Con questo articolo, la Redazione di NINE comincia la sua attività divulgativa delle nanotecnologie attraverso articoli scientifici, e lo fa introducendo uno dei vari ambiti in cui le nanotecnologie rivestiranno via via un ruolo sempre più importante: lo sviluppo di tecniche per il trattamento di agenti inquinanti che possano soddisfare tutti i requisiti tecnologici necessari, rispettando al contempo l’ambiente.
La comunità mondiale, al giorno d’oggi, è ormai unanimemente concorde sulla necessità di sviluppare politiche sociali, economiche e tecnologiche che mettano il rispetto per l’ambiente al centro della loro pianificazione. Le enormi quantità di materiali inquinanti e spesso tossici, rilasciati ogni giorno dalle attività antropogeniche, rappresentano delle grosse minacce per l’ecosistema, e in modi più o meno diretti causano gravi problemi di salute all’uomo stesso. Queste sostanze nocive possono essere di moltissimi tipi diversi, e molte di esse sono sostanze con cui interagiamo anche nella nostra vita quotidiana: gas serra, composti volatili e bioaerosol nell’aria; metalli pesanti e fluidi reflui nel suolo; patogeni e, nuovamente, metalli pesanti nell’acqua.
Le tecnologie “tradizionali” sviluppate in passato, che oggigiorno rappresentano la stragrande maggioranza delle tecniche implementate a livello industriale, purtroppo presentano difetti generali che, al netto delle loro caratteristiche peculiari, le rendono inadatte sia da un punto di vista tecnico che, a volte, anche economico. Le nanotecnologie, però, possono andare oltre questi limiti: i materiali che si possono ottenere così (con dimensioni che arrivano alle centinaia di nanometri) posseggono proprietà uniche rispetto alle controparti macroscopiche, proprietà che li rendono particolarmente adatti a funzioni specifiche in cui è richiesta una grande sensibilità.
Considerata la grande varietà di problemi da affrontare nel mondo odierno a livello ambientale, una panoramica completa su queste tecnologie sarebbe inevitabilmente molto lunga e complicata. In questo articolo, ci proponiamo di mostrare le tecnologie più famose e diffuse, suddividendole in base all’ambito preciso di applicazione.
Inquinamento dell’aria
Relativamente all’inquinamento atmosferico, la minaccia più grande da affrontare è rappresentata ovviamente dai famigerati gas serra, ovvero quei gas che contribuiscono ai fenomeni del cambiamento climatico e, in particolare, al riscaldamento globale. Tra questi, il più abbondante (circa il 75% dei gas serra totali emessi), nonché uno dei più pericolosi, è sicuramente l’anidride carbonica (CO2): al fine di ridurne la quantità in atmosfera sono state sviluppate diverse tecniche, come la cattura nel suolo, l’assorbimento in liquidi o l’adsorbimento su solidi. In questo campo, il vantaggio principale dei nanomateriali è la disponibilità di una superficie nettamente maggiore che nel caso dei materiali ordinari, il che comporta un adsorbimento migliore ed efficienze maggiori. Un primo esempio sono i nano-adsorbenti a base di calcio, spessi ricoperti per evitare l’aggregazione reciproca, oppure, per trattamenti a temperature minori, nanotubi alcalini o materiali a base di carbonio. Per altri gas serra come il metano si possono usare nanoparticelle di nickel, mentre per l’anidride solforosa (responsabile delle piogge acide) si usano nanoparticelle magnetiche.
I nanomateriali possono essere usati anche per rimuovere dall’aria che si respira sostanze tossiche per il nostro organismo, le quali, nei peggiori casi, possono causare anche malattie o sintomi molto gravi. Esempi a tal proposito sono la rimozione di formaldeide tramite adsorbimento, oppure rimozione di bioaerosol (funghi, batteri e virus) con membrane metalliche o a base di nanotubi di carbonio.
