Reattore al plasma a magnetron-sputtering utilizzato per la preparazione dei fotoelettrodi di ossido di titanio co-drogato con azoto e tungsteno. Credito:My Ali El Khakani, INRS
L'atrazina è uno dei pesticidi più utilizzati in Nord America. I ricercatori dell'Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) hanno sviluppato un nuovo metodo per degradarlo che combina un nuovo materiale nanostrutturato e la luce solare.
L'atrazina si trova in tutto l'ambiente, anche nell'acqua potabile di milioni di persone in tutto il paese. I trattamenti convenzionali dell'acqua non sono efficaci nel degradare questo pesticida. I processi più recenti sono più efficaci, ma utilizzare sostanze chimiche che possono lasciare sottoprodotti tossici nell'ambiente.
Professor My Ali El Khakani, un esperto di materiali nanostrutturati, e il professor Patrick Drogui, specialista in elettrotecnica e trattamento delle acque, hanno unito le forze per sviluppare un nuovo processo di degradazione ecologica dell'atrazina il più possibile privo di sostanze chimiche. "Lavorando in sinergia, siamo stati in grado di sviluppare un processo di trattamento dell'acqua che non saremmo mai stati in grado di realizzare separatamente. Questo è uno dei grandi valori aggiunti dell'interdisciplinarità nella ricerca, "dice il professor El Khakani, autore principale dello studio, i cui risultati sono pubblicati oggi sulla rivista Catalisi oggi .
I ricercatori utilizzano un processo esistente, chiamata fotoelettrocatalisi o PEC, che hanno ottimizzato per la degradazione dell'atrazina. Il processo funziona con due fotoelettrodi (elettrodi fotosensibili) di cariche opposte. Sotto l'effetto della luce e di un potenziale elettrico, genera radicali liberi sulla superficie dei fotoelettrodi. Questi radicali interagiscono con le molecole di atrazina e le degradano. "L'uso dei radicali liberi è vantaggioso perché non lascia sottoprodotti tossici come farebbe il cloro. Sono altamente reattivi e instabili. Poiché la loro vita è molto breve, tendono a scomparire rapidamente, " spiega il professor Drogui, chi è coautore dello studio.
Le sfide dei materiali
Per realizzare fotoelettrodi (elettrodi fotosensibili), Il professor El Khakani ha scelto l'ossido di titanio (TiO 2 ), un materiale molto abbondante, chimicamente stabile, e utilizzato in molte applicazioni, incluso il pigmento bianco nelle vernici o nei filtri solari. Generalmente, questo materiale semiconduttore converte l'energia luminosa fornita dai raggi UV in cariche attive. Per sfruttare l'intero spettro solare, cioè luce visibile oltre ai raggi UV, Il professor El Khakani ha dovuto rendere i film di TiO2 sensibili alla luce solare visibile. A tal fine, il suo team ha modificato l'ossido di titanio su scala atomica incorporando atomi di azoto e tungsteno utilizzando un processo al plasma. Questo drogaggio riduce l'energia del fotone necessaria per attivare la PEC in questi nuovi fotoelettrodi.
Poiché il processo PEC è veramente un fenomeno di superficie, il trattamento di un grande volume richiede un'ampia superficie dei fotoelettrodi. Per questo, Il team del professor El Khakani ha sfruttato i vantaggi della nanostrutturazione della superficie dei fotoelettrodi. "Invece di avere una superficie piana, immagina di scolpirlo su scala nanometrica per creare valli e montagne. Ciò aumenta la superficie attiva disponibile senza modificare la superficie fisica. Questo si chiama nanostrutturazione. Così, la superficie attiva è artificialmente aumentata di diverse migliaia di volte rispetto alla superficie fisica. Con 1 g di materiale, superfici attive tra 50 e 100 m 2 si può ottenere—questo riguarda la superficie di un appartamento, "dice il professor El Khakani.
Nuova efficienza di processo e suoi limiti
Una volta che i fotoelettrodi sono stati sviluppati e integrati in un reattore PEC, Il team del professor Drogui ha ottimizzato il processo. Il suo team ha utilizzato per la prima volta campioni di acqua demineralizzata a cui è stata aggiunta l'atrazina. La PEC con il fotoelettrodo ha eliminato circa il 60 percento del pesticida dopo 300 minuti di trattamento. I ricercatori sono poi passati a campioni reali di acqua raccolti dal fiume Nicolet (QC, Canada) vicino ad aree di agricoltura intensiva di mais e soia dove vengono spesso utilizzati erbicidi.
Quando si utilizzano campioni di acqua reali, solo l'8% dell'atrazina è stato inizialmente degradato. Questa bassa percentuale è dovuta alla presenza di particelle sospese che impediscono a gran parte della luce di raggiungere il fotoelettrodo. Inoltre, le specie presenti nella soluzione possono attaccarsi all'elettrodo riducendone così l'area attiva. Sfruttando la sua esperienza nella decontaminazione dell'acqua, Il team del professor Drogui ha effettuato pretrattamenti basati sulla coagulazione e sulla filtrazione di alcune specie prima di applicare nuovamente l'approccio PEC. Sono quindi riusciti a degradare dal 38 al 40 percento di atrazina nei campioni reali.
L'efficienza del trattamento rimane relativamente bassa rispetto all'acqua sintetica perché l'acqua vera contiene bicarbonati e fosfati che intrappolano i radicali liberi e impediscono loro di reagire con l'atrazina. "Il pretrattamento mediante coagulazione chimica aiuta a rimuovere i fosfati, ma non bicarbonato. Si potrebbe aggiungere calcio per farli precipitare, ma vogliamo ridurre al minimo l'uso di prodotti chimici, "dice il professor Drogui.
Secondo gli autori, la loro nuova PEC ottimizzata potrebbe essere utilizzata come trattamento terziario, dopo aver rimosso le particelle sospese e le specie coagulabili. Però, è necessaria una fase dimostrativa preindustriale prima di pensare all'uso su larga scala. Finalmente, il loro processo è stato utilizzato per degradare l'atrazina, ma le due squadre continuano a lavorare insieme per affrontare altri inquinanti emergenti e residui di antibiotici nell'acqua.
