Da tossico a prezioso: depurare le acque reflue, scoprire un tesoro
I ricercatori hanno messo a punto un approccio “2 in 1” per eliminare i metalli pesanti dall’acqua e recuperare preziosi elementi delle terre rare
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Di solito buttiamo via un obiettivo fotografico rotto, degli auricolari o un vecchio telefono che ha smesso di funzionare e non è più riparabile, poiché ci sembrano inutili quando non funzionano. Tuttavia, questi oggetti nascondono al loro interno elementi delle terre rare (REE) che trovano applicazione, tra l’altro, nei magneti, nella superconduttività, nell’ottica e nelle batterie. Quando tali oggetti finiscono nell’acqua, recuperare gli elementi delle terre rare diventa difficile.
D’altra parte, le attività industriali possono introdurre nell’acqua metalli tossici quali piombo, cadmio, nichel e manganese. La sfida non consiste più semplicemente nel rimuovere dall’acqua questi inquinanti metallici indesiderati e nocivi, ma anche nel recuperare in modo efficiente i preziosi REE.
E se un’unica strategia potesse aiutare ad affrontare entrambe le questioni? In questa direzione, i ricercatori dell’Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN), dell’Università di Cambridge e dell’Università di Birmingham hanno sviluppato in collaborazione un protocollo che utilizza una classe di materiali altamente porosi chiamati strutture metallo-organiche (MOF). Questi materiali sono in grado di catturare efficacemente i metalli tossici dall’acqua e di recuperare i preziosi elementi delle terre rare dai flussi di rifiuti. Pubblicato su *Nature Protocols*, lo studio fornisce un quadro di riferimento per la progettazione, la caratterizzazione e l’impiego dei MOF nel risanamento delle acque e nelle applicazioni relative all’economia circolare delle risorse, tenendo conto delle condizioni reali.
Un filtro intelligente
Immaginate il MOF come una rete da pesca molecolare. I suoi innumerevoli pori formano una vasta superficie di cattura, mentre siti chimici appositamente progettati fungono da ami in grado di agganciarsi a metalli specifici. I ricercatori hanno messo a punto questa rete in modo tale che intrappoli preferenzialmente i metalli che stanno cercando. È come identificare e selezionare specificamente biglie di colore rosso e verde da un secchio contenente centinaia di biglie di diversi colori.
Alcuni MOF possono avere superfici interne fino a 7.000 metri quadrati per grammo. Per mettere questo numero in prospettiva, un grammo può sembrare un minuscolo pizzico di polvere, ma al suo interno racchiude una superficie paragonabile a un intero campo da calcio!
Questa enorme superficie interna rende i MOF interessanti come adsorbenti. In termini semplici, funzionano come materiali che trattengono le sostanze sulla loro superficie. Sebbene i metodi convenzionali come la precipitazione, la coagulazione e la flocculazione possano essere utili per il trattamento delle acque, sono generalmente sensibili al pH, con una rimozione ottimale limitata a intervalli ristretti. In linea di massima, la precipitazione permette alle impurità pesanti di depositarsi, la coagulazione fa aggregare le impurità, mentre la flocculazione fa sì che piccoli aggregati di impurità si scontrino e si trasformino in agglomerati più grandi che possono essere separati.
Questi approcci richiedono inoltre grandi infrastrutture e generano ingenti quantità di fanghi, un rifiuto denso e fangoso che deve poi essere gestito e smaltito. Altri processi, come il trattamento elettrochimico, comportano elevati costi economici e ambientali.
L’adsorbimento offre un’alternativa efficace, semplice da gestire, con ampia applicabilità ed efficacia anche a basse concentrazioni di contaminanti. Poiché si basa sul grado di affinità dei metalli bersaglio con la superficie appositamente progettata, ha il potenziale di rimuovere il 90–99% dei contaminanti, proprio come un filtro altamente selettivo! L’utilizzo di approcci basati sull’adsorbimento evita inoltre la generazione di contaminanti secondari e consente la rigenerazione e il riutilizzo. In questo ambito, i MOF si distinguono per la loro eccezionale flessibilità progettuale nella cattura e nel recupero dei metalli.
