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I coloranti sintetici sono utilizzati in un'ampia varietà di settori e costituiscono una seria preoccupazione quando si tratta di inquinamento delle acque. Questi coloranti non sono solo tossici, ma persistono anche nell'ambiente per lungo tempo senza degradazione. La maggior parte degli approcci per rimuovere i coloranti sintetici dall'acqua si basa sull'adsorbimento, un fenomeno in cui una molecola chimica si lega alla superficie di un substrato chiamato adsorbente. I sistemi a base di carbonio sono comunemente adottati come adsorbenti, ma sono limitati dalla necessità di un percorso di smaltimento sicuro per l'adsorbente utilizzato e dall'impossibilità di riutilizzare il materiale. Molti polimeri sono stati studiati anche come adsorbenti, ma mostrano scarsa solubilità e stabilità in acqua.
Recentemente, un team internazionale di ricercatori, tra cui il Prof. Wei-Hsin Chen della National Cheng Kung University, Taiwan, ha sviluppato una nuova soluzione eco-compatibile e riutilizzabile a base di nanocompositi per rimuovere i coloranti tossici dalle acque reflue. Il documento che descrive lo studio è stato reso disponibile online il 31 luglio 2021 ed è stato pubblicato nel volume 421 del Journal of Hazardous Materials il 5 gennaio 2022.
"La carbossimetilcellulosa (CMC) è un derivato della cellulosa poco costoso, facile da produrre, ecologico e biocompatibile. Ma ha proprietà termiche e meccaniche relativamente scarse. Nel nostro studio, abbiamo migliorato con successo la CMC combinandola con acido poliacrilico (PAA). I materiali preparati possono essere efficienti adsorbenti per gli inquinanti ionici nel trattamento delle acque reflue", afferma il Prof. Chen.
CMC è un polimero ben caratterizzato ed economico derivato dalla cellulosa naturale, un polimero abbondante che si trova nelle piante e nelle microalghe come Chlorella sp. In questo studio, i ricercatori hanno combinato CMC con PAA, un polimero amante dell'acqua, non tossico e sicuro, e hanno caricato gli idrogel risultanti con ossido di grafene. Infine, sottoponendo questi idrogel a ripetuti cicli di lavaggio e liofilizzazione, hanno convertito gli idrogel in "aerogel", che sono reti solide porose contenenti sacche d'aria con elevate capacità di assorbimento.
Il team di ricerca ha quindi caratterizzato gli aerogel utilizzando la microscopia elettronica a scansione a emissione di campo e tecniche di laboratorio e ha scoperto che diversi livelli di ossido di grafene creavano pori di dimensioni diverse all'interno dell'aerogel. Hanno scoperto che l'aggiunta di ossido di grafene aumentava l'area superficiale specifica e la stabilità termica degli idrogel nanocompositi. Hanno anche visto che la dimensione dei pori degli idrogel diminuiva con l'aumento delle concentrazioni di ossido di grafene. Inoltre, l'aerogel sviluppato in questo studio aveva una capacità di adsorbimento di 138 mg/g di blu di metilene dopo 250 min, che è tra le più alte capacità di adsorbimento del blu di metilene riportate in letteratura. Secondo il Prof. Chen, "L'adsorbente sviluppato in questo studio è sia rispettoso dell'ambiente che economico, il che indica il suo elevato potenziale applicativo per la rimozione dei coloranti cationici dalle acque reflue".
Infine, i ricercatori hanno visto che i nuovi idrogel conservavano circa il 90% della loro capacità di adsorbimento anche dopo nove cicli di utilizzo e rigenerazione.
Hanno quindi voluto studiare il meccanismo alla base dell'elevata capacità di adsorbimento degli idrogel, quindi hanno eseguito simulazioni di teoria del funzionale della densità (DFT). I risultati delle loro simulazioni hanno suggerito che il blu di metilene si legava più fortemente all'ossido di grafene che a CMC o PAA. Hanno anche visto che l'adsorbimento del blu di metilene sull'ossido di grafene nel nanocomposito avveniva tramite il legame pi-elettronico, il legame idrogeno e le interazioni elettrostatiche.
Gli idrogel nanocompositi fabbricati in questo studio forniscono un materiale adsorbente ecologico, stabile, efficiente e riutilizzabile per rimuovere i coloranti sintetici dalle acque reflue e fornire miglioramenti sia all'ambiente che alla salute umana. + Esplora ulteriormente
