Nuovi nanocompositi carbonatici, ossidici e idrossidici a base di Mg, Ba e Ca per un’efficiente adsorbimento del colorante Safranin O

Perché è importante rimuovere i coloranti vivaci dall’acqua

I coloranti rosso brillante possono sembrare innocui in una provetta, ma in fiumi e laghi possono bloccare la luce solare, alterare le reti trofiche e veicolare effetti tossici lungo la catena alimentare. Uno di questi coloranti, il Safranin O, è ampiamente usato in laboratorio e nell’industria ed è notoriamente difficile da eliminare una volta che raggiunge l’acqua. Questo studio esplora una nuova classe di ibridi minerali su scala nanometrica — composti da elementi comuni come magnesio, calcio e bario — in grado di estrarre il Safranin O dall’acqua con notevole efficienza e di essere riutilizzati molte volte, offrendo una via pratica verso acque reflue più pulite e sicure.

Colore dentro, colore fuori: un’idea semplice con particelle minuscole

I ricercatori hanno voluto progettare un materiale solido che funzionasse come una spugna per il Safranin O senza dissolversi o perdere integrità nelle acque reflue reali. Hanno impiegato un percorso di preparazione versatile chiamato metodo Pechini sol–gel per mescolare sali metallici con una resina organica a livello molecolare, quindi hanno riscaldato la miscela a 600 o 800 °C. I prodotti ottenuti — denominati BMC600 e BMC800 — sono nanocompositi multifase, cioè contengono diversi componenti minerali in una singola particella. Questi includono ossido di magnesio (MgO), carbonato di calcio (CaCO₃), carbonato di bario (BaCO₃) e idrossido di calcio (Ca(OH)₂). Ciascuno di questi apporta caratteristiche chimiche leggermente diverse e, insieme, creano molti siti attivi dove le molecole di colorante possono ancorarsi.

Osservare l’interno della spugna per coloranti

Per comprendere cosa avevano ottenuto, il team ha utilizzato una serie di strumenti di caratterizzazione moderni. La diffrazione a raggi X ha confermato che sia BMC600 sia BMC800 contengono le stesse quattro fasi cristalline, con domini cristallini dell’ordine di 60–70 nanometri. La microscopia elettronica ha rivelato che il campione trattato a temperatura inferiore, BMC600, è costituito da particelle più piccole e più finemente disperse rispetto a BMC800. Immagini ad alta risoluzione hanno mostrato nanoparticelle quasi sferiche di dimensione media di circa 29 nanometri in BMC600, ma all’incirca sei volte più grandi in BMC800. Poiché l’adsorbimento avviene sulle superfici, queste particelle più piccole e meno sinterizzate di BMC600 espongono una superficie più reattiva e più difetti per il legame con il colorante, un vantaggio strutturale che si riflette poi nelle prove di performance.

Come si lega il colorante e quanto è efficace

Quando i nuovi materiali sono stati messi in contatto con soluzioni di Safranin O, sono emerse diverse tendenze. In condizioni molto acide (pH 2) entrambi i materiali rimossero solo una piccola frazione del colorante, ma a un pH debolmente alcalino di 10 le prestazioni aumentarono drasticamente: BMC600 rimosse circa l’82% e BMC800 circa il 68% nelle condizioni standard di prova. Questo cambiamento è legato alla carica superficiale. Al di sotto di un certo pH le superfici delle particelle sono cariche positivamente e respingono le molecole positivamente cariche del Safranin O. Al di sopra di quel punto le superfici diventano cariche negativamente e attraggono elettrostaticamente il colorante. La spettroscopia infrarossa ha confermato che anche i gruppi idrossilici e i gruppi carbonato superficiali partecipano, formando legami a idrogeno e altre interazioni deboli con il colorante. Insieme, queste forze generano un legame forte ma reversibile. Variando i tempi di contatto e le concentrazioni, il team ha osservato che BMC600 agisce più rapidamente e ha una capacità massima superiore rispetto a BMC800, trattenendo fino a circa 318 milligrammi di colorante per grammo di adsorbente, rispetto a 270 milligrammi per grammo per BMC800. I dati si adattano a un semplice modello di adsorbimento a “monostrato”, in cui le molecole di colorante si dispongono in un singolo strato sui siti più favorevoli.

Energia, competizione e riutilizzo in condizioni reali

La temperatura e le sostanze concorrenti possono fare la differenza per un materiale di trattamento delle acque. Qui, l’aumento della temperatura ridusse la quantità di Safranin O catturata, indicando un processo di adsorbimento fisico esotermico, ossia che rilascia calore: il colorante preferisce rimanere legato a temperature più basse ed è leggermente meno favorito se si riscalda. Nonostante ciò, il processo nel suo complesso rimase spontaneo nell’intervallo testato, e l’analisi termodinamica suggerì che le interazioni principali sono relativamente tenui, non legami chimici permanenti — una buona notizia per la rigenerazione. I nanocompositi mantennero inoltre buone prestazioni in presenza di altri ioni e coloranti comuni; i sali ordinari causarono solo modeste riduzioni della capacità, sebbene altri coloranti positivamente caricati compitessero in modo marcato. Cruciale è che gli adsorbenti potevano essere rigenerati e riutilizzati: il lavaggio con acido cloridrico rilasciò fino a circa il 99,7% del Safranin O legato, e dopo cinque cicli di adsorbimento–desorbimento BMC600 conservava ancora circa l’88% della performance iniziale. Un’analisi economica approssimativa suggerì che, grazie alla loro alta capacità, questi materiali potrebbero rimuovere il colorante a un costo competitivo rispetto a molte opzioni esistenti.

Cosa significa per acque più pulite

In termini pratici, questi nanocompositi si comportano come spugne minerali robuste e riutilizzabili, progettate per un colorante rosso ostinato. Combinando diversi minerali semplici in un’unica struttura su scala nanometrica e modulando la fase di riscaldamento, i ricercatori hanno creato superfici fortemente attrattive per il Safranin O al pH adeguato, ma facilmente rigenerabili con un risciacquo acido. Pur richiedendo ulteriori studi per la scala industriale e prove su effluenti reali, lo studio dimostra che ibridi inorganici ingegnerizzati con cura e a basso costo possono eguagliare o superare molti adsorbenti all’avanguardia. Se integrati in impianti di trattamento come filtri o letti impaccati, tali materiali potrebbero contribuire a rimuovere colori vivaci e potenzialmente dannosi dalle acque reflue prima che ritornino nell’ambiente.

Citazione: Abdelrahman, E.A., Basha, M.T. Novel carbonate, oxide, and hydroxide nanohybrids based on Mg, Ba, and Ca for efficient Safranin O dye adsorption. Sci Rep 16, 2624 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36376-7

Parole chiave: trattamento delle acque reflue, inquinamento da coloranti, adsorbente nanocomposito, rimozione di Safranin O, purificazione dell’acqua