 100 volte in un minuto (da 1 parte per milione a 10 parti per miliardo) e ha raggiunto un livello di un ordine di grandezza inferiore ai limiti consentiti stabiliti dall'Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti.
La collaborazione con Ping Li si basa sull'approccio per sviluppare una struttura per catturare sia il cromato che l'arsenato con un materiale.
"Il nostro materiale di partenza è molto efficace nel catturare il cromo nella sua forma più tossica, il cromo esavalente, ma l'approccio non è stato progettato per essere selettivo per l'arsenico", ha detto Li. "Quando si verifica questa reazione, tuttavia, il materiale cambia, creando una piattaforma per nuove sostanze chimiche."
I ricercatori hanno modificato la struttura originale per ridurre il cromo-6 catturato in uno stato meno tossico, il cromo-3. Il cromo-3 ha anche il vantaggio di fornire un punto di ancoraggio per legare l'arsenato. La nuova struttura consente una reazione chimica che forma cluster stabili di cromato-arsenato che sono fortemente legati alla superficie. Il risultato intrappola efficacemente le tossine in modo permanente perché non si laveranno via o si staccheranno dal materiale del filtro senza la rimozione intenzionale mediante trattamento chimico.
"Abbiamo sfruttato l'efficiente cattura del cromo esavalente per introdurre una nuova architettura che potrebbe legarsi anche con l'arsenico", ha affermato Li.
L'arseniato cromato, un tempo utilizzato come additivo nel legno trattato a pressione, ha fornito ispirazione per la struttura.
Il team ha brevettato la struttura e sta lavorando con i collaboratori per ampliare l'approccio ad altri inquinanti ambientali.
"Scoperte fondamentali come queste possono aiutarci a ridurre gli inquinanti tossici nell'ambiente e raggiungere gli obiettivi normativi per l'acqua pulita", ha affermato Jansone-Popova. + Esplora ulteriormente
