Il ruolo dell’acqua nelle reazioni foto-catalitiche

Notizie dal mondo scientifico. Il ruolo dell’acqua nelle reazioni foto-catalitiche

Sapete cos’è il biossido di titanio? Non è un materiale che esce da un film di fantascienza, sebbene le sue proprietà lo rendano veramente particolare. Lo si trova un po’ dappertutto, anche nei dentifrici e funziona da sbiancante. Lo trovate anche come eccipiente in alcuni farmaci in compressa.

La sua funzione è veramente notevole perché il biossido di titanio viene utilizzato come catalizzatore per reazioni foto-catalitiche nella chimica verde.

Catalizzatore? chimica verde? fotocatalitico?

La chimica verde è quella branca della chimica che si occupa delle reazioni nelle quali non si fa uso di solventi organici. Questi ultimi, infatti, sono per lo più tossici per l’uomo oltre che dannosi per l’ambiente. Il solvente di elezione nei processi legati alla chimica verde è l’acqua. Questa molecola, infatti, non “distrugge” la biomassa microbica presente nei suoli, nelle acque e nei sedimenti come, invece, fanno i solventi organici. Inoltre, maneggiare acqua, piuttosto che solventi organici, in laboratorio è più “salutare” per gli operatori che non inalano, così, sostanze potenzialmente cancerogene.

Un catalizzatore è un materiale che è in grado di velocizzare una reazione chimica. In altre parole, una reazione che avviene in un tempo lungo – per esempio qualche giorno – può subire una accelerazione in presenza di certi particolari sistemi come il biossido di titanio. Questo è molto conveniente, per esempio, sotto l’aspetto produttivo perché consente alle aziende di produrre nuove molecole o nuovi materiali in tempi non biblici. Ma è conveniente anche sotto l’aspetto ambientale perché il biossido di titanio può essere utilizzato per accelerare la decomposizione di contaminanti organici tossici per l’uomo e dannosi per l’ambiente.

Una reazione foto-catalitica è una reazione la cui velocità viene influenzata dalla interazione tra la luce ed un catalizzatore come il biossido di titanio.

Come funziona il biossido di titanio?

Proprio recentemente, il secondo [1] di due studi [1, 2] sul ruolo dell’acqua nell’attività catalitica del biossido di titanio è apparso sul Journal of Physical Chemistry C (lo so…sono vanesio…entrambi gli studi sono miei).

E’ stato evidenziato che l’acqua legata alla superficie del biossido di titanio forma dei radicali ossidrilici (OH) che sono direttamente coinvolti nei processi catalitici dei contaminanti organici. La velocità con cui la reazione può avvenire dipende dal tempo durante il quale l’acqua resta a contatto con la superficie del biossido di titanio. In pratica, l’acqua e la molecola che deve essere degradata competono tra loro per raggiungere la superficie del biossido di titanio. Una volta che l’acqua è arrivata si possono realizzare due condizioni: l’affinità tra il biossido di titanio e l’acqua è alta; l’affinità tra biossido di titanio e acqua è bassa. Nel primo caso, l’acqua resta più tempo attaccata al biossido di titanio ed ha una maggiore opportunità di produrre i radicali che, poi, serviranno per decomporre il contaminante organico. Nel secondo caso, invece, l’acqua non ha il tempo materiale di decomporsi e la velocità con cui il contaminante si decompone è più lenta.

Lo studio appena pubblicato [1] apporta quelle prove sperimentali che fino ad ora mancavano in merito all’ipotesi sulla competizione acqua/substrato per la superficie del biossido di titanio.

Riferimenti
[1] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpcc.6b11945
[2] http://pubs.acs.org/doi/10.1021/jp400298m

L’influenza della scienza sulla società: il nostro governo ha, finalmente, modificato la legge sui fertilizzanti, inserendo anche il biochar come amendante dei suoli.

