Inquinamento atmosferico: un materiale per pulire l’aria | Ecologia

Non è un segreto ormai che l’inquinamento atmosferico sia in continuo aumento e gli effetti si vedono sia sulla salute delle persone che sugli ecosistemi che risentono dei cambiamenti climatici. In alcune città, a causa della densa urbanizzazione, gli inquinanti prodotti dalle attività umane quotidiane come lo spostarsi in macchina o accendere il riscaldamento (e il condizionatore) toccano livelli talmente elevati da mettere a rischio la popolazione stessa e costringendo i comuni ad emettere delle restrizioni alla circolazione o adottare altre strategie per ridurre le emissioni. Ma è sempre più difficile riuscire a contenere questo fenomeno e si pensa a come pulire l’aria in modo efficiente.

Inquinamento atmosferico: cos’è?

Lo sentiamo nominare sempre più spesso dai mass media e nelle nostre conversazioni, ma che cos’è l’inquinamento atmosferico? A livello scientifico si definisce inquinante un fattore o una sostanza che altera la situazione di equilibrio dell’atmosfera nel nostro caso modificandone la sua composizione. In realtà questo non è sufficiente: infatti la composizione dell’atmosfera non è costante e varia nel tempo e nello spazio anche per via di processi naturali. Si sono quindi definiti degli standard di legge per misurare la qualità dell’aria allo scopo di evitare effetti nocivi su persone, animali e gli ecosistemi in generale.

Le sostanze responsabili dell’inquinamento atmosferico sono classificate in due categorie: gassosi e particolati. Dei primi fanno parte tutte quelle sostanza naturalmente gassose come i composti di zolfo, azoto e carbonio, IPA (Idrocarburi policiclici aromatici) e radicali (atomi o molecole particolarmente reattive); i particolati invece sono aerosol di particelle solide invisibili sospese nell’aria che possono penetrare e depositarsi nei tessuti degli esseri viventi creando gravi danni. Il cambiamento della composizione dell’atmosfera può portare a fenomeni di scala globale, come l’effetto serra o il buco nell’ozono, o anche locale, come le piogge acide, con gravi ripercussioni sull’ambiente e sulla salute umana.

Di certo la prevenzione è un’arma potente, ma non è sempre una soluzione compatibile con i nostri standard di vita. La tecnologia quindi spinge sempre più creare processi più puliti e per generare dei dispositivi per purificare l’ambiente e bonificare gli inquinanti.

Effetti dei particolati sul sistema respiratorio

Pulire l’aria: un materiale innovativo contro i gas di scarico

Un nuovo materiale avanzato sarebbe in grado di filtrare gli inquinanti prodotti dalla combustione di carburanti fossili catturandoli direttamente dall’aria, utilizzando solo acqua come “aiuto” esterno e convertendoli in sostanze chimiche riciclabili. Sono i risultati di una ricerca guidata dall’Università di Manchester su un materiale basato su metal-organic framework (MOF) e pubblicati su Nature Chemistry. Quest’ultimo è in grado di catturare in modo selettivo, reversibile e ripetibile, una tra le sostante più temibili – il diossido di azoto NO2 –  tra quelle che contribuiscono all’inquinamento atmosferico, prodotto principalmente dai motori diesel e a bio-combustibili. Il diossido di azoto, una volta catturato, può essere facilmente convertito in acido nitrico, uno tra composti chimici più comuni nel mondo dell’industria che trova applicazione nella produzioni di fertilizzanti, carburante per razzi e produzione di nylon. Vediamo più nel dettaglio di che cosa si tratta.

