Purificazione delle acque, i ricercatori cinesi hanno scoperto che il biochar distrugge attivamente gli inquinanti donando loro elettroni

Sappiamo ormai da tempo che il biochar – un particolare carbone vegetale che si ottiene tramite pirolisi a basso contenuto di ossigeno – purifica l’acqua assorbendo gli inquinanti, come farebbe una spugna, oppure assistendo altre sostanze chimiche nella loro degradazione, agendo cioè da catalizzatore.

Oggi, però, grazie alla nuova ricerca del team del Dott. Yuan Gao della Dalian University of Technology, sappiamo che fa molto di più: i ricercatori hanno infatti scoperto che questo carbone vegetale distrugge attivamente gli inquinanti tramite il trasferimento diretto di elettroni. Una capacità che, secondo lo studio, può rappresentare fino al 40% dell’efficacia depurativa del biochar.

La scoperta: il biochar distrugge attivamente gli inquinanti

Cibo miracoloso per gli animali, ammendante per il terreno, additivo carbon-negative per cemento e altri materiali da costruzione: sempre più settori stanno scoprendo il potenziale del biochar, una sostanza simile al carbone prodotta dalla pirolisi di rifiuti di biomassa in condizioni di basso contenuto di ossigeno. Tra le altre cose, questo carbone vegetale è in grado di purificare l’acqua dagli inquinanti, ed è per questo molto diffuso nel trattamento delle acque reflue e per il ripristino di terreni contaminati.

Quello che non sapevamo, almeno fino a poco tempo fa, è che questo materiale non si limita ad assorbire gli inquinanti come una spugna, ma li distrugge attivamente. Finora, spiegano i ricercatori della Dalian University of Technology, i materiali biochar sono stati utilizzati principalmente in due campi, ovvero come adsorbenti o catalizzatori per la degradazione degli inquinanti. E sappiamo che le sue prestazioni, in queste due applicazioni specifiche, dipendono essenzialmente da proprietà fisico-chimiche come la struttura porosa, il grado di grafitizzazione e i gruppi funzionali superficiali.

La stragrande maggioranza delle ricerche attribuisce la sua elevata capacità di rimozione degli inquinanti organici all’adsorbimento. Il team del Dott. Yuan Gao, però ha scoperto che il biochar distrugge attivamente gli inquinanti grazie al trasferimento di elettroni. Un processo finora sconosciuto che, secondo lo studio pubblicato sulla rivista Carbon Research, può rappresentare da solo il 40% del potere filtrante del biochar.

Il potere segreto del biochar: il trasferimento di elettroni

Quello che ci era sfuggito per anni, il “segreto” di questo carbone vegetale così versatile e potente, è nel trasferimento di elettroni. Nella nuova ricerca, il Dott. Gao e il suo team hanno dimostrato che il biochar è un donatore di elettroni, e che questa capacità deriva principalmente dai gruppi funzionali O-H e C-O.

I gruppi O-H, spiegano, potrebbero agire come donatori di elettroni e formare legami a idrogeno con atomi elettronegativi presenti in inquinanti o molecole d’acqua, riducendo le distanze e quindi facilitando la cessione di elettroni agli inquinanti. Contemporaneamente, i gruppi C-O potrebbero partecipare al trasferimento di elettroni attraverso interazioni elettrostatiche o legami a idrogeno, sfruttando l’elettronegatività degli atomi di ossigeno. Anche la struttura del carbonio influenza molto l’azione degradante del biochar: migliore è la struttura, maggiore è il flusso di elettroni – spiegano i ricercatori.

Uno degli aspetti più interessanti della scoperta riguarda i potenziali benefici per le applicazioni pratiche: i test, infatti, hanno dimostrato che il biochar ha mantenuto il suo potere di degradazione diretta stabile (quasi al 100%) anche dopo cinque cicli di riutilizzo. Usato come adsorbente, il materiale perde di efficacia con il tempo, perciò va regolarmente rigenerato o smaltito. Un problema che nella degradazione diretta non si pone.

“Il biochar è stato sottovalutato. Non è solo una spugna: è una batteria, un conduttore e un degradatore, tutto in uno. Stiamo appena iniziando a sfruttarne il vero potenziale”,

afferma il Dott. Gao.

Biochar: limiti e prospettive della degradazione diretta

La nuova scoperta potrebbe rivoluzionare il modo in cui utilizziamo il carbone vegetale nel trattamento delle acque reflue, aprendo la strada a processi più ecologici ed economici. Inoltre, spiegano i ricercatori, rendendo più chiara la differenza tra adsorbimento, degradazione diretta e degradazione indiretta (catalitica), questo studio apre la strada a una progettazione del biochar più efficiente, capace di adattarsi alle crisi idriche del mondo reale.

La degradazione diretta tramite biochar presenta ancora delle sfide: innanzitutto, si legge nella ricerca, è improbabile che la degradazione diretta copra tutti gli inquinanti organici di recente introduzione (sappiamo per esempio che con i PFAS non ha un grande successo). C’è poi la questione dell’ossigeno disciolto in acqua, che può competere con gli inquinanti organici per accaparrarsi gli elettroni del carbone e ridurre così l’efficienza del processo anche fino al 70%.

Nei contesti reali, le acque reflue sono estremamente complesse, possono per esempio contenere materia organica umida e metalli pesanti, che possono interferire con qualunque processo di purificazione. La nuova scoperta, però, ci avvicina a metodi di trattamento delle acque più economici, più efficienti e più ecologici.

Ecco tre approfondimenti che potrebbero interessarti:

Microrganismi che possono nutrirsi di PFAS: la scoperta
Un nuovo metodo per la degradazione dei forever chemicals
Il Sacro Graal della chimica verde: fluorochimici privi di tossicità