Inquinamento del suolo
In questo caso, le sostanze inquinanti più pericolose sono sicuramente i metalli pesanti, presenti in valori eccessivamente elevati a seguito di attività antropogeniche locali, oppure per il rilascio di rifiuti non correttamente smaltiti. Queste sostanze sono particolarmente pericolose per l’ambiente e tutti gli esseri viventi, considerate la loro nocività e la scarsa degradabilità, e un loro eventuale recupero sarebbe molto utile a livello industriale, visto il loro valore economico. Esempi di materiali utilizzabili in questo caso sono le nanoparticelle metalliche a base di ferro o nickel, oppure composti a base fosforo. Per evitare che tali particelle si aggreghino a vicenda (perdendo dunque parte della loro efficacia), spesso polimeri organici (per esempio la cellulosa) vengono attaccati sulla loro superficie.
Inquinamento dell’acqua
Infine, un altro campo di applicazione dove è fondamentale la rimozione di inquinanti è il trattamento di acque reflue, possibilmente per renderle nuovamente potabili. Anche qui, la pletora di tecniche tradizionali -quali flocculazione, coagulazione, filtrazione, sedimentazione ed altre ancora- non è in grado di garantire i livelli richiesti di efficienza e/o economicità. Ancora una volta, le nanotecnologie vengono in nostro soccorso, grazie anche alla loro versatilità di trattamento, ottenibile grazie a funzionalizzazione specifiche delle nanoparticelle.
Nei processi che si basano sull’adsorbimento, gli ossidi metallici nanometrici e nanotubi a base di carbonio hanno dimostrato ottimi risultati, rimuovendo coloranti, farmaci e pesticidi. In alternativa, i nanomateriali possono essere utilizzati anche nelle membrane, per poter purificare l’acqua senza utilizzare sostanze chimiche e quindi senza rilasciare sub-prodotti a loro volta potenzialmente dannosi. Nella cosiddetta nanofiltrazione, tipicamente usata per rimuovere ioni metallici e molecole organiche, si usano membrane nanoporose, ottenute funzionalizzando con nanostrutture specifiche i polimeri di base della membrana.
Infine, un processo molto interessante, che può anche essere accoppiato ad altri per migliorare l’efficienza di filtrazione globale o, ad esempio, per la produzione di energia elettrica, è la fotocatalisi, molto utile per rimuovere agenti patogeni e sostanze organiche. In questo processo, un catalizzatore, attivato con radiazioni di solito nell’UV, crea dei radicali, ovvero specie chimiche altamente reattive: tali radicali (soprattutto quelli a base di ossigeno e idrossido) provocano l’ossidazione di qualsiasi sostanza organica presente in acqua, distruggendola. Al momento, le nanoparticelle a base di ossido di titanio sono le più studiate in questo campo, in virtù di pregi quali la bassa tossicità, la stabilità fisico-chimica e il costo contenuto.
Tutti questi esempi sono solo una fetta delle tante applicazioni possibili a tema ambientale delle nanotecnologie, ma sono già delle chiare dimostrazioni della loro utilità ed efficacia. Certo, i nanomateriali presentano ancora alcuni difetti e limitazioni che devono essere superati, se si vuole che diventino davvero una realtà: ad esempio, la tendenza delle nanoparticelle a riagglomerarsi tra di loro, oppure la funzionalizzazione non sempre facile, o ancora i costi a volte elevati. Tuttavia, i vantaggi che esse presentano rispetto a tecniche più convenzionali sono innegabili, e sicuramente già nel prossimo futuro le nanotecnologie rivestiranno un ruolo importantissimo in una società che rimetta al centro di tutto il rispetto dell’ambiente.
Pietro Baldin
Per
Redazione NINE
FONTI
Ibrahim, R.K., Hayyan, M., AlSaadi, M.A. et al. Environmental application of nanotechnology: air, soil, and water. Environ Sci Pollut Res 23, 13754–13788 (2016). https://doi.org/10.1007/s11356-016-6457-z
