Chromium and arsenic removal from contaminated water: environmental application of maghemitenanoparticles (samns)

L'arsenico (AsIII-V) e cromo (CrVI) sono classificati come cancerogeni di classe A se inalati o ingeriti con acqua. l'Organizzazione Mondiale della sanità (OMS) ha fissato come limite nelle acque per l’As 10 µg l-1 e 50 µg l-1 per il Cr. La riduzione della loro concentrazione è quindi di vitale importanza. I metodi di bonifica convenzionali sono basati su riduzione chimica, adsorbimento e scambio di anioni. Essi sono influenzati da elevati costi, uso di grandi quantità di reagenti e generazione di fanghi con potenziali pericoli di lisciviazione in discarica. Tecniche a basso costo e sostenibili devono essere identificate come alternative o per implementare i metodi di trattamento convenzionali. Le nanoparticelle sono una delle tecniche più promettenti per ridurre le attività ex situ, migliorare la selettività e l'efficienza di bonifica del sottosuolo. Il progetto di ricerca si basa sull'applicazione di nanoparticelle superparamagnetiche di maghemite chiamate SAMNs (Surface Active Maghemite Nanoparticles) per la rimozione di metalli tossici (As e CrVI) dalle acque, con l'obiettivo di ridurre le attività ex situ, aumentare l'efficienza di bonifica e ottenere un migliore selettività per soddisfare la crescente domanda di bonifiche sostenibili. Le SAMNs sono caratterizzate da un'elevata stabilità colloidale e dalla capacità di legare selettivamente CrVI, As e altre macromolecole a causa della topografia dei siti di FeIII non coordinati sulla superficie. Il compendio di caratteristiche, dalla sintesi in acqua, la reattività superficiale, la specificità e biocompatibilità, rendono le SAMNs un promettente candidato per la bonifica a larga scala. I risultati hanno evidenziato che le SAMNs sono un materiale ideale a basso costo per la bonifica ex situ e in situ di As e CrVI. L'efficienza di rimozione è stata dimostrata con variabili concentrazioni di SAMNs ed inquinanti, pH della soluzione. Inoltre, i risultati di studi cinetici e termodinamici, associati ad una dettagliata caratterizzazione strutturale e chimica dei complessi SAMN@metallo, hanno confermato l'insorgenza di diversi e complessi meccanismi di legame, rivelando specifici processi superficiali. Le SAMNs possono rimuovere alte concentrazioni di CrVI (22 mg L-1) in acqua con una forte dipendenza dal pH; inoltre i test per la rimozione di CrVI su campioni reali dal sito Ex-Stoppani con concentrazioni nell'intervallo 0,5-19 mg L-1 di CrVI, hanno mostrato un grande potenziale per applicazioni a larga scala su livello industriale. I risultati hanno confermato l'elevata efficienza di adsorbimento delle SAMNs (>80% di CrVI rimosso) riscontrata anche a valori di pH neutri, condizioni tipiche delle acque sotterranee. Allo stesso tempo, non sono stati trovati anioni interferenti. Per l'arsenico, oltre a dimostrare la capacità di sequestramento fino alla totale rimozione, è stato trovata una diversa affinità di legame delle due specie AsIII e AsV. La massima capacità di legame per l’AsIII (~ 24 mg g-1) risulta costante in tutto il range di pH investigato, mentre per l’AsV (~32 mg g-1 a pH 3,0) è stato osservato un rapido decremento con pH. Lo studio dell'interazione delle SAMNs con AsIII-V mediante spettroscopia fotoelettronica a raggi X ha rivelato una correlazione tra la specificità di legame, modifica degli ossigeni strutturali e ripristino della cristallinità superficiale. Queste reazioni superficiali sono attribuite alla topografia superficiale dei siti FeIII non coordinati. Anche se le nanoparticelle di ossido di ferro sono state a fondo investigate, la presente tesi, oltre ad arricchirne la conoscenza, apre le porte a nuovi approcci di sintesi per investigare nuove opportunità dagli ossidi di ferro. Nuove sintesi possono portare a nanomateriali caratterizzati da peculiari caratteristiche superficiali, offrendo novità e caratteristiche promettenti che possono essere molto utili per una vasta gamma di applicazioni, dalla bonifica dell'acqua alla biotecnologia.