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Usare la luce per disinfettare l'acqua
L'accesso all'acqua potabile è un problema costante per le persone nei paesi in via di sviluppo. E anche le città che dispongono di buoni sistemi di trattamento dell'acqua sono alla ricerca di modi migliori per fornire acqua più sicura e pulita. Ora un team di ricerca internazionale ha sviluppato un fotocatalizzatore che promette una disinfezione dell'acqua rapida ed efficace utilizzando la luce solare o artificiale. Inoltre, il fotocatalizzatore continua a funzionare anche dopo lo spegnimento della luce, disinfettando l'acqua anche al buio.
Venendo pulito: Una micrografia mostra la superficie di un catalizzatore attivato dalla luce che disinfetta l'acqua anche al buio. Le nanoparticelle di palladio sulla superficie di un ossido di titanio drogato con azoto aiutano ad estendere il potere di disinfezione del catalizzatore fino a 24 ore.
È noto da tempo che l'irradiazione dell'acqua con luce ultravioletta ad alta intensità uccide i batteri. Alcuni filtri per l'acqua realizzati per camper ed escursionisti, ad esempio, utilizzano questa tecnologia. I ricercatori hanno lavorato per migliorare l'efficacia del metodo aggiungendo un fotocatalizzatore che viene attivato dalla luce UV e genera composti chimici reattivi che scompongono i microbi in anidride carbonica e acqua.
Il nuovo fotocatalizzatore migliora ciò utilizzando la luce visibile, anziché UV. Sintetizzato da Jian-Ku Shang , professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università dell'Illinois, Urbana-Champaign, e i suoi colleghi, il fotocatalizzatore lavora con la luce nello spettro visibile, con lunghezze d'onda comprese tra 400 e 550 nanometri. È costituito da fibre di ossido di titanio, un materiale comune utilizzato come pigmento bianco, drogato con azoto per assorbire la luce visibile. Da solo, l'ossido di titanio drogato con azoto uccide i batteri, anche se non in modo efficiente. I ricercatori hanno aggiunto nanoparticelle di palladio alla superficie delle fibre, aumentando notevolmente l'efficienza della disinfezione. Lui e i suoi colleghi dello Shenyang National Laboratory for Materials Sciences in Cina hanno pubblicato il loro lavoro online nel Journal of Materials Chemistry .
Sarebbe molto bello spostare l'attività dei materiali tradizionali [fotocatalizzatori], che sono stati attivati solo dalla radiazione ultravioletta, al visibile, afferma Alexander Orlov, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la Stony Brook University di New York. Se osservi gli spettri solari, contiene solo il 5% di ultravioletti e circa il 46 di visibile. Tali fotocatalizzatori consentirebbero di utilizzare l'energia solare in modo più efficiente e di essere utilizzata all'interno, poiché l'illuminazione fluorescente contiene pochissima luce ultravioletta.
Shang e i suoi colleghi hanno testato il fotocatalizzatore ponendolo in una soluzione contenente un'alta concentrazione di E. coli batteri e poi illuminare la soluzione con una lampada da scrivania alogena per periodi di tempo variabili. Dopo un'ora, la concentrazione di batteri è scesa da 10 milioni di cellule per litro a una sola cellula per 10.000 litri.
I ricercatori hanno anche testato la capacità del fotocatalizzatore di disinfettare al buio. Hanno illuminato le fibre per 10 ore per simulare l'esposizione alla luce del giorno e poi le hanno conservate al buio per varie volte. Anche dopo 24 ore, il fotocatalizzatore uccideva ancora i batteri. Infatti sono bastati pochi minuti di illuminazione per mantenere attivo il fotocatalizzatore fino a quel tempo.
In genere, quando si dispone di un fotocatalizzatore, l'attività si interrompe quasi istantaneamente quando la luce viene spenta, afferma Shang. Le specie chimiche che generi dureranno solo pochi nanosecondi. Questo è un inconveniente intrinseco di un sistema fotocatalitico, poiché è necessaria l'attivazione della luce essenzialmente in ogni momento.
Le nanoparticelle di palladio aumentano la potenza del fotocatalizzatore in due modi. Quando i fotoni colpiscono il materiale, creano coppie di cariche positive e negative: lacune ed elettroni. I fori caricati positivamente sulla superficie dell'ossido di titanio drogato con azoto reagiscono con l'acqua per produrre radicali idrossili, che poi attaccano i batteri. Quello che fanno le nanoparticelle di palladio è catturare gli elettroni in modo che la maggior parte dei buchi che produci sarà in grado di sopravvivere senza essere neutralizzata dagli elettroni, dice Shang.
Non appena catturano gli elettroni, le nanoparticelle entrano in uno stato chimico diverso e immagazzinano le cariche negative. Quando la luce è spenta, quella carica viene rilasciata lentamente, e quel lento rilascio è ciò che ci dà quell'effetto memoria, dice Shang. Quella carica può reagire con le molecole d'acqua per produrre nuovamente agenti ossidanti. Dice che anche le nanoparticelle di altri metalli di transizione, come l'argento, migliorano l'efficacia del fotocatalizzatore.
Il fotocatalizzatore offre la possibilità di disinfettare a piena potenza durante il giorno per poi continuare a lavorare di notte o durante le interruzioni di corrente. Inoltre, poiché la disinfezione avviene rapidamente, i sistemi potrebbero essere progettati per pulire grandi volumi d'acqua esponendola alla luce mentre l'acqua scorre attraverso i tubi, afferma Shang.