Acqua Pulita con un Tocco di Magia High-Tech: Dico Addio agli Antibiotici Nascosti!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di una sfida che mi sta particolarmente a cuore e che, ne sono certo, tocca le corde di molti di voi: l’acqua che beviamo. Sembra una cosa scontata, apri il rubinetto e via. Ma vi siete mai chiesti cosa si nasconde, a volte, in quel liquido così prezioso? Tra i vari “ospiti indesiderati”, ci sono anche gli antibiotici. Sì, avete capito bene! Farmaci come il metronidazolo (MZ) e la penicillina G (PG) finiscono spesso nei nostri sistemi idrici, e questa non è affatto una buona notizia.

La loro presenza, anche in piccole quantità, può creare un bel po’ di scompiglio. Pensate al nostro microbiota intestinale, quell’universo di batteri buoni che ci aiuta a stare bene: l’ingestione involontaria di antibiotici può disturbarlo. E non solo: c’è il rischio, serissimo, di favorire la nascita di batteri super-resistenti, quelli che se ne fregano degli antibiotici tradizionali, rendendo le cure molto più difficili. Un bel grattacapo per la salute pubblica globale, non trovate?

Ma da dove arrivano questi antibiotici nell’acqua?

Le fonti sono diverse: scarichi industriali e domestici, rifiuti degli ospedali, allevamenti intensivi e persino l’acquacoltura. E c’è di più: quando noi o gli animali assumiamo antibiotici, non li metabolizziamo completamente. Una parte viene espulsa con urine e feci, finendo dritta nell’ambiente. Insomma, un circolo vizioso che dobbiamo assolutamente interrompere. Per questo, nel mio laboratorio (virtuale, per così dire, quando vi racconto queste storie!) ci siamo messi all’opera per trovare una soluzione efficace e sostenibile.

La nostra missione: “acchiappare” gli antibiotici

Esistono vari metodi per eliminare gli antibiotici dall’acqua: membrane filtranti, fotocatalisi, ossidazione avanzata… ma noi ci siamo concentrati sull’adsorbimento. Immaginatelo come una sorta di “carta moschicida” molecolare: un materiale speciale che attira e trattiene gli inquinanti. È un metodo relativamente semplice, economico e selettivo. Il problema, a volte, è recuperare questo materiale adsorbente dall’acqua e, soprattutto, poterlo riutilizzare più volte. Perché un materiale, per essere davvero “sostenibile”, deve essere efficiente a lungo, non credete?

Ecco che entra in gioco la nostra idea: utilizzare la ferrite di cromo (CrFe2O4). Questo materiale ha proprietà magnetiche fantastiche, il che significa che potremmo separarlo facilmente dall’acqua con una calamita dopo l’uso. Piccolo, stabile e facile da modificare. C’è un però: le ferriti tendono ad agglomerarsi, a “fare gruppo”, e questo ne riduce l’efficacia. Come risolvere?

L’unione fa la forza: CrFe2O4 incontra MOF-5

Per minimizzare l’agglomerazione e aumentare la superficie “acchiappa-tutto” della nostra ferrite di cromo, abbiamo pensato di combinarla con un altro materiale pazzesco: un Metal-Organic Framework, o MOF. Nello specifico, abbiamo scelto il MOF-5. I MOF sono come delle spugne molecolari, con una struttura porosa incredibilmente vasta e una grande stabilità termica. Sono eccellenti per catturare sostanze organiche dall’acqua. Certo, il MOF-5 da solo non ama molto l’acqua, ma abbiamo scoperto che incorporando nanoparticelle (come la nostra ferrite di cromo) la sua idrofobicità migliora parecchio.

