Nanotubi di carbonio riutilizzabili per filtrare l’acqua inquinata?


La necessità di avere tecnologie efficaci e sostenibili per bonificare le acque è giunta ad un livello critico. Un gruppo di ricercatori americani ha elaborato una nuova tecnologia per bonificare l'acqua inquinata.

Le tecniche di filtrazione attualmente utilizzate

Al fine di cercare di mitigare i danni e ridurre la contaminazione dell’acqua sono state impiegate una varietà di tecniche come la nanofiltrazione, l’osmosi inversa e l’evaporazione MSF (Multi-Stage Flash), ma la praticità di questi metodi è limitata dai consumi energetici elevati e dai costi non proprio economici.

Uno dei metodi maggiormente utilizzati consiste nell'usare adsorbenti ad alta affinità di legame aventi la capacità di rimuovere selettivamente i residui delle sostanze chimiche indesiderate in acqua.

Filtri ai carboni attivi

Attualmente i materiali utilizzati per ottenere acqua pulita adatta al consumo umano hanno una lunga storia in termini di costo e versatilità. Ad esempio i filtri dell’acqua per uso domestico utilizzano il carbone attivo come materiale adsorbente per la rimozione di ioni metallici.

Caratteristiche limitate dei filtri a carboni attivi

Tuttavia la scarsa riusabilità del carbone attivo e la sua limitata capacità di adsorbire molecole più grandi (a causa delle dimensioni e della porosità delle particelle) richiedono un’analisi di materiali alternativi per la filtrazione dell'acqua.

Nuovi nanomateriali a base di carbonio

Nuovi nanomateriali a base di carbonio sembrano essere in grado di fornire una strada verso la realizzazione di sistemi assorbenti sostenibili e molto più efficaci dei sistemi tradizionali di filtrazione.

Nanotubi di carbonio

Diversi gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno analizzando il possibile impiego dei nanotubi di carbonio per la filtrazione delle acque inquinate.

Recentemente un gruppo di scienziati americani del Rochester Institute of Technology e della scuola di scienze forestali e ambientali dell'Università di Washington ha pubblicato un nuovo studio sulla rivista Environmental Science Water: Research and Technology in cui vengono utilizzati nanotubi di carbonio a parete singola come componenti base per la realizzazione di filtri selettivi dell’acqua inquinata.

Nanotubi di carbonio a parete singola filtrano l'acqua inquinata. Credit: John-David Rocha and Reginald RogersImmagine 1 - Nanotubi di carbonio a parete singola filtrano l'acqua inquinata. Credit: John-David Rocha and Reginald Rogers

I nanotubi di carbonio a parete singola si possono rigenerare dopo l’uso e riescono a catturare molti più inquinanti dall’acqua rispetto ai tradizionali sistemi basati sui carboni attivi.

Una tecnologia di filtrazione dell’acqua emergente e sostenibile

La capacità da parte di questi nanotubi di carbonio di rigenerarsi promuove quindi un approccio sostenibile della tecnologia, elemento a volte sottovalutato nei consueti sistemi di filtrazione delle acque inquinate.

I nanotubi di carbonio per bonificare l’acqua inquinata rappresentano una tecnologia emergente e i ricercatori americani stanno cercando di dimostrarne il potenziale di sviluppo.

Non solo ricerca nel campo delle celle a combustibile

Generalmente i nanotubi di carbonio sono associati con la ricerca sulle celle a combustibile mentre, nella ricerca portata avanti da John-David Rocha e Reginald Rogers (autori dello studio appena pubblicato sulla rivista Environmental Science Water: Research and Technology) i nanotubi di carbonio vengono utilizzati seguendo un nuovo approccio per risolvere i problemi ambientali che potrebbe aprire strade completamente nuove in questo specifico campo di ricerca.

«Le conoscenze che abbiamo sulle proprietà dei nanotubi di carbonio insieme all’impiego di nuovi trattamenti e nuove tecniche di caratterizzazione di tali nanomateriali ci consente di cogliere i vantaggi che i nanotubi possono offrire nella bonifica dell’acqua inquinata» scrive il dott. Rocha, prof. presso la scuola di chimica e scienze dei materiali del Rochester Institute of Technology (RIT), USA.

I ricercatori americani si sono concentrati nello sviluppo di una tecnologia avanzata che utilizza i nanotubi di carbonio per la bonifica dell’acqua per uso domestico.

