Un polimero di origine biologica offre un'opzione sostenibile per la bonifica dei "prodotti chimici persistenti". / Bio-Based Polymer Offers Sustainable Option for “Forever Chemicals” Cleanup
Un polimero di origine biologica offre un'opzione sostenibile per la bonifica dei "prodotti chimici persistenti". / Bio-Based Polymer Offers Sustainable Option for “Forever Chemicals” Cleanup
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
I ricercatori hanno sviluppato una nuova membrana polimerica di origine biologica in grado di intrappolare efficacemente oltre il 94% dell'acido perfluorottanoico (PFOA), una nota "sostanza chimica persistente", e di rimuoverla dall'acqua.
La membrana, composta da una rete di miliardi di nanofibre, può quindi essere trattata termicamente per rimuovere gli inquinanti intrappolati prima di essere riprocessata e riutilizzata per depurare altra acqua. Questo la rende un'opzione più sostenibile per il trattamento delle acque, affermano i ricercatori, poiché altri metodi convenzionali spesso richiedono la sostituzione completa o generano quantità significative di rifiuti secondari.
I pericoli dei PFAS nell'acqua
Le "sostanze chimiche eterne", note anche come sostanze perfluoroalchiliche (PFAS), costituiscono una classe di sostanze chimiche ampia e diversificata, caratterizzata da legami carbonio-fluoro estremamente forti. Questa caratteristica permette loro di resistere alla normale degradazione ambientale, rendendole inquinanti estremamente persistenti.
"Questa persistenza è una delle principali preoccupazioni perché i PFAS possono diffondersi ampiamente nei sistemi idrici ed è difficile da eliminare una volta che si è verificata la contaminazione", ha dichiarato a Technology Networks Xiang Ding, PhD , autore dello studio, ricercatore associato e responsabile della divulgazione tecnologica presso l'Università di Bath.
"La rimozione dei PFAS è importante perché l'acqua è una delle principali vie attraverso cui queste sostanze chimiche possono diffondersi nell'ambiente e potenzialmente entrare nella catena alimentare e nelle vie di esposizione umana", ha continuato Ding. "Ecco perché c'è un crescente interesse per le tecnologie di trattamento in grado di catturare efficacemente i PFAS e contribuire a sistemi idrici più sicuri".
L'estrema stabilità chimica dei PFAS li rende altamente resistenti alle tecniche convenzionali di bonifica delle acque, che spesso si basano sull'ossidazione chimica o su trattamenti biologici. Altri metodi di bonifica specifici per i PFAS, come quelli che utilizzano elettricità, luce solare o microbi per degradare i composti, possono risultare costosi o difficili da applicare a livello industriale. Di conseguenza, gli scienziati stanno sviluppando tecnologie di filtrazione dell'acqua che utilizzano materiali avanzati in grado di catturare fisicamente i problematici PFAS.
"Molti materiali per il trattamento delle acque già esistenti hanno dimostrato prestazioni di adsorbimento dei PFAS molto promettenti, quindi la necessità di nuove tecnologie non riguarda semplicemente la sostituzione dei materiali attuali. Piuttosto, si tratta di ampliare la gamma di opzioni disponibili e di affrontare altre considerazioni importanti oltre alla sola capacità di adsorbimento", ha spiegato Ding.
“Ad esempio, oltre all'efficienza di rimozione, i ricercatori sono sempre più interessati a questioni come la sostenibilità del materiale che rimuove l'inquinante, la sua rigenerabilità o riciclabilità, la complessità della sua preparazione e la possibilità di produrlo in modo pratico e su larga scala. Questi fattori sono importanti se vogliamo che i materiali per il trattamento dei PFAS vengano utilizzati più ampiamente in applicazioni reali.”
La membrana sensibile all'acqua funziona come una rete che si stringe
Il nuovo materiale sviluppato da Ding e colleghi è un polimero, il poli(esametilene 2,5-furandicarbossilammide) (PA6F). Il PA6F è già stato studiato dai chimici dei polimeri – è noto per la sua elevata stabilità termica e per le forti interazioni intermolecolari dovute all'anello furanico ed ai gruppi ammidici – ma il suo comportamento in acqua e il suo potenziale utilizzo per la bonifica degli inquinanti erano rimasti finora inesplorati.
Per trasformare il PA6F in una membrana in grado di catturare i PFAS, i ricercatori hanno utilizzato l'elettrofilatura per trasformare il polimero in una rete di nanofibre ultrasottili.
"Ciò che rende interessante questo materiale è che la membrana di nanofibre è reattiva all'acqua. Quando entra in contatto con l'acqua, le singole nanofibre si gonfiano ed, allo stesso tempo, la rete fibrosa complessiva diventa più densa. Quindi, invece di comportarsi come una membrana statica, si riorganizza in una struttura più compatta", ha osservato Ding.
