Lo studio “Nanomaterial Sponge Coatings for Heavy Metals, an Environmental Remediation Platform, pubblicato su ACS ES&T Water da un team di ricercatori del Department of materials science della Northwestern University, Gli ingegneri della Northwestern University, illustra la realizzazione di una nuova spugna in grado di rimuovere, dall’acqua contaminata i metalli, inclusi metalli pesanti tossici come il piombo e metalli critici come il cobalto, producendo cqua sicura e potabile.
In esperimenti proof-of-concept, i ricercatori hanno testato la loro nuova spugna su un campione di acqua di rubinetto fortemente contaminato, contenente più di 1 parte per milione di piombo e con un solo utilizzo della spugna filtrante hann portato la contaminazione da piombo al di sotto dei livelli rilevabili. Poi, i ricercatori sono stati anche in grado di recuperare i metalli filtrati e di riutilizzare la spugna per più cicli e dicono che «La nuova spugna è promettente per un uso futuro come strumento economico e facile da usare nei filtri dell’acqua domestica o nei lavori di bonifica ambientale su vasta scala».
Lo studio pubblicato su ACS ES&T Water delinea la nuova ricerca e stabilisce le regole di progettazione per ottimizzare piattaforme simili per la rimozione e il recupero di altre tossine di metalli pesanti, tra cui cadmio , arsenico, cobalto e cromo.
L’autore senior dello studio, Vinayak Dravid, e Abraham Harris dellla McCormick School of Engineering della Northwestern e direttore del iniziative globali all’International Institute for Nanotechnology, ricordano che «La presenza di metalli pesanti nell’approvvigionamento idrico è un’enorme sfida per la salute pubblica per il mondo intero. E’ un problema da miliardi di tonnellate che richiede soluzioni che possano essere implementate in modo semplice, efficace ed economico. E’ qui che entra in gioco la nostra spugna. Può rimuovere l’inquinamento e quindi essere utilizzata ancora e ancora».
Il progetto si basa sul precedente lavoro di Dravid per sviluppare spugne altamente porose uitilizzabili in diversi tipi di bonifiche ambientali. Nel maggio 2020, il suo team ha presentato una nuova spugna progettata per ripulire le fuoriuscite di petrolio. La spugna rivestita di nanoparticelle, che è ora commercializzata dallo spinoff MFNS Tech della della Northwestern, rappresenta un’alternativa più efficiente, economica, ecologica e riutilizzabile agli attuali approcci alle fuoriuscite di petrolio.
Ma Dravid sapeva che questo non bastava «Quando c’è una fuoriuscita di petrolio, puoi rimuovere il petrolio, ma in quelle fuoriuscite ci sono anche metalli pesanti tossici, come mercurio, cadmio, zolfo e piombo. Quindi, anche quando rimuovi il petrolio, alcune delle altre tossine potrebbero rimanere».
Per affrontare questo aspetto del problema, il team di Dravid si è rivolto ancora una volta alle spugne rivestite con uno strato ultrasottile di nanoparticelle. Dopo aver testato diversi tipi di nanoparticelle, il team ha scoperto che un rivestimento di goethite dopato con manganese funzionava meglio, un bel vantaggio, visto che «Non solo le nanoparticelle di goethite dopate con manganese sono poco costose da produrre, facilmente disponibili e non tossiche per l’uomo, ma hanno anche le proprietà necessarie per riparare selettivamente i metalli pesanti».
Il principale autore dello studio, Benjamin Shindel, studente nel laboratorio di Dravid, spiega: «Ci vuole un materiale con un’area superficiale elevata, quindi c’è più spazio per gli ioni di piombo per attaccarsi ad esso. Queste nanoparticelle hanno aree di superficie elevata e abbondanti siti superficiali reattivi per l’assorbimento e sono stabili, quindi possono essere riutilizzate molte volte».
Il team di ricercatori ha sintetizzato impasti di nanoparticelle di goethite dopaa con manganese, oltre a diverse altre composizioni di nanoparticelle, e ha rivestito con questi impasti spugne di cellulosa disponibili in commercio. Quindi, hanno risciacquato le spugne rivestite con acqua per lavare via eventuali particelle libere. I rivestimenti finali misuravano solo decine di nanometri di spessore.
Gli scienziati della Northwestern University spiegano come funziona la cosa: «Quando viene immersa in acqua contaminata , la spugna rivestita di nanoparticelle sequestra efficacemente gli ioni di piombo. La Food and Drug Administration degli Stati Uniti richiede che l’acqua potabile in bottiglia sia inferiore a 5 parti per miliardo di piombo. Nei test di filtrazione, la spugna ha abbassato la quantità di piombo a circa 2 parti per miliardo, rendendola sicura da bere».
Shindel aggiunge; «Siamo davvero contenti di questo. Naturalmente, questa performance può variare in base a diversi fattori. Ad esempio, se hai una grande spugna in un piccolo volume d’acqua, funzionerà meglio di una piccola spugna in un enorme lago».
Il team di ricerca ha quindi risciacquato la spugna con acqua con la stessa acidità di una limonata e la soluzione acida ha fatto sì che la spugna rilasciasse gli ioni di piombo e fosse pronta per essere riutilizzata. Lo studio evidenzia che «Sebbene le prestazioni della spugna siano diminuite dopo il primo utilizzo, ha comunque recuperato oltre il 90% degli ioni durante i successivi cicli di utilizzo. Questa capacità di raccogliere e quindi recuperare metalli pesanti è particolarmente preziosa per rimuovere metalli rari e critici, come il cobalto, dalle fonti d’acqua». Il cobalto è un componente comune nelle batterie agli ioni di litio ma è energeticamente, ambientalmente e socialmente costoso da estrarre. Se i ricercatori potessero sviluppare una spugna che rimuove selettivamente dall’acqua i metalli rari, incluso il cobalto, allora potrebbero essere riciclati in prodotti come le batterie.