«Nel nostro studio abbiamo dimostrato che è possibile rigenerare questo tipo di materiali» scrive il dott. Rogers, prof. di ingegneria chimica presso il dip.di ingegneria Kate Gleason del RIT.

«In futuro, quando il filtro dell’acqua di casa si saturerà basterà metterlo nel forno a microonde per circa cinque minuti e le impurità evaporeranno» prosegue Rogers.

I nanotubi di carbonio hanno dimensioni estremamente ridotte

I nanotubi di carbonio sono dei “contenitori” che generalmente hanno uno spessore molto piccolo, circa 1 nanometro (mediamente un capello umano ha uno spessore che può variare dai 17.000 ai 180.000 nanometri). Il carbonio su scala nanometrica sfida le leggi della fisica e opera nel mondo della meccanica quantistica in cui materiali dalle piccole dimensioni assumono grande forza.

«Noi tutti conosciamo il carbonio sotto forma di grafite per le nostre matite, sotto forma di materiale durissimo come il diamante oppure sotto forma di fuliggine» scrive Rocha. «Siamo in grado di trasformare la grafite o la fuliggine in un materiale dalle dimensioni nanometriche conosciuto come grafene» prosegue il ricercatore.

I nanotubi di carbonio possiedono una stabilità chimica e una robustezza meccanica elevate oltre a possedere un’elevata area superficiale, queste caratteristiche rendono i nanotubi i candidati ideali per sostituire gli attuali materiali adsorbenti nei filtri dell’acqua.

Tutto parte arrotolando un foglio di grafene

In laboratorio viene creato un nanotubo di carbonio a parete singola arrotolando su se stesso un foglio di grafene. Il cambiamento fisico altera la struttura chimica del materiale e ne determina il comportamento. Il risultato che si ottiene è «uno dei materiali maggiormente conduttivi di calore ed elettricità al mondo» scrive Rocha. «Queste proprietà entrano in gioco solo perché siamo nell’ambito della scala nanometrica» prosegue il ricercatore.

I ricercatori del RIT hanno utilizzato delle nuove tecniche per manipolare materiali molto sottili. Il prof. Rocha ha sviluppato un metodo per isolare nanotubi di carbonio a parete singola di elevata qualità ordinandoli in base alle loro proprietà, semiconduttive o metalliche. Il prof. Rogers ha ridistribuito i nanotubi di carbonio puro in fogli sottili simili alla carta carbone.

«Non appena otteniamo i fogli abbiamo l’adsorbènte — il materiale che usiamo per catturare i contaminanti dall'acqua» scrive Rogers.

Il processo di filtrazione funziona perché i «nanotubi di carbonio sono idrorepellenti», ha aggiunto il ricercatore. Solo i contaminanti organici si fissano alla superfici dei nanotubi, non le molecole d’acqua. Nello studio i ricercatori hanno analizzato l’adsorbimento di composti organici che possono essere trovati frequentemente nell’acqua, ad es. i diserbanti.

«Fino ad oggi i nanotubi non erano mai stati utilizzati per questo tipo di applicazione» scrive Rogers.

Conclusioni

Secondo i ricercatori i risultati raggiunti nello studio rappresentano il punto di partenza per un avanzamento della tecnologia di filtrazione dell’acqua basata sui nanotubi di carbonio. Le sfide da affrontare per poter utilizzare praticamente i nanotubi di carbonio al posto dei carboni attivi sono diverse e sono rappresentati principalmente dagli elevati costi di produzione.

Nonostante i costi di produzione ancora elevati i ricercatori sono convinti che nei prossimi anni l’evoluzione di tale tecnologia potrebbe portare ad un aumento considerevole dei benefici nelle applicazioni dedicate al trattamento e alla potabilizzazione delle acque. Saranno necessari ulteriori studi su uno spettro più ampio di composti chimici inorganici (ad es. composti metallici) e composti biologici per giustificare l’adozione dei nanotubi di carbonio a parete singola nelle applicazioni per la purificazione delle acque.

Riferimento

Emerging investigators series: highly effective adsorption of organic aromatic molecules from aqueous environments by electronically sorted single-walled carbon nanotubes
Authors: John-David R. Rocha, Reginald E. Rogers, Anthony B., Ryan C. Capasse

DOI: 10.1039/C6EW00284F

 



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