Oltre i confini del laboratorio
Nel mondo reale, gli effluenti industriali, ovvero i prodotti di scarto rilasciati dagli impianti di produzione, dalle miniere e dagli impianti di lavorazione chimica nei corpi idrici, contengono non uno ma molti metalli, insieme ad altri contaminanti quali pesticidi, detergenti e inquinanti organici.
Il protocollo descrive in dettaglio una metodologia che può essere utilizzata per impiegare i MOF come adsorbenti per il recupero e la rimozione dei metalli in condizioni controllate. Il protocollo prevede test in scenari complessi del mondo reale. Ad esempio, la rimozione e il recupero sono stati valutati utilizzando acque reflue alcaline (pH ~ 8,5), torbide e con un elevato contenuto di impurità solide disciolte. Il metodo è stato testato anche in acqua di mare artificiale e in campioni derivati dai rifiuti elettronici. Il flusso di lavoro sviluppato in questo studio può essere applicato ad adsorbenti simili e ad altri contaminanti.
«Per me, l’aspetto più interessante è stato osservare che il MOF nel nostro protocollo dimostrava notevoli capacità di adsorbimento», ha affermato Dhruv Menon (BTech, IITGN). Ha aggiunto: «Gli esperimenti hanno dimostrato che un grammo di MOF a base di rame è in grado di catturare quasi mezzo grammo di piombo (490 mg/g) e circa un quarto di grammo ciascuno di cadmio (264 mg/g) e manganese (226 mg/g). Per quanto riguarda gli elementi delle terre rare, è in grado di catturare circa un terzo di grammo per grammo di materiale (351 mg/g di neodimio, 343 mg/g di ittrio, 335 mg/g di disprosio, 337 mg/g di terbio e 345 mg/g di europio)”. Il signor Menon è attualmente dottorando presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biotecnologia dell’Università di Cambridge.
Verso la sostenibilità
Come spiegato dal prof. Superb Misra, «C’è bisogno di approcci in grado di risolvere contemporaneamente molteplici sfide ambientali. Il nostro obiettivo era ottimizzare le prestazioni dei MOF per impiegarli in applicazioni di bonifica ambientale. Detto questo, è fondamentale comprendere che gli esperimenti controllati in batch non possono prevedere appieno i comportamenti in acque reflue complesse. È necessario considerare fattori quali la produzione su larga scala, le analisi dei costi, la valutazione del ciclo di vita dei MOF e i test normativi”, ha affermato il dott. Misra, titolare della cattedra Jibaben Patel presso il Dipartimento di Ingegneria dei Materiali dell’IITGN e ricercatore principale del Bio Nano Materials Group.
Tra gli altri membri del team coinvolti in questo studio figurano Prathmesh Bhadane (dottorato di ricerca, IITGN; ricercatore post-dottorato, IIT Bombay), Priya Mahato (dottoranda, IITGN), Prateek Goyal (PhD, IITGN), la dott.ssa Iseult Lynch (professoressa presso la Scuola di Geografia, Scienze della Terra e dell’Ambiente dell’Università di Birmingham) e il dott. Swaroop Chakraborty (borsista NERC, Università di Birmingham).
Questa ricerca è in linea con il Programma di incentivi per il riciclaggio dei minerali critici del Governo indiano, nell’ambito della Missione nazionale sui minerali critici, volto a sviluppare la capacità nazionale di riciclaggio per la separazione e la produzione di minerali critici da fonti secondarie, compresi i volumi crescenti di rifiuti elettronici e di batterie. L’IIT Gandhinagar è partner del Centro di eccellenza della Missione nazionale sui minerali critici ospitato presso l’IIT (ISM) di Dhanbad. I risultati sono inoltre in linea con l’Iniziativa per la sicurezza tecnologica tra Regno Unito e India, che prevede la collaborazione per l’estrazione e il recupero sostenibili di minerali critici dai flussi di rifiuti a fine vita. Essi coincidono inoltre con gli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile delle Nazioni Unite n. 6, 9 e 12, incentrati rispettivamente su acqua pulita e servizi igienico-sanitari, industria e innovazione, nonché consumo e produzione responsabili.
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