Chi mi segue sa che il mio lavoro di ricerca consiste nello studio delle dinamiche molecolari all’interfaccia solido liquido, laddove il solido è il biochar. Tradotto in parole più semplici, mi occupo di studiare come si muovono i liquidi (in particolare acqua) sulla superficie di un composto (il biochar) fatto prevalentemente di carbonio ottenuto come scarto dei processi industriali (o casalinghi) per la produzione energetica (per es. calore, gas etc).

Questo tema di ricerca è il centro dell’attenzione di numerosi gruppi di ricerca nazionali ed internazionali, tanto è vero che io stesso collaboro con persone ai quattro angoli del mondo (beh…quattro angoli è un modo di dire, ovviamente…non è che io pensi che la Terra sia piatta 😀 ).

I lavori di ricerca hanno dimostrato che il biochar ha numerosi effetti quando applicato come ammendante dei suoli. Recentemente il gruppo internazionale di cui faccio parte, ha pubblicato in merito alla quadruplicazione della produzione di zucche in Nepal quando biochar trattato con urina viene usato come fertilizzante. Lo stesso gruppo ha pubblicato anche i possibili meccanismi con cui il nitrato (uno dei principali nutrienti per le piante) viene catturato e, successivamente, lentamente rilasciato dal biochar quando questo viene applicato ai suoli.

Sebbene molti siano i lavori che dimostrino l’efficacia del biochar come ammendante, molti sono i detrattori di questo materiale. C’è chi prova che il biochar non ha alcun effetto sulla produzione agricola; c’è chi scrive che il biochar contamina i suoli attraverso il rilascio di sostanze tossiche (per es. gli idrocarburi policiclici aromatici) e potrei continuare.

Il punto fondamentale che, in genere, non è chiaro né ai detrattori né ai fautori dell’uso del biochar come ammendante, è che questo materiale va studiato accuratamente prima della sua applicazione come ammendante e non tutti i biochar sono buoni per tutto. In altre parole, i detrattori del biochar sono tali perché sono stati sfortunati: hanno sperimentato con biochar non adatti a quel tipo di piante di cui intendevano aumentare la produzione; i fautori del biochar sono in genere fortunati, ovvero studiano piante per cui il biochar selezionato funziona bene.

In generale le meta-analisi sul biochar (ovvero studi che considerano tutta la letteratura in merito ad un argomento) dimostrano che il biochar come ammendante dei suoli permette un aumento di produttività medio intorno al 18%.

Perché tutto questo? Che c’entra tutto questo discorso con l’impatto della scienza sulla società?

Il punto è che proprio grazie a tutto quanto scoperto sul biochar (sia effetti positivi che negativi), il nostro governo ha, finalmente, modificato la legge sui fertilizzanti, inserendo anche il biochar come possibile fertilizzante dei suoli.

Questo è avvenuto nemmeno un mese fa quando sulla Gazzetta Ufficiale serie generale n° 186 del 12-8-2015 è apparsa quella che viene conosciuta come “normativa biochar”. Questa legge è un grosso passo avanti perché permette a tutti l’uso del “carbone” come ammendante dei suoli sempre che vengano rispettati dei requisiti fondamentali sia sotto l’aspetto chimico che fisico. Infatti, l’uso del biochar è finalizzato non solo all’aumento della produttività dei suoli ma anche al sequestro del carbonio in modo da limitare le emissioni di anidride carbonica nell’atmosfera.

“la norma avrà riflessi che andranno ben oltre questi evidenti benefici tecnici ed economici” – spiega Vittorino Crivello, Presidente di ICHAR – “perchè il Biochar potrà entrare di diritto nei mercati volontari di riduzione delle emissioni di gas serra, stimolando un ciclo virtuoso in cui si potranno generare compensazioni delle emissioni per chi acquisterà crediti e redditi addizionali o risparmi per chi distribuirà il Biochar nel terreno”.

Informazioni complete in merito sono al sito: http://www.ichar.org/

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