Così è nato il nostro “supereroe”: il composito CrFe2O4@MOF-5. Unendo le proprietà magnetiche del CrFe2O4 con la grande area superficiale e la struttura porosa del MOF-5, abbiamo ottenuto un materiale con una performance di adsorbimento potenziata e, allo stesso tempo, facile da separare dalla soluzione. E la cosa bella è che sia il MOF-5 che la ferrite di cromo si possono preparare con reagenti facilmente reperibili e a costi contenuti, senza richiedere processi energivori. Una vera chicca, se pensate che, a quanto ci risulta, nessuno aveva ancora pubblicato studi sulla sintesi di CrFe2O4@MOF-5 per rimuovere metronidazolo e penicillina G dall’acqua!

Come abbiamo “cucinato” il nostro campione

La sintesi del CrFe2O4 è stata abbastanza diretta: abbiamo mescolato soluzioni di cloruro di cromo (CrCl3), acido oleico e cloruro ferrico (FeCl3), mantenendo la temperatura a 70°C. Poi, goccia a goccia, abbiamo aggiunto una soluzione di idrossido di sodio (NaOH) fino a formare un precipitato nero. Dopo aver filtrato e lavato il tutto, abbiamo essiccato il precipitato in forno e poi in muffola a 550°C per 18 ore. Et voilà, la nostra ferrite di cromo era pronta!

Per il MOF-5, abbiamo mescolato acetato di zinco diidrato, acido tereftalico e trietilammina a temperatura ambiente per 24 ore, ottenendo un precipitato bianco. Anche questo è stato filtrato, lavato ed essiccato.

E il gran finale: la creazione del composito CrFe2O4@MOF-5. Abbiamo sciolto il MOF-5 in trietilammina, portato a riflusso a 70°C, aggiunto le particelle di CrFe2O4 e continuato il riflusso per altre due ore. Dopo aver raffreddato, filtrato e lavato abbondantemente, abbiamo essiccato il nostro nuovo materiale composito. Un processo che, seppur descritto in poche righe, richiede precisione e pazienza!

Sotto la lente d’ingrandimento: cosa ci dicono le analisi?

Una volta pronti i nostri materiali (CrFe2O4 da solo e il composito CrFe2O4@MOF-5), li abbiamo sottoposti a una serie di test per capirne le caratteristiche.

• L’analisi termogravimetrica (TGA) ci ha mostrato come si comportano al variare della temperatura, rivelando perdite di massa in diverse fasi, indicative della perdita di acqua adsorbita, della decomposizione di componenti organiche e della formazione finale degli ossidi metallici.
• L’analisi BET, che misura l’area superficiale, è stata illuminante: il CrFe2O4 aveva un’area di 40.94 m² g⁻¹, mentre il nostro CrFe2O4@MOF-5 saliva a 59.76 m² g⁻¹! Un bel miglioramento, dovuto proprio all’apporto del MOF-5, che da solo presentava un’area di 94.39 m² g⁻¹. Anche il volume e la dimensione dei pori sono aumentati nel composito, suggerendo una migliore funzionalità superficiale. Questi dati ci dicono che i materiali sono macroporosi, il che è ottimo per l’adsorbimento.
• Le immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) hanno rivelato superfici eterogenee per entrambi i materiali, con particelle di forme e dimensioni diverse nel caso del composito. L’analisi EDX ha confermato la presenza degli elementi attesi: Cr, Fe, O, e, nel caso del composito e del MOF-5, anche C e Zn.
• Gli spettri FTIR (spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier) hanno identificato i gruppi funzionali presenti, confermando i legami tipici della ferrite (O-Fe-O, Fe-O, Cr-O) e, nel composito, segnali aggiuntivi provenienti dalla struttura del MOF-5 (vibrazioni C-O, stiramenti dell’anello aromatico, legame Zn-O).

