Trattamento delle acque: le nanorighe catturano gli ormoni steroidei

Il Dr. Siqi Liu dell'IAMT lavora sulla ossidazione elettrochimica e sulla separazione tramite membrane per il trattamento delle acque. (Foto: IAMT, KIT)

I ormoni steroide sono tra le microinquinanti più diffusi nell'acqua. Danneggiano la salute umana e disturbano l'equilibrio ecologico delle acque. Al Karlsruhe Institute of Technology (KIT), ricercatrici hanno studiato come avviene la degradazione degli ormoni steroidei in un reattore elettrochimico a membrana con membrana di nanotubi di carbonio. Hanno constatato che l'adsorbimento degli ormoni steroidei sui nanotubi di carbonio non limita la loro successiva degradazione. Le ricercatrici riferiscono i risultati dello studio su Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-024-52730-7).

Fornire acqua pulita alle persone di tutto il mondo rappresenta una delle grandi sfide del presente e del futuro. Nei reflui si trovano diversi microinquinanti, cioè sostanze organiche e inorganiche presenti a basse concentrazioni, che tuttavia possono avere effetti dannosi sulla salute umana e sull'ambiente. Rischi particolari derivano da sostanze con attività endocrina, cioè in grado di influenzare il sistema ormonale, come ad esempio gli ormoni steroidei. Queste sostanze sono ampiamente presenti in farmaci e contraccettivi. Nell'acqua sono difficili da rilevare, ma possono compromettere la salute umana e disturbare l'equilibrio ecologico delle acque.

L'ossidazione permette la degradazione dei microinquinanti

Con i metodi tradizionali di trattamento delle acque, gli ormoni steroidei non possono essere né rilevati né rimossi. Come approccio avanzato, l'ossidazione elettrochimica (EO) sta diventando sempre più riconosciuta: i sistemi EO sono costituiti da un anodo e un catodo collegati a una sorgente di energia esterna. L'energia elettrica delle elettrodi viene modulata, portando a un'ossidazione sulla superficie dell'anodo e alla degradazione delle sostanze inquinanti. I reattori a membrana elettrochimici (EMR) sfruttano ancora più efficacemente le possibilità dell'EO: una membrana conduttiva funge da elettrodo a flusso continuo, migliorando il trasporto dei materiali. Inoltre, le aree attive per le molecole reagenti sono completamente accessibili.

I nanotubi di carbonio possiedono proprietà fisiche e chimiche uniche

Ricercatrici dell'Institute for Advanced Membrane Technology (IAMT) del KIT, insieme a scienziati dell'Università della California, Los Angeles, e dell'Hebrew University of Jerusalem, hanno ora approfondito i meccanismi ancora poco compresi nell'EMR: come riportano nella speciale edizione "Water Treatment and Harvesting" della rivista scientifica Nature Communications, hanno studiato la degradazione di microinquinanti di ormoni steroidei in un EMR con membrana di nanotubi di carbonio. I nanotubi di carbonio (Carbon Nanotubes, CNT) hanno un diametro nell'ordine del nanometro e possiedono proprietà fisiche e chimiche uniche: "La loro alta conduttività consente un efficiente trasferimento di elettroni", spiega Andrea Iris Schäfer, professoressa di ingegneria delle acque e direttrice dell'IAMT del KIT. "Grazie alla loro nanostruttura, i CNT hanno una superficie estremamente ampia, offrendo un enorme potenziale per l'adsorbimento di varie sostanze organiche, facilitando così le reazioni elettrochimiche successive."

Nello studio, le ricercatrici hanno analizzato con metodi analitici avanzati il complesso interplay tra adsorbimento e desorbimento, reazioni elettrochimiche e formazione di sottoprodotti in un EMR. "Abbiamo constatato che l'adsorbimento preliminare degli ormoni steroidei, cioè il loro accumulo sulla superficie dei CNT, non limita la successiva degradazione degli ormoni", riferisce il dott. Siqi Liu, postdoc all'IAMT. "Attribuiamo questo alla rapida adsorbimento e al trasporto efficace delle sostanze." L'approccio analitico dello studio facilita anche l'identificazione dei fattori che limitano la degradazione degli ormoni e delle condizioni variabili. "La nostra indagine chiarisce alcuni meccanismi fondamentali negli reattori a membrana elettrochimici e fornisce preziose intuizioni per lo sviluppo di strategie elettrochimiche per eliminare i microinquinanti dall'acqua", conclude Schäfer. (or)

Pubblicazione originale:

Siqi Liu, David Jassby, Daniel Mandler, Andrea I. Schäfer: Differenziazione tra adsorbimento e degradazione nella rimozione di microinquinanti di ormoni steroidei mediante membrana di nanotubi di carbonio elettrochimica. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-52730-7