Collagene ibrido

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13365 (2023) Citare questo articolo

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L’inquinamento dell’acqua causato da coloranti sintetici e fuoriuscite di petrolio ha un impatto significativo sull’ambiente e sulle specie viventi. Qui, abbiamo sviluppato un nanocomposito di bio-spugna magnetica ibrida a basso costo, ecologico e facilmente biodegradabile da risorse rinnovabili come collagene e cellulosa (fibra di Kenaf cellulosa-collagene, KFCC). Lo abbiamo caricato con NP bimetalliche magnetiche Fe3O4@TiO2 (BFT) per produrre un materiale fotocatalitico (KFCC-BFT) per il trattamento delle acque reflue colorate e un assorbente per la separazione olio-acqua. La caratterizzazione delle NP bimetalliche BFT mediante XRD, HRTEM e VSM ha mostrato la deposizione di particelle di TiO2 sulla superficie di Fe3O4 con una spaziatura tra gli strati reticolari di 0,24 e 0,33 nm per Fe3O4 e TiO2, rispettivamente con proprietà ferromagnetiche. Il risultato degli spettri di riflettanza diffusa UV-vis ha indicato che l'energia del gap di banda delle bio-spugne diminuisce con l'aumento della porzione bimetallica. L'efficienza fotocatalitica della bio-spugna ibrida magnetica così preparata nella degradazione del colorante cristalvioletto è stata fino al 91,2% in condizioni di luce visibile e all'86,6% sotto esposizione diretta alla luce solare. Inoltre, la biospugna ibrida magnetica è stata utilizzata per separare l’olio motore dall’acqua (> 99%) e aveva un’elevata capacità di assorbimento dell’olio di 46,1 g/g. L'analisi delle prestazioni di riciclabilità e riutilizzabilità per 9 cicli ha rivelato che la biospugna aveva un'elevata capacità di assorbimento fino a 5 cicli. I nostri risultati suggeriscono che il nanocomposito ibrido BFT supportato da biopolimeri è un fotocatalizzatore economico e facilmente biodegradabile e ha un grande potenziale per applicazioni di bonifica ambientale sul campo reale.

L’inquinamento ambientale, soprattutto quello idrico, rappresenta attualmente una grave minaccia globale che comporta gravi rischi sia per la salute umana che per quella dell’ecosistema. L’inquinamento idrico costituisce una grave preoccupazione per tutte le parti interessate, tra cui la società, le autorità pubbliche e le industrie1. Il rapido sviluppo di industrie come quella tessile, della pelle, delle vernici, della carta, della stampa e della plastica, nonché del petrolio e del gas offshore, porta all’aumento dello scarico di vari inquinanti nell’acqua2. Uno degli inquinanti più comuni sono gli inquinanti organici come coloranti organici, prodotti chimici per l'agricoltura, fenoli, cosmetici, rifiuti farmaceutici e petrolchimici, che sono molto pericolosi per gli organismi acquatici e danneggiano interi ecosistemi a causa della riduzione della quantità di ossigeno disciolto nell'acqua in il loro processo di decomposizione ossidativa3,4. Tra i vari inquinanti organici, i coloranti solubili e gli oli insolubili stanno causando gravi danni all’ecosistema. I coloranti sintetici sono i più utilizzati nelle industrie e sono composti da molecole poliaromatiche contenenti uno o più legami azoici N=N–) che conferiscono colore permanente ai materiali. L'applicazione dei coloranti sintetici è varia e spazia dall'industria tessile e delle vernici a quella del cuoio5,6,7. I coloranti sintetici non utilizzati presenti nell'acqua sono tossici, cancerogeni e mutageni e possono avere effetti sull'ambiente acquatico e sugli esseri umani, anche a basse concentrazioni5,6. È difficile rimuovere completamente gli inquinanti colorati dall’acqua utilizzando le tradizionali tecniche di trattamento delle acque reflue come l’assorbimento e l’ossidazione8,9.

In generale, gli effluenti contenenti contaminanti solubili, solidi, colloidi, materia organica e minerali vengono rimossi attraverso varie tecniche fisiche, chimiche e/o biologiche10. Per la rimozione dei contaminanti organici dagli effluenti contaminati, sono diffuse le tecniche convenzionali di trattamento dell'acqua come la flottazione ad aria, la precipitazione, la coagulazione, l'ossidazione, l'adsorbimento, lo scambio ionico, la filtrazione su membrana, ecc.11,12. Ciascun metodo di trattamento presenta vantaggi e limiti quali costi operativi, efficienza, funzionalità, affidabilità, eco-impressione, requisiti post-trattamento e anche la creazione di fanghi e sottoprodotti tossici. Per la degradazione fotocatalitica intensa è stata considerata un approccio efficace e avanzato per rimuovere i coloranti dalle acque reflue grazie ai suoi vantaggi come il basso costo, la degradazione non selettiva e il funzionamento con la tecnologia di separazione convenzionale senza ulteriore inquinamento secondario13. Tra i diversi fotocatalizzatori semiconduttori sviluppati per la rimozione di contaminanti organici nelle acque reflue, le nanoparticelle di TiO2 (NP) sono state ampiamente utilizzate a causa della non tossicità, del basso costo e della disponibilità, dell'eccellente stabilità chimica e termica, dell'elevata attività catalitica e delle eccellenti proprietà di trasporto14,15 ,16. Tuttavia, le NP di TiO2 presentano alcuni inconvenienti che ne limitano l'uso reale come fotocatalizzatori per il trattamento delle acque reflue, tra cui l'agglomerazione, l'elevato tasso di ricombinazione delle coppie elettrone-lacuna fotogenerate e il difficile recupero dovuto alle dimensioni delle particelle più piccole17,18,19. Inoltre, l’energia intrinseca ad ampio gap di banda (3,23 eV) limita l’uso di NP di TiO2 per applicazioni di irradiazione solare20. Le NP bimetalliche Fe3O4@TiO2 (BFT) sono state ampiamente studiate per superare il problema della separazione o del recupero del TiO221. I fotocatalizzatori magnetici basati su NP Fe3O4 forniscono un metodo praticabile sul campo per recuperare le particelle magnetiche dai mezzi di reazione, nonché il possibile riutilizzo del catalizzatore. Inoltre, le NP magnetiche Fe3O4 hanno un magnetismo superiore, un'eccellente compatibilità, una bassa citotossicità nonostante un carico elevato e possono accelerare il trasferimento di elettroni fotoindotti tra (Fe3+, Fe2+) per aumentare l'attività fotocatalitica di TiO222,23.