Il momento della verità: la rimozione degli antibiotici

Abbiamo messo alla prova CrFe2O4 e CrFe2O4@MOF-5 con soluzioni acquose contenenti metronidazolo (MZ) e penicillina G (PG). E i risultati sono stati entusiasmanti! Il nostro composito CrFe2O4@MOF-5 ha mostrato un’affinità decisamente maggiore per la penicillina G (91.67 mg g⁻¹) rispetto al CrFe2O4 da solo (53.82 mg g⁻¹). Stessa storia per il metronidazolo: 90.24 mg g⁻¹ per il composito contro i 50.41 mg g⁻¹ della ferrite semplice. Questa performance superiore è sicuramente legata alla maggiore area superficiale del nostro “campione”.

Abbiamo anche studiato come variano le prestazioni cambiando la concentrazione degli antibiotici, la quantità di adsorbente e il pH della soluzione. Ad esempio, per il CrFe2O4@MOF-5, l’efficienza massima nella rimozione di entrambi gli antibiotici si è avuta a pH 7. Questo perché a pH inferiori o uguali a 7, la superficie del nostro materiale è carica positivamente e attira gli antibiotici, che in soluzione presentano cariche negative. Un’interazione elettrostatica, insomma, a cui si aggiunge la diffusione degli antibiotici nei pori del materiale.

Capire il meccanismo: isoterme e cinetica

Per capire meglio come avviene l’adsorbimento, abbiamo applicato dei modelli matematici ai nostri dati. I modelli di Langmuir e Freundlich sono quelli che meglio descrivono il processo di rimozione di MZ e PG da parte del CrFe2O4@MOF-5. Questo suggerisce che l’adsorbimento avviene sia con la formazione di un singolo strato di molecole sulla superficie (monostrato, come descritto da Langmuir) sia con la formazione di più strati (multistrato, come per Freundlich). Questa “doppia natura” potrebbe essere dovuta alla varietà di gruppi funzionali presenti sulla superficie del composito e alla sua morfologia eterogenea.

Anche la temperatura gioca un ruolo: aumentando la temperatura da 30 a 50°C, la capacità di adsorbimento è cresciuta, indicando un processo prevalentemente endotermico (cioè che assorbe calore), anche se per la PG con il composito abbiamo notato un comportamento esotermico. In ogni caso, l’energia libera di Gibbs (∆G) è risultata negativa a tutte le temperature, il che significa che il processo di adsorbimento è spontaneo. Buone notizie!

E dopo l’uso? Si può rigenerare!

Un aspetto cruciale è la possibilità di riutilizzare l’adsorbente. Abbiamo testato diversi solventi per “staccare” gli antibiotici dal nostro materiale e rigenerarlo. Il metanolo (CH3OH) si è rivelato il migliore, con una capacità di desorbimento superiore al 90%. E la cosa ancora più bella è che il CrFe2O4@MOF-5 ha mostrato un’eccellente capacità di rigenerazione: anche dopo 10 cicli di utilizzo e rigenerazione, la sua performance si è mantenuta sopra il 90%! Questo è un enorme vantaggio in termini di sostenibilità ed economia del processo.

Confrontando i nostri risultati con quelli di altri adsorbenti riportati in letteratura, il CrFe2O4@MOF-5 se la cava egregiamente, superando molti materiali noti per la rimozione di MZ e PG, sia in termini di capacità adsorbente che di rigenerabilità.

Conclusioni (e speranze per il futuro)

Questo studio, amici miei, ci ha dimostrato che il composito CrFe2O4@MOF-5 è un candidato davvero promettente per decontaminare le acque inquinate da metronidazolo e penicillina G. La sua maggiore area superficiale, l’ottima capacità di adsorbimento, la facilità di separazione grazie alle proprietà magnetiche e, non da ultimo, la sua eccellente rigenerabilità lo rendono una soluzione potenzialmente sostenibile ed efficace.

Certo, la strada è ancora lunga per passare dal laboratorio all’applicazione su larga scala, ma ogni passo avanti nella ricerca ci avvicina a un futuro in cui l’acqua pulita e sicura sia una realtà per tutti. E io sono entusiasta di poter contribuire, anche solo con queste scoperte, a un mondo un po’ più pulito!

Fonte: Springer