Acque Reflue Addio Veleni! La Scommessa Vinta del Ferro e dell’Ozono Contro il Fosforo Organico

Amici appassionati di scienza e ambiente, oggi voglio raccontarvi una storia che ha del rivoluzionario, una di quelle scoperte che ti fanno dire: “Wow, la chimica è davvero pazzesca!”. Parliamo di un nemico invisibile ma insidioso che si annida nelle acque reflue di alcune industrie, in particolare quelle conciarie: il tetrakis(idrossimetil)fosfonio solfato, o più amichevolmente (si fa per dire!) THPS. Sembra un nome da cattivo dei fumetti, e in effetti un po’ lo è: si tratta di un conservante e fungicida che, una volta rilasciato nell’ambiente, può creare non pochi grattacapi sia agli ecosistemi acquatici che alla nostra salute. Ma non temete, perché un team di scienziati ha messo a punto un sistema che promette di dargli una bella lezione!

Il Problema THPS: Un Osso Duro da Rodere

Immaginate le concerie, luoghi dove le pelli vengono trasformate in cuoio. Un processo affascinante, ma che richiede l’uso di diverse sostanze chimiche. Il THPS è una di queste, e finisce inevitabilmente nelle acque di scarico. Il problema? È un composto organico del fosforo (OPs) piuttosto testardo: è tossico, si degrada lentamente e tende ad accumularsi negli organismi viventi. Questo significa inquinamento idrico e un eccessivo arricchimento di fosforo nelle acque, un fenomeno che può portare a conseguenze ecologiche spiacevoli, come la proliferazione incontrollata di alghe.

Fino ad oggi, trattare le acque contaminate da THPS non è stata una passeggiata. Metodi come l’osmosi inversa o l’ossidazione a umido funzionano per alte concentrazioni, ma hanno costi operativi elevati e condizioni di reazione molto stringenti, limitandone l’applicazione su larga scala. C’era bisogno, insomma, di qualcosa di più semplice, efficiente e sostenibile.

L’Idea Geniale: Ferro a Valenza Zero e Ozono (mZVI/O₃)

Ed è qui che entra in gioco la nostra soluzione innovativa: il processo che combina ferro a valenza zero su microscala (mZVI) e ozono (O₃). Sentite già l’odore di vittoria? Beh, dovreste! Questo sistema si è dimostrato nettamente superiore ai metodi tradizionali. Pensate che, confrontato con l’uso di mZVI da solo, di ozono da solo, o di sistemi Fe²⁺/O₃ e Fe³⁺/O₃, il nostro mZVI/O₃ ha mostrato un’efficienza di rimozione del fosforo totale (TP), del fosforo organico (OP) e della domanda chimica di ossigeno (COD) da far impallidire la concorrenza.

Ma come si è arrivati a questa formula magica? Attraverso una serie di esperimenti, ottimizzando i parametri operativi chiave. Immaginatevi in laboratorio, a giocare con il pH iniziale della soluzione, la quantità di mZVI da aggiungere, la concentrazione di ozono e persino la velocità di agitazione. Un lavoro certosino che ha portato a risultati strabilianti: in condizioni ottimali, il sistema mZVI/O₃ è riuscito a rimuovere il 97.10% del fosforo totale, il 97.31% del fosforo organico e l’81.56% del COD in soli 20 minuti! Roba da non credere, vero?

Ma Come Funziona Esattamente Questa Magia?

Ora vi starete chiedendo: qual è il trucco? Come fa questa accoppiata ferro-ozono a essere così efficace? Beh, non è magia, ma chimica sopraffina! Sulla base dei risultati sperimentali e delle analisi di caratterizzazione, abbiamo scoperto che la degradazione del THPS avviene principalmente attraverso una combinazione di due meccanismi:

• Ossidazione (circa il 60.37%): L’ozono è un ossidante potente di per sé, ma il ferro a valenza zero e i suoi prodotti di corrosione (come gli ioni Fe²⁺ e Fe³⁺) agiscono da catalizzatori, potenziando l’azione dell’ozono. Questo porta alla formazione di radicali idrossilici (HO•), che sono ancora più aggressivi e capaci di spezzettare le molecole di THPS, trasformando il fosforo organico in fosforo inorganico (IP), molto più facile da gestire.
• Flocculazione (circa il 39.63%): Mentre il ferro si corrode, forma idrossidi di ferro (come Fe(OH)₂ e Fe(OH)₃) e ossidi di ferro. Queste sostanze agiscono come dei “fiocchi” che intrappolano e fanno precipitare sia il fosforo organico parzialmente degradato sia il fosforo inorganico formatosi durante l’ossidazione. È un po’ come usare una rete a strascico per raccogliere gli inquinanti.