Dravid sottolinea che «Per le tecnologie di energia rinnovabile, come le batterie e le celle a combustibile, è necessario il recupero dei metalli. Altrimenti, non ci sarà abbastanza cobalto nel mondo per il numero crescente di batterie. Dobbiamo trovare il modo di recuperare i metalli da soluzioni molto diluite. Altrimenti, diventa velenoso e tossico, standosene nell’acqua. Con questo potremmo anche creare qualcosa di prezioso».
Come parte dello studio, Dravid e il suo team hanno stabilito nuove regole di progettazione per aiutare altri a sviluppare strumenti per prendere di mira particolari metalli, incluso il cobalto e hanno individuato quali nanoparticelle a basso costo e non tossiche hanno anche aree superficiali elevate e affinità per aderire agli ioni metallici. Hanno studiato le prestazioni dei rivestimenti di ossidi di manganese, ferro, alluminio e zinco sull’assorbimento del piombo. Quindi, hanno stabilito relazioni tra le strutture di queste nanoparticelle e le loro proprietà assorbenti.
La loro nuova la piattaforma di bonifica ambientale Nanomaterial Sponge Coatings for Heavy Metals (Nano-SCHeMe), può aiutare altri ricercatori a differenziare quali nanomateriali sono più adatti per particolari applicazioni.
Caroline Harms, del laboratorio di Dravid e coautrice dei suoi studi, evidenzia: «Ho letto molta letteratura che confronta diversi rivestimenti e assorbenti. C’è davvero una mancanza di standardizzazione nel campo. Analizzando diversi tipi di nanoparticelle, abbiamo sviluppato una scala comparativa che in realtà funziona per tutte. Potrebbe avere molte implicazioni nel far progredire questo campo».
Dravid e il suo team immaginano che la loro spugna possa essere utilizzata nei filtri dell’acqua commerciali, per la pulizia ambientale o come ulteriore passaggio negli impianti di bonifica e trattamento dell’acqua. Shindel conclude: «Questo lavoro può essere utile per risolvere i problemi di qualità dell’acqua sia a livello locale che globale. Vogliamo vederlo fuori nel mondo, dove può avere un impatto reale».
Dravid è convinto che «Molti problemi di inquinamento ambientale sono gestibili e curabili, se c’è la volontà di innovare e correre dei rischi».
Tutto è iniziato nel 2018, quando un membro senior del suo team di ricerca versò una soluzione di nanoparticelle su un tavolo da laboratorio. Mentre si preparavano a ripulire il pasticcio, i ricercatori notarono che le gocce d’acqua rotolavano sulla soluzione, invece di essere assorbite. Dravid e il suo team si incuriosirono e così misero una goccia di petrolio sulla soluzione che venne immediatamente assorbita. «Abbiamo subito capito che stava succedendo qualcosa di strano», dice Dravid.
Poi il team di Dravid applicò il rivestimento a base nanometrica su una spugna di poliuretano, simile a una normale spugna da cucina o a una schiuma da imballaggio. Sorprendentemente, la spugna assorbì ssorbito 30 volte il suo peso in petrolio e poi poteva essere strizzata e riutilizzata dozzine di volte. Con 4 milioni di tonnellate di spugne che vengono gettate nelle discariche ogni anno, Dravid si rese conto di poter utilizzare efficacemente la spazzatura per ripulire le fuoriuscite di petrolio. LO scienziato ricorda che «Ci sono 20.000 fuoriuscite di petrolio [segnalate al governo degli Stati Uniti] ogni anno. I metodi attuali per mitigare le fuoriuscite neicorpi idrici – inclusa la combustione o la dispersione del petrolio – sono essi stessi dannosi per la vita marina. La nostra tecnologia a spugna potrebbe fornire un modo sicuro e scalabile per ripulire le fuoriuscite lasciando indenne l’ambiente circostante».
Il laboratorio di Dravid ha lavorato con la Guardia Costiera Usa per sviluppare questa tecnologia e recenti test al National Oil Spill Response Research & Renewable Energy Test Facility hanno dimostrato che le spugne assorbono completamente entro 10 secondi il petrolio sversato. Inoltre, il team ricerca sta collaborando con ONG e enti regolatori per sviluppare strategie di mitigazione degli incidenti per le imprese che trasportano petrolio attraverso corpi idrici. «Nello stesso modo in cui le navi forniscono giubbotti di salvataggio per i passeggeri – dice Dravid – potrebbero anche tenere a bordo spugne in caso di fuoriuscita accidentale di petrolio. Non si tratta solo di assorbire il petrolio, ma anche di farlo rapidamente prima che il petrolio si diffonda. Non solo possiamo pulire con una capacità elevata, ma possiamo pulire velocemente. Nella maggior parte dei casi, se non si attacca immediatamente la fuoriuscita, questa si diffonde e crea problemi ancora più perniciosi».
E non basta, oltre a ripulire il petrolio, la spugna di Dravid può essere progettata per assorbire microplastiche o fosfato, una risorsa non rinnovabile utilizzata nei fertilizzanti. Dravid immagina le sue spugne come «Un approccio da coltellino svizzero alla mitigazione dell’inquinamento» e sta anche progettando rivestimenti per assorbire le scorie nucleari.
L’articolo Le spugne riutilizzabili che rimuovono il piombo e il petrolio dall’acqua (VIDEO) sembra essere il primo su Greenreport: economia ecologica e sviluppo sostenibile.
