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Nanotecnologie applicate alla depurazione delle acque
Trattamenti di ossidazione avanzata di inquinanti chimici mediante sistemi foto/elettrocatalitici
Responsabile: Anna Luisa Costa
Personale coinvolto: Magda Blosi, Carlo Baldisserri, Andrea Brigliadori, Antonio Crimaldi, Lara Faccani, Davide Gardini, Simona Ortelli, Marina Serantoni, Felice Carlo Simeone, Ilaria Zanoni
La tecnologia fotocatalitica impiegata in processi di ossidazione avanzata di inquinanti acquosi recalcitranti, in aggiunta ai trattamenti di depurazione tradizionali, offre la possibilità di mineralizzare le sostanze organiche ossidandole a molecole elementari non inquinanti (CO2 e H2O) senza ricorrere a disinfettanti potenzialmente nocivi per l’ecosistema. Al fine di rendere questa tecnologia industrialmente rilevante, in ISTEC sono stati progettati e realizzati impianti in scala crescente, dall’impianto di laboratorio (1/2 L), ad impianti semi-pilota con geometrie differenti (6 L e 10 L), ad impianto pilota vero e proprio con capienza di 100 L.
Inquinanti target
Le microplastiche sono sempre più presenti nell’ambiente acquatico e sono riconosciute come potenzialmente tossiche per fauna e flora. La presenza delle microplastiche nell’acqua cambia il ciclo vitale degli esseri viventi che le utilizzano per nutrirsi con effetti nocivi per il loro apparato digerente. Le microplastiche alterano anche le proprietà chimico-fisiche dei sedimenti sabbiosi e costieri.
Le principali strategie di degradazione delle microplastiche sono la biodegradazione e la foto-ossidazione. In ISTEC sono allo studio metodi di individuazione e caratterizzazione di inquinanti plastici (micro-nano plastiche) con il fine di progettare nuovi metodi di degradazione.
Un altro inquinante target è costituito dai metalli pesanti presenti nelle acque riconosciuti come tossici per l’ambiente acquatico e per l’uomo. All’ISTEC è stato studiato il materiale composito TiO2@microalghe, che permette di sfruttare sia l’attività fotocatalitica del biossido di titanio che la capacità di biosorbimento dei metalli pesanti da parte delle microalghe. I risultati hanno evidenziato effetti sinergici positivi promossi dalla dispersione della microalga sulla superficie dell’ossido.
Materiali nanostrutturati per la rimozione di inquinanti
Biossido di titanio (TiO2)
L’attività ISTEC sulla depurazione delle acque è focalizzata principalmente sull’utilizzo di TiO2 nanometrica come fase attiva nel processo di ossidazione fotocatalitica. Il biossido di titanio nanometrico viene funzionalizzato (i.e. TiO2@SiO2, TiO2@microalghe) e depositato su supporti tessili e metallici. Vengono anche prodotti e impiegati granulati di TiO2 di dimensioni micro/millimetriche da utilizzare in sospensione o in sistemi a letto fisso o fluido.
Idrotalciti
Sono allo studio materiali fotocatalitici composti tipo-idrotalcite (Hydrotalcite-like compounds, HTlc): idrossidi doppi a strati di MII (i.e. Mg, Zn) e MIII (i.e. Al, Fe), caratterizzati da proprietà adsorbenti e di scambio anionico, utilizzabili come semiconduttori dopati fotoattivi nel range UV-VIS dello spettro elettromagnetico.
Prodotti e processi
Degradazione elettrochimica/fotocatalitica di inquinanti organici
La degradazione elettrochimica di inquinanti organici presenti negli effluenti industriali e civili può essere eseguita in celle elettrochimiche di varie dimensioni, da pochi mL a 1 m3. Il processo di degradazione elettrochimica consiste nell’ossidazione anodica delle sostanze inquinanti su anodi in titanio, preventivamente sottoposti ad ossidazione termica in presenza di un metallo (Pt, Pd), avente funzione di catalizzatore. Le celle elettrochimiche per la degradazione di inquinanti organici sono dotate di ricircolo dell’effluente oggetto di trattamento, in modo da massimizzare la resa del sistema.
La degradazione elettrochimica può essere accoppiata, nello stesso reattore, alla degradazione fotocatalitica sotto irraggiamento UV, in modo da aumentare l’efficienza complessiva di degradazione. Sono attualmente oggetto di studio varie combinazioni anodo/elettrolita di supporto e la resa di degradazione del sistema accoppiato elettrochimico/fotocatalitico, sia su inquinanti modello (rodammina) sia su acque di scarico da processi industriali.
Progetti
Pubblicazioni
- I. Zanoni, M. Blosi, V. Fiorini, M. Crosera, S. Ortelli, S. Stagni, A. Stefan, S. Psilodimitrakopoulos, E. Stratakis, F. Larese Filon, A. L. Costa, Use of Cotton Textiles Coated by Ir (III) Tetrazole Complexes within Ceramic Silica Nanophases for Photo-Induced Self-Marker and Antibacterial Application, Nanomaterials, 10, 1020 (2020).
- S. Ortelli, A. L. Costa, C. Torri, C. Samorì, P. Galletti, C. Vineis, A. Varesano, L. Bonura, G. Bianchi, Innovative and Sustainable Production of Biopolymers, T. Tolio et al. (eds.), Factories of the Future (2019) – Book chapter.
- C. Baldisserri, S. Ortelli, M. Blosi, A.L. Costa, Pilot- Plant Study for the Photocatalytic/Electrochemical Degradation of Rhodamine B, Journal of Environmental Chemical Engineering, 6, 1794–1804 (2018).