La buccia di melograno trasformata in un purificatore d’acqua ad alte prestazioni.

Grazie a una ricerca del Dipartimento di Chimica della Facoltà di Scienze, le bucce di melograno scartate dai venditori ambulanti potrebbero presto contribuire alla depurazione delle acque contaminate. Il team di ricerca, guidato dal professor Sam Li, ha sviluppato un materiale a base di carbonio su scala nanometrica, derivato dagli scarti della frutta, in grado di rimuovere efficacemente dall’acqua il 4-nitrofenolo (4-NP), un inquinante industriale persistente.

Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management .

Ampiamente utilizzato nella produzione di pesticidi, farmaci e coloranti, il 4-NP entra regolarmente nei corsi d’acqua attraverso gli scarichi industriali. È altamente solubile e chimicamente stabile, il che gli consente di persistere negli ambienti acquatici e di diffondersi attraverso fiumi e laghi.

Nel tempo, può accumularsi nelle catene alimentari, rappresentando un rischio sia per gli ecosistemi che per la salute umana. Gli organismi di regolamentazione lo classificano come contaminante pericoloso, e l’esposizione a lungo termine è stata collegata a danni al sistema nervoso, al fegato e ai reni.

I metodi attualmente utilizzati per la rimozione del 4-NP, tra cui l’ossidazione chimica e il trattamento biologico, pur essendo efficaci, sono spesso ad alta intensità energetica, costosi o difficili da scalare. Alcuni richiedono un apporto continuo di sostanze chimiche o generano sottoprodotti secondari che devono essere gestiti.

L’adsorbimento mediante materiali a base di carbonio offre un’alternativa più semplice, ma molti di questi materiali si basano su processi di attivazione chimica che ne riducono la sostenibilità ambientale ed economica.

Trasformare i rifiuti in materiale funzionale

L’approccio del team della NUS aggira questi problemi partendo dalle bucce di melograno raccolte nei mercati locali di Singapore. Le bucce vengono convertite in biochar tramite riscaldamento controllato a 600 °C, quindi ulteriormente scomposte in nanoparticelle utilizzando la macinazione a sfere e gli ultrasuoni in acqua. Il processo non richiede agenti attivanti chimici.

Il nanobiochar risultante presenta un’elevata superficie specifica e una struttura porosa adatta a catturare piccole molecole organiche come il 4-NP.

“Volevamo un materiale in grado di rimuovere efficacemente gli inquinanti persistenti senza ricorrere a sostanze chimiche aggressive”, ha affermato Kustomo, dottorando presso la NUS e primo autore dello studio. “Lavorando su scala nanometrica, siamo riusciti ad aumentare il numero di siti attivi mantenendo il processo semplice e più sostenibile.”

La riduzione del materiale alla scala nanometrica espone un maggior numero di siti superficiali reattivi, consentendo alle molecole di 4-NP di legarsi al materiale più rapidamente ed efficacemente. Ciò migliora le prestazioni di rimozione, pur mantenendo un processo produttivo relativamente semplice.

Prestazioni elevate e riutilizzabilità

Nei test di laboratorio, il nanobiochar è stato aggiunto ad acqua contenente 4-NP, un inquinante tossico. In condizioni ottimizzate, entro 90 minuti ha rimosso oltre il 94% del contaminante. Ciò significa che il materiale è in grado di depurare l’acqua inquinata in tempi relativamente brevi, attirando e trattenendo l’inquinante sulla sua superficie.

I ricercatori hanno anche verificato se il materiale potesse essere utilizzato più di una volta. Dopo ogni ciclo di depurazione dell’acqua inquinata, il nanobiochar veniva lavato con idrossido di sodio per rimuovere l’inquinante intrappolato e prepararlo per il riutilizzo.

Anche dopo tre cicli, è stato ancora in grado di rimuovere l’85,76% del 4-NP. Ciò dimostra che il materiale può essere riutilizzato mantenendo gran parte delle sue prestazioni.

Il team della NUS sta ora testando il materiale su campioni reali di acque reflue, che contengono una miscela di contaminanti più complessa rispetto alle soluzioni sintetiche utilizzate nello studio. L’aumento della produzione e l’integrazione del materiale nei sistemi di trattamento esistenti rappresentano passi successivi fondamentali.

Se implementato con successo, questo approccio potrebbe offrire una soluzione più sostenibile ed economicamente vantaggiosa per il trattamento delle acque reflue industriali, creando al contempo valore dai rifiuti agricoli.

Abstract

Il nanobiochar (NBC) derivato dalla biomassa della buccia di melograno è stato progettato come un adsorbente a basso costo, sintetizzato in modo delicato e sostenibile per la rimozione efficiente del 4-nitrofenolo (4-NP) dall’acqua. L’NBC è stato preparato tramite pirolisi controllata a 600 °C per 2 ore (10 °C min ⁻¹ velocità di riscaldamento, 0,67 L min ⁻¹ N2 _{Flusso di} ), seguito da una semplice macinazione a sfere e sonicazione per creare un’elevata area superficiale, abbondanti gruppi funzionali contenenti ossigeno e siti di difetto su scala nanometrica su misura per prestazioni di adsorbimento migliorate. Una caratterizzazione completa mediante FTIR, XRD, SEM-EDS, TEM, spettroscopia Raman, analisi dell’area superficiale BET, TGA, potenziale zeta e analisi elementare CHN è stata impiegata per correlare le proprietà strutturali e superficiali di NBC con il suo comportamento di adsorbimento. In condizioni ottimizzate (pH 6, dose di NBC di 15 mg, 30 mL di soluzione di 4-NP a 298 K), NBC ha mostrato un rapido assorbimento di 4-NP con una capacità di adsorbimento massima di 84,75 mg g ⁻¹ e un’efficienza di rimozione superiore al 94,12%. L’isoterma di Langmuir e i modelli cinetici di pseudo-secondo ordine hanno descritto al meglio i risultati, indicando una chemisorzione monostrato predominante e forti interazioni tra NBC e 4-NP. Gli studi di rigenerazione hanno mostrato che NaOH ha superato HNO₃ _, raggiungendo rispettivamente l’85,76% e il 20,53% di rimozione di 4-NP dopo tre cicli consecutivi. Nel complesso, NBC si dimostra promettente come adsorbente pratico ed ecocompatibile per il trattamento avanzato di acque contaminate da 4-NP e inquinanti fenolici correlati.

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