Generalmente con nanomateriali si intendono materiali aventi caratteristiche morfologiche sulla nanoscala (1-100nm), almeno in una dimensione. Grazie alla dimensione nanometrica di questi materiali, essi presentano proprietà differenti rispetto ai materiali convenzionali. Un grande numero di materiali hanno mostrato anche proprietà di assorbimento, catalisi ed una elevata reattività. Quindi, possono essere usate le nanotecnologie per rendere l’acqua più pulita?

Nanotecnologie e acqua reflue: per un’acqua più pulita

Negli ultimi decenni, i nanomateriali sono stati oggetto di attività di ricerca e sviluppo e sono stati applicati con successo in molti campi, come la catalisi, la medicina, il sensing e la biologia. In particolare, l’applicazione dei nanomateriali nel trattamento delle acque e delle acque reflue ha attirato ampia attenzione. A causa delle loro piccole dimensioni e quindi delle grandi aree superficiali specifiche, i nanomateriali hanno forti capacità di assorbimento e reattività. Inoltre, la mobilità dei nanomateriali in soluzione è estremamente elevata. È stato riportato che metalli pesanti, inquinanti organici, anioni inorganici e batteri vengono rimossi con successo da vari tipi di nanomateriali.

Attualmente, i nanomateriali più studiati per il trattamento dell’acqua e delle acque reflue includono principalmente nanoparticelle di metallo zerovalente (Ag, Fe, Zn), nanoparticelle di ossidi di metallo (TiO₂, ZnO e ossidi di ferro), nanotubi di carbonio (CNT) e nanocompositi. La purificazione dell’acqua mediante la nanotecnologia sfrutta materiali nanoscopici come i nanotubi di carbonio e le fibre di allumina per la nanofiltrazione. Utilizza anche membrane di filtrazione fatte di zeolite, un materiale con una fitta rete di pori dal diametro inferiore al nanometro, nonché nanocatalizzatori e nanoparticelle magnetiche.

I nanosensori, come quelli basati su nanofili di ossido di titanio o nanoparticelle di palladio, vengono utilizzati per il rilevamento analitico di contaminanti nei campioni di acqua. Ad esempio, le membrane di nanotubi di carbonio possono rimuovere quasi tutti i tipi di contaminanti dell’acqua, inclusi torbidità, olio, batteri, virus e contaminanti organici. Sebbene i loro pori siano significativamente più piccoli, i nanotubi di carbonio hanno dimostrato di avere una portata uguale o più veloce rispetto ai pori più grandi, probabilmente a causa dell’interno liscio dei nanotubi.

I filtri in nanofibra di allumina e altri materiali in nanofibra rimuovono anche i contaminanti caricati negativamente come virus, batteri e colloidi organici e inorganici a una velocità maggiore rispetto ai filtri convenzionali.

Nanotecnologie e acqua pulita: metodi utilizzati per il trattamento delle acque

Diversi sono i sistemi di trattamento delle acque reflue, per la rimozione dei matalli pesanti che prevedono l’utilizzo di nanomateriali. I sistemi maggiormente adoperati sono:

• Adsorbimento
• Fotocatalisi
• Filtrazione con membrana
• Disinfezione

È corretto ricordare che questo impiego dei nanomateriali, è solo una delle molte straordinarie applicazioni della nanotecnologia, che comprendono i dispositivi elettronici, l’energia, la protezione ambientale, la nanomedicina.

Gli studi sulla depurazione delle acque, mediante nanomateriali, sono stati indirizzati sulle acque reflue di qualsiasi origine: sotterranee, per scopo potabile, superficiali e acqua di mare. La ricerca si è spinta per ottenere la rimozione di ogni tipo d’inquinante organico, inorganico e agenti patogeni. Per ottenere risultati, sempre più validi, la nanotecnologia ha utilizzato i suoi nanomateriali in modo diversificato sviluppandosi sostanzialmente in tre direzioni:

• Nanocatalizzatori
• Nanoadsorbenti
• Nanomembrane

Nanocatalizzatori

Questo trattamento coinvolge le attività fotocatalitiche che comprendono l’interazione dell’energia luminosa con nanoparticelle metalliche. Le attività fotocatalitiche distruggono i microrganismi (batteri) e le sostanze organiche attraverso la reazione con i radicali idrossilici. I materiali utilizzati nei nanocatalizzatori sono tipicamente materiali inorganici come ossidi metallici e semiconduttori.

Nanotecnologie e acqua pulita: Nanoassorbenti

Questo trattamento utilizza nanomateriali organici o inorganici con un’elevata affinità per l’assorbimento di sostanze. Questi assorbenti sono altamente in grado di rimuovere molti contaminanti. L’assorbente ideale è piccolo, ha un’ampia superficie, un grande potenziale catalitico e un’elevata reattività. I nano-adsorbenti sono classificati in base al loro processo di adsorbimento, ovvero nanoparticelle metalliche, nanoparticelle magnetiche, ossidi misti nanostrutturati e nanoparticelle di ossidi metallici.

Nanomembrane

In questo trattamento, le nanomembrane possono separare gli inquinanti dalle acque reflue. Questi sono ampiamente utilizzati per la rimozione di metalli pesanti, coloranti e altri contaminanti. Nanotubi, nanonastri e nanofibre sono nanomembrane comunemente usate. Le nanoparticelle d’argento sono agenti antimicrobici che vengono incorporati durante il trattamento delle acque reflue contenenti elevati carichi di contaminanti batterici.

Le nanoparticelle di argento e le nanoparticelle di ossido di grafene svolgono un duplice ruolo, ovvero la prevenzione del biofouling (disabilita le cellule batteriche) e, grazie alla loro natura idrofila, possono ridurre l’adesione microbica formando un forte strato d’acqua. Tra i nanomateriali più utilizzati per il trattamento delle acque troviamo: nanotubi di carbonio (CNT), nanoparticelle di ossido di grafene (GO), nanoparticelle di silice fluorurata e nanomateriali stratificati.

Ci sono ancora alcuni problemi che devono essere superati per utilizzare al meglio i nanomateriali, poiché parte di questi nanomateriali sono instabili e tendono ad aggregarsi, riducendo la loro capacità di adsorbimento. Inoltre, può risultare difficile separare i nanomateriali dall’ambiente acquoso in modo rapido ed efficace. I processi di sintesi delle nanoparticelle e il loro impiego a lungo termine necessitano di ulteriori approfondimenti. In particolare per quanto riguarda l’impatto ambientale di questi prodotti per poter definire i rischi tossicologici per l’uomo e per tutti i componenti della catena alimentare.

Articolo a cura di Giorgia Pascale