Ottobre 24, 2021

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Il nuovo “coltellino svizzero” elimina l’inquinamento dell’acqua

I coautori Vinayak Dravid e Stephanie Rept esaminano l’eliminazione graduale del fosfato e il substrato di ripristino. Credito: Northwestern University

Usa la nuova spugna per la prima volta per assorbire l’olio nell’acqua, poiché funziona per isolare il fosfato in eccesso dall’acqua.

La contaminazione di fiumi, laghi e altri corsi d’acqua con fosfati ha raggiunto livelli pericolosi, provocando fioriture algali che affamano i pesci e le piante acquatiche di ossigeno. Nel frattempo, gli agricoltori di tutto il mondo stanno affrontando la diminuzione delle riserve di fertilizzanti fosfatici che forniscono metà dell’approvvigionamento alimentare mondiale.

Ispirato dai numerosi corpi idrici nelle vicinanze di Chicago, A. Northwestern UniversityUn team guidato dagli Stati Uniti ha sviluppato un metodo per rimuovere e riutilizzare frequentemente i fosfati dall’acqua contaminata. I ricercatori hanno paragonato l’evoluzione a un “coltellino svizzero” per il trattamento dell’inquinamento poiché condizionano le loro membrane per assorbire e successivamente rilasciare altri inquinanti.

La ricerca sarà pubblicata durante la settimana del 31 maggio 2021 Atti della National Academy of Sciences.

Il fosforo supporta sia la dieta del mondo che tutta la vita sulla Terra. Ogni organismo vivente su questo pianeta richiede questo: il fosforo si trova nelle membrane cellulari, negli scaffold DNA E nel nostro scheletro. Sebbene altri elementi importanti come l’ossigeno e l’azoto siano presenti nell’atmosfera, il fosforo non ha analoghi. La piccola frazione di fosforo utilizzabile proviene dalla crosta terrestre, che richiede migliaia o addirittura milioni di anni per essere superata. E le nostre miniere si stanno esaurendo.

Un articolo di Julia Rosen su The Atlantic nel 2021 citava un articolo scritto da Isaac Asimov nel 1939 in cui lo scrittore e chimico americano descriveva il fosforo come “il collo di bottiglia della vita”.

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Data la carenza di questa risorsa naturale non rinnovabile, è ironico, purtroppo, che molti dei nostri laghi soffrono di un processo noto come eutrofizzazione, che si verifica quando troppe sostanze nutritive entrano in una fonte naturale di acqua. Man mano che i fosfati e altri minerali si accumulano, le piante acquatiche e le alghe diventano molto dense, esaurendo l’ossigeno dall’acqua e alla fine uccidendo la vita acquatica.

“Riusavamo molto i fosfati”, ha detto Stephanie Rept, autrice del primo articolo. “Ora lo stiamo tirando fuori dal terreno e lo usiamo una volta e lo gettiamo via nelle fonti d’acqua dopo averlo usato. Quindi, è un problema di inquinamento, un problema di sostenibilità e un problema di economia circolare”.

Gli ecologi e gli ingegneri hanno tradizionalmente sviluppato tattiche per affrontare le crescenti preoccupazioni ambientali e di salute pubblica relative ai fosfati rimuovendo i fosfati dalle fonti d’acqua. È solo di recente che l’attenzione si è spostata dalla rimozione del fosfato al suo recupero.

“Si possono sempre fare certe cose in un laboratorio”, ha detto Vinayak Dravid, l’autore corrispondente dello studio. “ Ma c’è un diagramma di Venn quando si tratta di ridimensionamento, dove devi essere in grado di scalare la tecnologia, vuoi che sia efficiente e vuoi che sia conveniente. Non c’era nulla in quell’intersezione dei tre prima, ma sembra che la nostra spugna sia una piattaforma che soddisfa tutti questi criteri “.

Dravid è Abraham Harris Professor of Materials Science and Engineering presso la McCormick School of Engineering della Northwestern University, direttore fondatore del Experimental Center for Atomic and Nanoscale Characterization presso la Northwestern University (NUANCE) e direttore delle risorse sperimentali per la nanotecnologia morbida e ibrida (SHyNE) . Dravid è anche Direttore delle iniziative globali presso il Northwestern International Nanotechnology Institute. Repett è un dottorato di ricerca. Studente nel Laboratorio di Dravid e primo autore dell’articolo.

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Una membrana leggera per pannelli per la rimozione e il recupero dei fosfati (PEARL) è un substrato poroso e flessibile (come una spugna, un panno o una fibra rivestita) che isola selettivamente fino al 99% degli ioni fosfato dall’acqua contaminata. La membrana PEARL, ricoperta di nanostrutture legate ai fosfati, può essere regolata controllando il pH per assorbire o rilasciare i nutrienti per consentire il recupero del fosfato e il riutilizzo della membrana per diversi cicli.

Gli attuali metodi di rimozione dei fosfati si basano su metodi complessi, lunghi e in più fasi. La maggior parte di essi inoltre non recupera i fosfati durante la rimozione e alla fine produce una grande quantità di rifiuti fisici. La membrana PEARL fornisce un semplice processo in un’unica fase per rimuovere i fosfati che si ripristinano anche in modo efficiente. Inoltre è riutilizzabile e non genera alcuno spreco di materiale.

Utilizzando campioni provenienti da un’area di bonifica dell’acqua di Chicago, i ricercatori hanno testato la loro teoria con la complessità aggiuntiva dei campioni di acqua reale.

“Questa è spesso chiamata la soluzione su scala nanometrica al problema dei gigatoni”, ha affermato Dravid. “Per molti aspetti, le interazioni su scala nanometrica che stiamo studiando hanno implicazioni per l’elaborazione a livello macro”.

Il team ha dimostrato che l’approccio basato sulla spugna è efficace su scale, che vanno dai milligrammi ai chilogrammi, suggerendo la promessa di un’ulteriore espansione.

Questa ricerca si basa su uno sviluppo precedente dello stesso team – Vikas Nandwana, un membro del gruppo Dravid e coautore dello studio corrente, è stato il primo autore – soprannominato OHM (Hydrophobic Multifunctional Sponge) che ha utilizzato lo stesso tampone di spugna per selettivamente rimuovere e recuperare l’olio prodotto Informazioni sulla contaminazione da olio nell’acqua. Modificando il rivestimento dei nanomateriali nella membrana, il team prevede di utilizzare la struttura “plug and play” per cercare i metalli pesanti. Ribet ha anche affermato che diversi inquinanti possono essere affrontati contemporaneamente applicando più materiali con somiglianze personalizzate.

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“Questa sfida per il trattamento dell’acqua colpisce molto vicino a casa”, ha detto Rept. “Il bacino occidentale del lago Erie è una delle aree principali a cui pensi quando si parla di siccità e mi ha ispirato a saperne di più sulle sfide del trattamento delle acque nella regione dei Grandi Laghi”.

La ricerca “PEARL: A Sustainable Environmental Therapeutics Approach” è stata sostenuta dalla National Science Foundation (premio numero DMR-1929356). La ricerca del documento ha utilizzato le risorse di SHyNE, supportate dal National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Program (NSF-NCCI).

Benjamin Schindle, Roberto dos Reis e Vikas Nandwana – tutti provenienti dalla Northwestern – hanno co-scritto il giornale.