Acido nitrico reagisce con una moneta di rame

I MOF come filtri per pulire l’aria

I MOF sono materiali con strutture tridimensionali ad elevata porosità e possono intrappolare i gas all’interno, agendo come gabbie. Gli spazi vuoti all’interno dei MOF può arrivare a coprire il 90% del volume totale: pensate che solo un grammo di materiale può avere una superficie equivalente a un campo da calcio, un po’ quello che succedo per gli alveoli polmonari. Dopo aver sintetizzato il nuovo materiale MFM-520, i ricercatori hanno sfruttato poi lo scattering dei neutroni e la diffrazione dei raggi X del sincrotrone presso il Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy e il Berkeley National Laboratory per comprendere le caratteristiche del nuovo materiale scoperto. Il team ha anche utilizzato il servizio nazionale per la spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica a Manchester per studiare il meccanismo di assorbimento di NO2 nell’MFM-520. I risultati ottenuti potrebbero portare a sviluppare nuove tecnologie per il controllo dell’inquinamento atmosferico e per la progettazione di impianti in grado di pulire l’aria.

Struttura di un MOF

MFM-520 può catturare il diossido di azoto anche in condizioni di temperatura e pressione naturali, anche a basse concentrazione e durante l’emissione, in presenza di umidità, anidride solforosa e anidride carbonica. Nonostante l’elevata reattività della sostanza inquinante – che poi è anche il motivo della sua pericolosità -, il nuovo materiale sembra in grado di rigenerarsi dopo averlo assorbito per un numero elevato di cicli  semplicemente degassandolo o trattandolo con acqua e ottenendo il prezioso acido nitrico che poi può essere riutilizzato. Il Dott. Sihai Yang, autore principale e docente senior presso il Dipartimento di Chimica dell’Università di Manchester, afferma:

Questo è il primo MOF a catturare e convertire un inquinante atmosferico gassoso in un prodotto industriale utile. È anche interessante che il più alto tasso di assorbimento di NO2 da parte di questo MOF si verifichi a circa 45 gradi centigradi, che è circa la temperatura degli scarichi delle automobili.

Mentre il professore e vicepresidente della facoltà di scienze e ingegneria dell’Università di Manchester, Martin Schröder, il secondo autore principale dello studio, ha dichiarato:

Il mercato globale dell’acido nitrico nel 2016 è stato di $ 2,5 miliardi di dollari, quindi c’è molto di potenziale per i produttori di questa tecnologia MOF per recuperare i loro costi e trarre profitto dalla produzione di acido nitrico risultante. Soprattutto dal momento che gli unici additivi richiesti sono acqua e aria.

Per portare a termine la ricerca, gli scienziati hanno utilizzato la spettroscopia di neutroni e le tecniche computazionali all’ORNL per caratterizzare con precisione il modo in cui MFM-520 cattura le molecole di biossido di azoto. Timmy Ramirez-Cuesta, coautore e coordinatore dell’iniziativa di chimica e catalisi presso la direzione delle scienze neutrali dell’ORNL spiega:

Questo progetto è un eccellente esempio di utilizzo della scienza dei neutroni per studiare la struttura e l’attività delle molecole all’interno dei materiali porosi. Grazie al potere risolvente dei neutroni, abbiamo monitorato il modo in cui le molecole di biossido di azoto si sono sistemate e si sono spostate all’interno dei pori del materiale e abbiamo studiato gli effetti che hanno avuto sull’intera struttura MOF.

Infine Jiangnan Li, dottorando presso l’Università di Manchester e primo autore dello studio conclude:

La caratterizzazione del meccanismo responsabile dell’elevato e rapido assorbimento di NO2 accelererà i progetti futuri di materiali migliorati per catturare gli inquinanti atmosferici.

Funzionamento di MFM-520

Ottenere dei materiali prestanti per pulire l’aria è una delle sfide per combattere l’inquinamento atmosferico e pulire l’aria in modo efficiente. Uno dei principali problemi da affrontare è la bassa densità degli inquinanti nell’aria e l’interazione tra diverse molecole – tra cui l’acqua – che poteva rendere difficile la selezione. In secondo luogo era necessario rimuovere e convertire gli inquinanti in sostanze inerti in modo sicuro. MFM-520 è il primo materiale che riesce a far fronte a queste e sfide e la sua completa caratterizzazione speriamo possa portare allo sviluppo di altri materiali innovativi per contribuire alla lotta all’inquinamento atmosferico. Dalla sezione scienze è tutto! Continuate a seguirci per tante altre news ed approfondimenti!