Elettrodi Tessili: La Rivoluzione Flessibile per Acque Reflue Pulite

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi appassiona davvero: come possiamo usare la scienza dei materiali e un po’ di ingegno per affrontare un problema serio come l’inquinamento delle acque industriali, in particolare quelle cariche di coloranti. Avete mai pensato a quanto sia difficile e costoso ripulire quell’acqua colorata che esce dalle fabbriche tessili o alimentari? Beh, nel nostro gruppo di ricerca ci siamo messi al lavoro su un’idea un po’ fuori dagli schemi: usare degli elettrodi fatti di tessuto!

Perché proprio i tessuti?

Sembra strano, vero? Di solito pensiamo agli elettrodi come a pezzi di metallo rigidi. Ma i materiali con una grande superficie specifica (cioè tanta superficie in poco volume o massa) sono un po’ il Sacro Graal per noi scienziati dei materiali. Pensate a spugne, schiume metalliche, o appunto, ai tessuti di carbone attivo (TC). Questi tessuti hanno delle proprietà fantastiche:

• Sono incredibilmente versatili geometricamente.
• Hanno un rapporto area/massa e area/volume eccezionale.
• Sono relativamente semplici ed economici da produrre rispetto ad altre alternative.

Insomma, candidati perfetti per diventare i protagonisti di processi elettrochimici di depurazione. L’elettrochimica, applicata all’ambiente, ha un sacco di vantaggi: permette di rimuovere o degradare gli inquinanti in modo efficace, sfruttando al massimo l’energia, ed è un processo facile da controllare.

Il “doping” che fa la differenza: RGO e Nanoparticelle di Platino

Un tessuto di carbone attivo è già un buon punto di partenza, ma noi volevamo di più. Abbiamo pensato: come possiamo renderlo ancora più performante? Qui entra in gioco il grafene, o meglio, l’ossido di grafene ridotto (RGO). Il grafene è un materiale quasi magico, con proprietà elettriche e meccaniche incredibili. Partendo dall’ossido di grafene (GO), che è più economico, possiamo rivestire i nostri elettrodi tessili. Riducendolo elettrochimicamente a RGO, non solo evitiamo reagenti pericolosi, ma otteniamo un rivestimento uniforme che migliora:

• Stabilità del tessuto.
• Conduttività elettrica.
• Superficie specifica, ancora di più!

Ma non ci siamo fermati qui. Per dare una vera “turbo-spinta” all’attività elettrocatalitica, cioè alla capacità dell’elettrodo di far avvenire le reazioni di degradazione degli inquinanti, abbiamo aggiunto un secondo strato: minuscole nanoparticelle di platino (Pt), sempre depositate elettrochimicamente. Il platino è un catalizzatore eccezionale, e averlo in forma di nanoparticelle ben disperse sulla superficie dell’RGO massimizza l’area attiva disponibile per le reazioni. Abbiamo già visto in laboratorio (su piccola scala) che questa combinazione RGO-Pt funziona alla grande!

Nasce il Prototipo: Una Cella Elettrolitica su Misura per i Tessuti

Ok, bello avere elettrodi tessili super-performanti, ma come li usiamo in pratica per trattare grandi volumi di acqua? I reattori elettrochimici tradizionali non sono pensati per materiali flessibili come i tessuti. Serviva qualcosa di nuovo. E così, abbiamo progettato e brevettato (ES2900851 B2 / WO2023057669) un prototipo di cella elettrolitica specificamente pensato per i nostri elettrodi tessili.
Immaginatela così:

• Un serbatoio stagno dove avviene la magia (l’elettrolisi).
• Un sistema di pompaggio che fa circolare l’acqua reflua da trattare.
• All’interno, due elettrodi tessili (uno anodo, uno catodo) posizionati uno di fronte all’altro.
• Cruciale: ogni elettrodo tessile è appoggiato su una rete metallica conduttiva (in titanio, che è inerte). Questa rete fa due cose fondamentali: dà supporto meccanico al tessuto (che altrimenti non starebbe in forma) e distribuisce la corrente elettrica in modo uniforme su tutta la superficie.
• Il tutto collegato a un alimentatore che fornisce l’energia necessaria.

Il design è studiato per ottimizzare il flusso dell’acqua tra gli elettrodi (abbiamo scelto una geometria cilindrica coassiale) e, cosa fighissima, la stessa cella può essere usata anche per fare la modifica superficiale degli elettrodi (il deposito di RGO e Pt)! Questo semplifica tutto e rende la sostituzione o la “rigenerazione” degli elettrodi molto più pratica ed economica.

