Trattamento delle acque: la luce aiuta a degradare gli ormoni

Impianto di filtrazione membranosa fotocatalitica con simulatore solare. Le membrane sono rivestite di biossido di titanio. (Foto: Markus Breig, KIT)

Per microinquinanti nell'acqua si tratta spesso di ormoni che si accumulano nell'ambiente e possono avere effetti negativi su uomini e animali. Ricercatori dell'Istituto di Tecnologia di Karlsruhe (KIT) e dell'Istituto Leibniz per la Modifica delle Superfici (IOM) di Lipsia hanno sviluppato una procedura per la decomposizione fotocatalitica di questi inquinanti nel flusso attraverso membrane polimeriche, presentata sulla rivista Nature Nanotechnology. Tramite l'irradiazione con luce, che provoca una reazione chimica, gli ormonidi steroidei vengono scomposti sulle membrane rivestite di biossido di titanio.

Ovunque vivano persone, gli ormoni, come quelli usati nei medicinali contraccettivi e in agricoltura, entrano nelle acque reflue. Ormoni steroidei come gli ormoni sessuali e i corticosteroidi possono accumularsi nell'ambiente e avere effetti negativi su uomini e animali, influenzando lo sviluppo comportamentale e la capacità riproduttiva. Gli ormoni sessuali, ad esempio, possono portare i pesci maschi a sviluppare caratteristiche femminili. È quindi ancora più importante rimuovere, oltre ad altri microinquinanti, anche gli ormoni dalle acque reflue prima che tornino nel ciclo naturale dell'acqua, da cui poi si attinge per l'acqua potabile. «Fornire acqua potabile pulita alle persone è una delle sfide più importanti del nostro tempo», afferma la professoressa Andrea Iris Schäfer, direttrice dell'Istituto per le Membrane Avanzate (IAMT) del KIT. «Gli inquinanti in tracce rappresentano una minaccia enorme per il nostro futuro, poiché compromettono la nostra fertilità e le funzioni cerebrali.»

Ispirazione dalla tecnologia delle celle solari

Schäfer si occupa da anni del trattamento delle acque tramite nanofiltrazione. A tal fine utilizza membrane polimeriche con pori di nanometri. Tuttavia, la nanofiltrazione funziona a pressioni elevate e richiede quindi molta energia. Inoltre, può capitare che i microinquinanti si accumulino nei materiali delle membrane polimeriche e gradualmente passino nell'acqua filtrata. Anche se la rimozione degli inquinanti avviene completamente, si genera un flusso di acqua con sostanze nocive concentrate, che deve essere ulteriormente trattato.

Inspirata dalla tecnologia delle celle solari, di cui si occupa anche il professor Bryce S. Richards, anch'egli al KIT, Schäfer ha avuto l'idea di rivestire le membrane polimeriche con biossido di titanio e di sviluppare membrane fotocatalitiche: nanoparticelle di biossido di titanio fotocataliticamente attive vengono applicate su membrane di microfiltrazione, i cui pori sono leggermente più grandi rispetto a quelli della nanofiltrazione. Tramite l'irradiazione con luce, che provoca una reazione chimica, gli ormoni steroidei vengono scomposti sulle membrane. Schäfer ha ora realizzato questa idea con il suo team dell'IAMT del KIT e con colleghi dell'Istituto Leibniz per la Modifica delle Superfici (IOM) di Lipsia, presentando la nuova tecnologia sulla rivista Nature Nanotechnology.

Catalizzatore per l'acqua

«In sostanza, abbiamo sviluppato un catalizzatore per l'acqua», riassume Schäfer. Con le membrane polimeriche fotocatalitiche, è stato possibile rimuovere gli ormoni steroidei nel flusso continuo fino a raggiungere il limite di rilevabilità analitica di quattro nanogrammi per litro — valori molto vicini a un nanogrammo per litro, in linea con le nuove linee guida dell'OMS per l'acqua potabile. I ricercatori stanno lavorando per migliorare ulteriormente la tecnologia, riducendo il tempo e il consumo energetico, e consentendo l'uso della luce naturale. Soprattutto, la ricerca futura mira a decomporre altri inquinanti tramite la fotocatalisi, come sostanze chimiche industriali come le per- e polyfluoroalchiliche (PFAS) o pesticidi come il glifosato. Un'altra sfida consiste nel realizzare questa tecnologia su scala più ampia.»

Pubblicazione originale

Shabnam Lotfi, Kristina Fischer, Agnes Schulze e Andrea I. Schäfer: Photocatalytic degradation of steroid hormone micropollutants by TiO2-coated polyethersulfone membranes in a continuous flow-through process. Nature Nanotechnology, 2022. DOI: 10.1038/s41565-022-01074-8

Abstract su https://www.nature.com/articles/s41565-022-01074-8

Per approfondimenti sulla pubblicazione: https://engineeringcommunity.nature.com/posts/catalyst-for-water-removing-steroid-hormone-micropollutants-in-flow-through-photocatalytic-membrane