Le analisi SEM (microscopia elettronica a scansione) hanno mostrato che le particelle di mZVI, inizialmente lisce e spugnose, dopo la reazione si ricoprono di prodotti di corrosione di forma irregolare, segno della loro attiva partecipazione al processo. L’analisi EDS ha confermato un aumento del contenuto di ossigeno e la presenza di fosforo sulla superficie delle particelle post-reazione, indicando l’adsorbimento e la formazione di composti fosfato di ferro. Anche le analisi XRD e XPS hanno confermato la formazione di ossidi e idrossidi di ferro, e la presenza di composti insolubili di fosforo e ferro nei flocculi.

Un aspetto cruciale è stato monitorare la concentrazione degli ioni ferro (Fe²⁺ e Fe³⁺) nel tempo. Abbiamo osservato un rapido aumento iniziale di Fe³⁺, dovuto all’ossidazione del Fe⁰ (mZVI) e del Fe²⁺ da parte dell’ozono. Successivamente, la concentrazione di Fe³⁺ si stabilizza, poiché questi ioni partecipano a reazioni di idrolisi formando i precipitati flocculanti.

Non Solo Teoria: La Prova del Nove su Acque Reflue Reali!

Bello, direte voi, ma funziona anche fuori dal laboratorio, con le acque reflue vere, quelle “sporche” e complesse che escono dalle industrie? La risposta è un sonoro SÌ! Il sistema mZVI/O₃ ha dimostrato prestazioni eccezionali anche su diversi campioni di acque reflue industriali reali, non solo quelle conciarie contenenti THPS, ma anche acque reflue ad alto contenuto di zolfo, quelle provenienti dall’industria carbochimica e persino quelle da esplosivi primari.

Prendiamo ad esempio le acque reflue conciarie: in 60 minuti, abbiamo ottenuto una rimozione del COD del 73.73% e del TOC (carbonio organico totale) del 67.94%. Ma non è tutto! Un parametro importantissimo è il rapporto B/C (domanda biochimica di ossigeno / domanda chimica di ossigeno), che indica la biodegradabilità dell’acqua. Bene, questo rapporto è passato da un misero 0.12 a un promettente 0.45, significa che l’acqua trattata è diventata molto più “digeribile” per i batteri depuratori, facilitando ulteriori trattamenti biologici. Anche la cromaticità dell’acqua è diminuita drasticamente, passando da 150 a 50, un risultato visibile a occhio nudo!

Risultati simili, con ottime percentuali di rimozione di COD, TOC e un significativo aumento del rapporto B/C, sono stati osservati anche per le altre tipologie di acque reflue testate. Ad esempio, per le acque carbochimiche, il COD è sceso del 73.60% e il rapporto B/C è schizzato da 0.18 a 0.58! Questo dimostra la versatilità e la robustezza del nostro processo.

Le analisi spettrofotometriche UV-Vis hanno confermato la degradazione degli inquinanti, mostrando la scomparsa dei picchi di assorbimento caratteristici delle sostanze originali. In alcuni casi, è comparsa una nuova banda di assorbimento a lunghezze d’onda diverse, suggerendo la formazione di intermedi di reazione come aldeidi o acidi, che comunque rappresentano un passo avanti verso la mineralizzazione completa.

Un Futuro Più Pulito Grazie a Ferro e Ozono

Cosa ci dice tutto questo? Che abbiamo tra le mani un metodo robusto, economico e rispettoso dell’ambiente per affrontare il problema degli inquinanti organofosforati come il THPS. Il processo mZVI/O₃ non solo elimina efficacemente questi composti, ma migliora anche la biodegradabilità generale delle acque reflue industriali, aprendo la strada a trattamenti successivi più efficienti.

Questa ricerca, quindi, non si limita a proporre una soluzione elegante a un problema specifico, ma offre una speranza concreta per applicazioni pratiche su larga scala nel trattamento delle acque reflue. È un passo avanti significativo verso un’industria più sostenibile e un ambiente più pulito per tutti noi. E tutto questo, grazie alla sorprendente sinergia tra delle semplici particelle di ferro e le bollicine di ozono. A volte, le soluzioni più efficaci sono proprio sotto il nostro naso, o meglio, nel nostro laboratorio!

Fonte: Springer