La Prova del Nove: L’Elettrolisi del Colorante Amaranto

Basta chiacchiere, passiamo ai fatti! Per validare il nostro prototipo, abbiamo scelto un “nemico” rappresentativo: il colorante Amaranto. È un colorante azoico, una classe molto comune e difficile da trattare nelle acque reflue industriali. Ha una struttura relativamente semplice, il che lo rende un buon modello per capire cosa succede.
Abbiamo preparato soluzioni di Amaranto e le abbiamo fatte circolare nel nostro prototipo, usando sia elettrodi di tessuto di carbone semplice (TC) sia quelli modificati con RGO e Pt (TC-RGO-Pt). Abbiamo anche testato l’effetto dell’aggiunta di cloruro di sodio (sale da cucina!) all’acqua, perché a volte la presenza di cloruri può aiutare le reazioni di ossidazione (ma può anche essere più aggressiva per gli elettrodi). Abbiamo lavorato sia a potenziale costante (potenziostatico) sia a corrente costante (galvanostatico), provando diverse intensità di corrente.

I Risultati: Decolorazione Efficace e Consumi Energetici Interessanti

E i risultati? Davvero incoraggianti! Abbiamo monitorato la scomparsa del colore (guardando l’assorbanza a 520 nm, il picco tipico dell’Amaranto) e la riduzione del carico organico totale (TOC) e della domanda chimica di ossigeno (COD), che sono misure standard dell’inquinamento organico.

Ecco cosa abbiamo scoperto:

• Decolorazione Raggiunta! Il nostro sistema funziona. Siamo riusciti a rimuovere il colore in tutti gli esperimenti, anche se con velocità e consumi diversi.
• Modifica RGO-Pt Vincente: Gli elettrodi TC-RGO-Pt si sono dimostrati generalmente più efficienti, specialmente a basse densità di corrente. Richiedono meno carica elettrica e meno tempo per ottenere la stessa decolorazione rispetto ai tessuti semplici.
• Effetto Cloruro: Aggiungere cloruro accelera notevolmente la decolorazione, probabilmente perché si formano specie ossidanti come il cloro attivo. Però, attenzione: aumenta anche il rischio di degradare l’elettrodo, specialmente ad alte correnti.
• Questione di Corrente: Lavorare a bassa densità di corrente (es. 0.2 mA/cm²) è risultato più efficiente dal punto di vista energetico e più “gentile” con gli elettrodi, anche se richiede più tempo. Ad alta densità di corrente (es. 2.0 mA/cm²), la decolorazione è rapidissima (anche pochi minuti!), ma il consumo energetico per unità di colorante rimosso è maggiore e gli elettrodi si usurano prima.
• Riduzione Inquinamento Organico: Oltre al colore, abbiamo visto una riduzione significativa del TOC (fino al 49% nelle fasi iniziali, ma arrivando vicino all’80% prolungando l’elettrolisi in condizioni ottimali) e del COD (fino al 37% iniziale, con valori più alti nel tempo). Anche qui, la presenza di Pt e cloruri sembra favorire una mineralizzazione più spinta (cioè la trasformazione degli inquinanti in sostanze innocue come CO2 e acqua).
• Consumo Energetico (EEO): Abbiamo calcolato l’energia elettrica necessaria per ridurre la concentrazione del colorante del 90% in un metro cubo d’acqua (EEO). I valori ottenuti variano tra 0.29 e 4.66 kWh/m³ a seconda delle condizioni. Il valore più basso (0.29 kWh/m³) è stato ottenuto con elettrodi TC-RGO-Pt in presenza di cloruro a bassa corrente: un risultato decisamente competitivo!

Abbiamo analizzato la cinetica del processo e visto che segue un andamento di pseudo-primo ordine, il che ci aiuta a prevedere come si comporterà il sistema in diverse condizioni. Le analisi statistiche (ANOVA) hanno confermato che la presenza di Pt e cloruri, così come la densità di corrente utilizzata, influenzano significativamente l’efficacia della depurazione, in particolare sulla riduzione del COD e del TOC.

Perché tutto questo è importante?

Il nostro prototipo basato su elettrodi tessili dimostra che è possibile trattare volumi significativi di acque reflue inquinate da coloranti in tempi ragionevoli e con un’efficienza energetica promettente. I vantaggi principali sono:

• Efficienza Elevata: Grazie all’enorme superficie offerta dai tessuti, specialmente se modificati.
• Compattezza: Il rapporto area/volume permette di progettare reattori più piccoli a parità di capacità di trattamento.
• Versatilità: Gli elettrodi tessili sono flessibili e adattabili.
• Costi Potenzialmente Inferiori: Sia per i materiali di base sia per la possibilità di modificare gli elettrodi “in casa”.
• Sostenibilità: Permette di depurare l’acqua per un possibile riutilizzo, con risparmio idrico ed economico e benefici ambientali.

Certo, c’è ancora lavoro da fare. Stiamo esplorando altri materiali di base (come carta di carbonio o feltro di titanio) e altri tipi di rivestimenti, ma i risultati ottenuti finora sono davvero entusiasmanti. Crediamo che questa tecnologia possa rappresentare un passo avanti significativo per rendere il trattamento delle acque reflue industriali più efficace, economico e sostenibile. È bello vedere come un’idea nata dalla combinazione di chimica, ingegneria e scienza dei materiali possa portare a soluzioni concrete per problemi ambientali reali!

Fonte: Springer