Gli esseri umani sanno fin dall'antichità che l'argento uccide o arresta la crescita di molti microrganismi. Ippocrate, il padre della medicina, si dice che abbia usato preparati d'argento per il trattamento delle ulcere e la guarigione delle ferite. Fino all'introduzione degli antibiotici negli anni '40, l'argento colloidale (minuscole particelle sospese in un liquido) era un pilastro per il trattamento delle ustioni, ferite e ulcere infette. L'argento è ancora usato oggi nelle medicazioni delle ferite, nelle creme e come rivestimento sui dispositivi medici.

Dagli anni '90, i produttori hanno aggiunto nanoparticelle d'argento a numerosi prodotti di consumo per migliorarne le proprietà antibatteriche e antiodore. Esempi includono vestiti, asciugamani, biancheria intima, calzini, dentifricio e peluche. Le nanoparticelle sono particelle ultra-piccole, che vanno da 1 a 100 nanometri di diametro, troppo piccoli per essere visti anche con un microscopio. Secondo un database ampiamente citato, circa un quarto dei prodotti di consumo a base di nanomateriali attualmente commercializzati negli Stati Uniti contengono nanoargento.

Diversi studi hanno riportato che il nanoargento fuoriesce dai tessuti quando vengono lavati. La ricerca rivela anche che il nanoargento può essere tossico per l'uomo e gli organismi acquatici e marini. Sebbene sia ampiamente utilizzato, si sa poco del suo destino o degli effetti tossici a lungo termine nell'ambiente.

Stiamo sviluppando modi per convertire questa potenziale crisi ecologica in un'opportunità recuperando nanoparticelle di argento puro, che hanno molte applicazioni industriali, dalle acque reflue della lavanderia. In uno studio pubblicato di recente, descriviamo una tecnica per il recupero dell'argento e discutiamo le principali sfide tecniche. Il nostro approccio affronta questo problema alla fonte – in questo caso, singole lavatrici. Riteniamo che questa strategia sia molto promettente per eliminare i contaminanti appena identificati dalle acque reflue.

Un filone d'argento tessile

L'uso del nanoargento nei prodotti di consumo è aumentato costantemente negli ultimi dieci anni. La quota di mercato dei tessuti a base d'argento è passata dal 9% nel 2004 al 25% nel 2011.

Diversi ricercatori hanno misurato il contenuto di argento dei tessuti e hanno trovato valori che vanno da 0,009 a 21, 600 milligrammi di argento per chilogrammo di tessuto. Gli studi dimostrano che la quantità di argento lisciviato nella soluzione di lavaggio dipende da molti fattori, comprese le interazioni tra detersivo e altri prodotti chimici e il modo in cui l'argento è attaccato ai tessuti.

Negli umani, l'esposizione all'argento può danneggiare le cellule del fegato, pelle e polmoni. L'esposizione prolungata o l'esposizione a una dose elevata può causare una condizione chiamata Argiria, in cui la pelle della vittima diventa permanentemente grigio-bluastra.

L'argento è tossico per molti microbi e organismi acquatici, compreso il pesce zebra, trota iridea e zooplancton.

Una volta che l'argento va in malora e finisce negli impianti di trattamento delle acque reflue, può potenzialmente danneggiare i processi di trattamento batterico, rendendoli meno efficienti, e attrezzature per il trattamento dei fallimenti. Oltre il 90% delle nanoparticelle d'argento rilasciate nelle acque reflue finisce in biosolidi ricchi di nutrienti rimasti alla fine del trattamento delle acque reflue, che spesso vengono utilizzati sulla terra come fertilizzanti agricoli.

Ciò comporta molteplici rischi. Se le piante assorbono argento dal suolo, potrebbero concentrarlo e introdurlo nella catena alimentare. Può anche filtrare nelle acque sotterranee o riversarsi nei fiumi attraverso temporali o erosione.

Trattare l'acqua del bucato alla fonte

La nostra ricerca mostra che il modo più efficiente per rimuovere l'argento dalle acque reflue è trattarlo in lavatrice. A questo punto le concentrazioni di argento sono relativamente alte, e l'argento viene inizialmente rilasciato dagli indumenti trattati in una forma chimica che è possibile recuperare.

