Adsorption and photo-Fenton catalytic degradation of Orange II dye over cobalt ferrite nanoparticles and almond shell biochar

L'acqua del mondo è sotto una pressione costante dovuta ai rifiuti industriali, e pochi inquinanti sono ostinati quanto i coloranti sintetici. Usati per colorare di tutto, dai tessuti ai prodotti alimentari, questi composti sono progettati per resistere allo sbiadimento, al lavaggio e alla decomposizione chimica. Questa stessa durabilità li rende un incubo per gli impianti di trattamento delle acque reflue, dove i metodi biologici standard spesso falliscono nel decomporli. Quando questi coloranti entrano nei fiumi, bloccano la luce solare per la vita acquatica e possono persino rilasciare sottoprodotti tossici. Per risolvere questo problema, gli scienziati si sono rivolti ai processi di ossidazione avanzata, una famiglia di tecniche che generano particelle altamente reattive e a breve durata chiamate radicali ossidrilici. Pensate a questi radicali come a microscopici pulitori indiscriminati che attaccano e frantumano le complesse molecole organiche in anidride carbonica e acqua innocue. Tra i modi più efficaci per creare questi radicali c'è il processo foto-Fenton, che utilizza la luce per accelerare una reazione tra il perossido di idrogeno e il ferro. Tuttavia, le versioni tradizionali di questo processo affrontano un ostacolo significativo: il catalizzatore di ferro è sciolto nell'acqua, rendendo difficile la sua rimozione una volta terminato il lavoro e lasciando potenzialmente residui di contaminazione metallica.

I ricercatori dell'Universidad de Buenos Aires si sono posti l'obiettivo di superare queste limitazioni creando un nuovo tipo di catalizzatore che sia sia potente che facile da recuperare. Si sono concentrati su un materiale specifico chiamato ferrite di cobalto, una nanoparticella magnetica che può guidare la reazione foto-Fenton. Per evitare che queste minuscole particelle si aggreghino perdendo la loro efficacia, il team le ha ancorate su un supporto poroso e ricco di carbonio fatto di gusci di mandorla. Questo supporto, noto come biochar, viene prodotto riscaldando scarti organici in assenza di ossigeno. Gli scienziati hanno sintetizzato tre diverse versioni dei loro materiali per confrontarle: nanoparticelle magnetiche pure, una miscela meccanica delle nanoparticelle e del biochar, e un composito in cui le nanoparticelle sono state cresciute chimicamente direttamente sul biochar. Il loro obiettivo era vedere quale configurazione potesse rimuovere più efficientemente l'Orange II, un comune colorante azoico di colore arancione, dall'acqua utilizzando la luce solare.

Il team ha iniziato caratterizzando i propri materiali per comprenderne la struttura fisica. Hanno scoperto che le nanoparticole magnetiche pure formavano piccoli cluster sferici, mentre il biochar stesso appariva come un foglio fibroso e stratificato. Quando le nanoparticelle venivano coltivate direttamente sul biochar, non si limitavano a stare sulla superficie; si inserivano nelle pieghe e nei pori del materiale carbonioso. Questa integrazione era cruciale. Sebbene le nanoparticelle pure fossero fortemente magnetiche, il materiale composito mostrava un segnale magnetico molto più debole perché il biochar pesante e non magnetico diluiva il magnetismo complessivo. Nonostante questa riduzione, il composito rimaneva abbastanza magnetico da poter essere estratto dall'acqua con un semplice magnete esterno, risolvendo il problema del recupero che affligge i catalizzatori disciolti.

Con i materiali preparati, i ricercatori hanno testato quanto bene potessero rimuovere il colorante. Prima, hanno osservato quanto velocemente i materiali potessero adsorbire, o catturare, le molecole di colorante prima dell'applicazione di luce. Hanno scoperto che il sistema raggiungeva uno stato di equilibrio, in cui non veniva più assorbito colorante, in circa 50 minuti. Una volta stabilito questo livello base, sono passati all'evento principale: la degradazione foto-Fenton. Utilizzando una lampada per simulare la luce solare, hanno regolato varie condizioni per trovare il punto ottimale per la reazione. Hanno scoperto che il processo funzionava meglio in acqua acida, specificamente a un pH di 3. Hanno anche scoperto che l'aggiunta di troppo perossido di idrogeno in realtà ostacolava la reazione, poiché l'eccesso di perossido iniziava a consumare proprio i radicali necessari per scomporre il colorante. La quantità ottimale era di 600 parti per milione di perossido e 75 milligrammi per litro di catalizzatore.

Sotto queste condizioni ideali, le differenze tra i tre materiali sono diventate chiare. La miscela meccanica di nanoparticelle e biochar offriva prestazioni discrete, ma le nanoparticelle pure faticavano a mantenere un'alta efficienza nel tempo. Il materiale protagonista era il composito, in cui la ferrite di cobalto era stata sintetizzata direttamente sul biochar di gusci di mandorla. Questo sistema ha distrutto più del 97 percento del colorante Orange II in un tempo significativamente più breve rispetto alle altre versioni. I ricercatori attribuiscono questo successo al modo unico in cui il biochar sostiene le nanoparticelle. La struttura porosa impedisce alle particelle magnetiche di aggregarsi, mantenendo esposte le loro superfici attive. Inoltre, il biochar agisce come una spugna, concentrando le molecole di colorante proprio accanto ai siti catalitici, e aiuta a gestire il flusso di cariche elettriche all'interno del materiale, prevenendo la perdita di energia.

Forse il risultato più pratico è stato che questa alta prestazione non dipendeva da costose luci artificiali. Quando il team ha sostituito la lampada da laboratorio con la luce solare naturale, il materiale composito ha mantenuto la sua efficienza, rimuovendo oltre il 95 percento del colorante nello stesso intervallo di tempo. Ciò suggerisce che il processo potrebbe essere scalato per l'uso industriale senza gli elevati costi energetici associati alle fonti UV artificiali. Infine, il team ha testato la durabilità del loro nuovo catalizzatore. Dopo aver utilizzato il catalizzatore per trattare la soluzione di colorante per cinque volte consecutive, lavandolo tra ogni ciclo, il materiale manteneva ancora più del 94 percento della sua efficacia originale. Questo alto livello di riutilizzabilità, combinato con l'uso di scarti agricoli ed energia solare, indica una strada sostenibile per la pulizia delle acque reflue industriali, trasformando un comune prodotto di scarto alimentare in uno strumento potente per la protezione ambientale.