“Questo cambiamento è importante per la cattura dei PFAS. In primo luogo, la rete più densa rende più difficile per le molecole di PFOA fuoriuscire una volta entrate nella membrana. In altre parole, la struttura crea un effetto di confinamento. In secondo luogo, il polimero stesso contiene gruppi ammidici, che possono interagire fortemente con il PFOA attraverso interazioni legate a legami idrogeno ed altre interazioni molecolari favorevoli. Quindi il materiale fa due cose contemporaneamente: crea fisicamente un ambiente di intrappolamento più stretto e fornisce chimicamente siti che hanno affinità per l'inquinante”, ha affermato.
"Credo che il punto chiave sia che la cattura non è determinata da un solo fattore", ha aggiunto Ding. "Deriva dalla combinazione di rigonfiamento delle fibre su scala nanometrica, densificazione della rete ed interazioni polimero-inquinante. È questa combinazione che conferisce alla membrana la sua forte capacità di assorbimento e ritenzione del PFOA."
Rimozione affidabile e rinnovabile dei PFAS
Grazie al suo rigonfiamento attivato dall'acqua ed alle interazioni a legame idrogeno, la membrana in nanofibre di PA6F è in grado di raggiungere un'efficienza di rimozione del PFOA del 94,6% a concentrazioni di inquinante rilevanti a livello industriale. È inoltre rapida, raggiungendo circa il 50% di rimozione in appena 1 ora.
Oltre ad essere efficace, la membrana è stata progettata appositamente per essere sostenibile. Il polimero PA6F può essere sintetizzato a partire da unità monomeriche furaniche rinnovabili. Una volta che la membrana è "satura", può essere rigenerata mediante trattamento termico e ri-elettrofilatura per formare una nuova membrana utilizzando lo stesso materiale polimerico.
“Il polimero che abbiamo utilizzato è una poliammide semi-aromatica di origine biologica, derivata in parte da materie prime rinnovabili. Questo è importante perché dimostra che i materiali ambientali ad alte prestazioni non devono necessariamente provenire da sostanze chimiche interamente di origine fossile. Nel campo della bonifica da PFAS, è comprensibile la preoccupazione che la soluzione di un problema ambientale non ne crei un altro. Pertanto, l'utilizzo di una piattaforma polimerica più sostenibile rappresenta un aspetto significativo”, ha affermato Ding.
Ha proseguito: “Per me, l'aspetto "bio-based" non è solo un'etichetta. Si tratta di dimostrare che la sostenibilità può essere integrata nella progettazione del materiale fin dall'inizio. Il nostro lavoro suggerisce che la chimica dei polimeri rinnovabili può essere combinata con processi avanzati, in questo caso l'elettrofilatura, per creare materiali funzionali per applicazioni ambientali complesse.”
In termini di ricerca futura, Ding è desideroso di studiare la scalabilità di questo approccio per comprendere meglio come potrebbe essere applicato al trattamento delle acque industriali.
"L'elettrofilatura è già un metodo di produzione versatile e sempre più scalabile, quindi il passo successivo ovvio è passare dalle membrane in scala di laboratorio a materiali di formato più grande ed a progetti di dispositivi più rilevanti per le applicazioni", ha affermato Ding.
"Una seconda priorità è testare in condizioni idriche più realistiche. Le acque reflue reali sono molto più complesse di un sistema di laboratorio semplificato, quindi è importante capire come si comporta la membrana in presenza di ioni concorrenti, materia organica e contaminanti misti, nonché con diverse strutture e lunghezze di catena dei PFAS."
"Catturare i PFAS è solo una parte della sfida; ciò che accade dopo è altrettanto importante", ha aggiunto Ding. "Le ricerche future dovrebbero concentrarsi maggiormente su come rimuovere in modo sicuro l'inquinante dal materiale, su come riutilizzare il polimero e su come le prestazioni cambiano nel corso di più cicli."
ENGLISH
The nanofiber membrane material can stop PFOA in its tracks, before being refreshed sustainably.
Researchers have developed a new bio-based polymer membrane that effectively traps over 94% of perfluorooctanoic acid (PFOA)—a notable “forever chemical”—and removes it from water.
The membrane, composed of a network of billions of nanofibers, can then be heat-treated to remove the trapped pollutants before being reprocessed and reused to clean more water. This makes it a more sustainable option for water treatment, the researchers say, as other conventional methods often either require full replacement or generate significant amounts of secondary waste.
The dangers of PFAS in water
“Forever chemicals”, also known as polyfluoroalkyl substances (PFAS), are a large and diverse chemical class characterized by their extremely strong carbon–fluorine bonds. This enables them to resist normal degradation in the environment, making them extremely persistent pollutants.
“This persistence is a major concern because PFAS can spread widely through water systems and are difficult to address once contamination has occurred,” study author Xiang Ding, PhD, research associate and core technology translator at the University of Bath, told Technology Networks.
“PFAS removal is important because water is one of the main pathways through which these chemicals can move through the environment and potentially enter the food chain and human exposure routes,” Ding continued. “That is why there is growing interest in treatment technologies that can capture PFAS effectively and support safer water systems.”