Una volta che l'acqua di lavaggio della lavanderia viene convogliata agli impianti di trattamento delle acque reflue e mescolata con acque reflue e acqua proveniente da altre fonti, le concentrazioni di argento diminuiscono significativamente e possono essere convertite in diverse forme chimiche.

Un po' di chimica è utile qui. Il nostro metodo di recupero utilizza un processo chimico ampiamente utilizzato chiamato scambio ionico. Gli ioni sono atomi o molecole che hanno una carica elettrica. Nello scambio ionico, un solido e un liquido si uniscono e si scambiano ioni tra loro.

Per esempio, i saponi per la casa non schiumano bene nell'acqua "dura", che contiene alti livelli di ioni come magnesio e calcio. Molti filtri per l'acqua domestici utilizzano lo scambio ionico per "ammorbidire" l'acqua, sostituendo quei materiali con altri ioni che non influenzano le sue proprietà allo stesso modo.

Perché questo processo funzioni, gli ioni che si scambiano di posto devono essere entrambi caricati positivamente o negativamente. Nanosilver viene inizialmente rilasciato dai tessuti come ione d'argento, che è un catione - uno ione con una carica positiva (da cui il segno più nel suo simbolo chimico, Ag+).

Anche alla fonte, rimuovere l'argento dall'acqua di lavaggio è impegnativo. Le concentrazioni di argento nella soluzione di lavaggio sono relativamente basse rispetto ad altri cationi, come il calcio, che potrebbero interferire con il processo di rimozione. La chimica del detersivo complica ulteriormente il quadro perché alcuni componenti del detersivo possono potenzialmente interagire con l'argento.

Per recuperare l'argento senza raccogliere altri prodotti chimici, il processo di recupero deve utilizzare materiali che abbiano un'affinità chimica per l'argento. In uno studio precedente, abbiamo descritto una potenziale soluzione:utilizzare materiali a scambio ionico incorporati con sostanze chimiche a base di zolfo, che si legano preferenzialmente con l'argento.

Nel nostro nuovo studio, abbiamo fatto passare l'acqua di lavaggio attraverso una colonna di resina a scambio ionico e abbiamo analizzato come ogni ingrediente principale del detersivo interagiva con l'argento nell'acqua e influenzava la capacità della resina di rimuovere l'argento dall'acqua. Manipolando le condizioni di processo come il pH, temperatura e concentrazione di cationi non argento, siamo stati in grado di identificare le condizioni che massimizzano il recupero dell'argento.

Abbiamo scoperto che il pH ei livelli di ioni calcio (Ca2+) erano fattori critici. Livelli più elevati di ioni idrogeno o calcio legano gli ingredienti del detersivo e impediscono loro di interagire con gli ioni d'argento, così la resina a scambio ionico può rimuovere l'argento dalla soluzione. Abbiamo anche scoperto che alcuni ingredienti detergenti, in particolare agenti sbiancanti e ammorbidenti, hanno reso la resina a scambio ionico meno efficiente. A seconda di queste condizioni, abbiamo recuperato tra il 20 percento e il 99 percento dell'argento nell'acqua di lavaggio.

I nostri risultati possono stimolare la ricerca su formulazioni detergenti alternative che migliorano il recupero dell'argento. Mostrano anche che la tecnologia a scambio ionico può recuperare tracce di argento dall'acqua di lavaggio che contiene alti livelli di detersivo.

Il futuro del trattamento delle acque reflue

Oggi le acque reflue vengono raccolte da più fonti, come abitazioni e aziende, e convogliato su lunghe distanze agli impianti di trattamento delle acque reflue centralizzati. Ma le prove crescenti mostrano che queste strutture sono mal attrezzate per tenere fuori dall'ambiente i contaminanti appena identificati, poiché utilizzano uno schema di trattamento comune per molti flussi di rifiuti diversi.

Crediamo che il futuro sia negli impianti decentralizzati in grado di trattare diverse tipologie di acque reflue con tecnologie specifiche studiate appositamente per i materiali che contengono. Se le acque reflue delle lavanderie automatiche contengono contaminanti diversi rispetto alle acque reflue dei ristoranti, perchè trattarli allo stesso modo?

Il nostro approccio è sia più efficiente che un modo più efficace per affrontare nuovi problemi ambientali, potenzialmente attraverso un passaggio semplice come l'installazione di una cartuccia di trattamento dell'acqua specializzata nella lavatrice.