The extremely chemical stability of PFAS means that they are highly resistant to conventional water remediation techniques, which often rely on chemical oxidation or biological treatments. Other PFAS-focused cleanup methods, such as those that use electricity, sunlight, or microbes to break down the compounds, can be expensive or difficult to scale up to industrial levels. As a result, scientists are developing water filtration technologies using advanced materials that can physically capture troublesome PFAS.
“Many existing water treatment materials have already shown very promising PFAS adsorption performance, so the need for new technology is not simply about replacing current materials. Rather, it is about expanding the range of options available and addressing other important considerations beyond adsorption capacity alone,” Ding explained.
“For example, in addition to removal efficiency, researchers are increasingly interested in questions such as how sustainable [the material] that removes the actual pollutant is, whether it can be regenerated or recycled, how complex its preparation is, and whether it can be manufactured in a practical and scalable way. These factors are important if we want PFAS treatment materials to be used more widely in real applications.”
Water-responsive membrane works like a tightening net
The new material developed by Ding and colleagues is a polymer, poly(hexamethylene 2,5-furandicarboxylamide) (PA6F). PA6F has already been investigated by polymer chemists—it is known to have a high thermal stability and to have strong intermolecular interactions due to its furan ring and amide groups—but its behavior in water and its potential use for pollutant remediation remained unexplored.
To turn PA6F into a PFAS-capturing membrane, the researchers used electrospinning to spin the polymer into a network of ultrathin nanofibers.
“What makes this material interesting is that the nanofibre membrane is water-responsive. When it comes into contact with water, the individual nanofibres swell, and at the same time, the overall fibrous network becomes denser. So instead of behaving as a static membrane, it reorganizes into a tighter structure,” Ding noted.
“This change is important for PFAS capture. First, the denser network makes it harder for the PFOA molecules to move back out once they enter the membrane. In other words, the structure creates a confinement effect. Second, the polymer itself contains amide groups, which can interact strongly with PFOA through hydrogen-bonding-related interactions and other favorable molecular interactions. So the material is doing two things at once: it is physically creating a tighter trapping environment, and chemically providing sites that have affinity for the pollutant,” he said.
“I think the key point is that the capture is not driven by just one factor,” Ding added. “It comes from the combination of nanoscale fibre swelling, network densification, and polymer–pollutant interactions. That combination is what gives the membrane its strong PFOA uptake and retention behavior.
Reliable and renewable PFAS removal
Thanks to its water-activated swelling and hydrogen bonding interactions, the PA6F nanofiber membrane is able to achieve a PFOA removal efficiency of 94.6% at industrially relevant pollutant concentrations. It is also rapid, achieving ~50% removal within just 1 hour.
In addition to being effective, the membrane is also intentionally developed to be sustainable. The PA6F polymer can be synthesized from renewable furanic monomer units. Once the membrane is “full”, it can also be regenerated by undergoing heat treatment and being re-electrospun to form a new membrane using the same polymer material.
“The polymer we used is a bio-based semi-aromatic polyamide derived in part from renewable feedstocks. That is important because it shows that high-performance environmental materials do not always have to come from fully fossil-derived chemistries. In PFAS remediation, there is understandable concern that solving one environmental problem should not create another. So using a more sustainable polymer platform is a meaningful part of the story,” said Ding.
He continued: “For me, the bio-based aspect is not just a label. It is about showing that sustainability can be built into the material design from the start. Our work suggests that renewable polymer chemistry can be combined with advanced processing, in this case, electrospinning, to create functional materials for difficult environmental applications.”
In terms of future research, Ding is eager to investigate the scalability of this approach to better understand how it could be applied to industrial water treatment.
“Electrospinning is already a versatile and increasingly scalable manufacturing method, so an obvious next step is to move from laboratory-scale membranes toward larger-format materials and more application-relevant device designs,” Ding said.
“A second priority is testing under more realistic water conditions. Real wastewater is much more complex than a simplified lab system, so it is important to understand how the membrane performs in the presence of competing ions, organic matter, and mixed contaminants, as well as with different PFAS structures and chain lengths.”
“Capturing PFAS is only part of the challenge; what happens afterward is equally important,” Ding added. “Future work should look more closely at how the pollutant can be safely removed from the material, how the polymer can be reused, and how performance changes over multiple cycles.”
Da:
https://www.technologynetworks.com/applied-sciences/news/bio-based-polymer-offers-sustainable-option-for-forever-chemicals-cleanup-411831?utm_campaign=NEWSLETTER_TN_Breaking%20Science%20News&utm_medium=email&_hsenc=p2ANqtz--5CrXdHKJ9vLmbEyt1voMBAgPC2TSXdJl_AoGdN8WhzdsthbO2bl6sNUIzINpyyh2OxRE8-0dreG6wo5hPwzt-P2_G_6aSSePdaPOcr1vZUjGd7ew&_hsmi=414349130&utm_content=414349130&utm_source=hs_email
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