Cinetiche di adsorbimento e isoterme per la rimozione del malachite green da soluzione acquosa utilizzando TiO2 caricato su nanocomposito f‑MWCNTs

Perché è importante depurare le acque colorate

I vivaci coloranti sintetici ci regalano tessuti, pelli e carte variopinte, ma quando queste sostanze chimiche finiscono negli scarichi industriali, possono persistere in fiumi e laghi per anni. Uno di questi coloranti, chiamato malachite green, è particolarmente preoccupante perché è tossico, persistente e collegato al cancro. Questo studio esplora un nuovo tipo di materiale di pulizia su scala nanometrica — un nanocomposito — in grado di estrarre il malachite green dall’acqua in modo molto rapido ed efficiente, indicando percorsi più veloci e pratici per il trattamento delle acque reflue industriali contaminate.

Un colorante difficile e un nuovo pulitore nanometrico

Il malachite green è ampiamente usato nel settore tessile e nella lavorazione delle pelli ed è stato impiegato, con controversie, anche nella piscicoltura come agente antimicrobico. Una volta rilasciato nell’ambiente, si decompone con difficoltà e i metodi di trattamento convenzionali spesso faticano a rimuoverlo completamente. I ricercatori si sono prefissati di progettare una “spugna” più efficiente per questo colorante combinando due materiali avanzati: nanoparticelle di biossido di titanio e nanotubi di carbonio multi‑parete le cui superfici sono state chimicamente “funzionalizzate” con gruppi contenenti ossigeno. Caricando il biossido di titanio su questi nanotubi funzionalizzati, hanno creato un materiale ibrido pensato per offrire sia un’ampia superficie sia numerosi siti attivi dove le molecole di colorante possono aderire.

Costruzione e caratterizzazione del materiale ibrido a nanotubi

Il team ha sintetizzato il nanocomposito mediante un processo idrotermale, in cui la polvere di biossido di titanio viene trattata in una soluzione alcalina calda e poi legata ai nanotubi di carbonio in acqua sotto miscelazione prolungata. Hanno esaminato attentamente la polvere risultante con una serie di microscopi e tecniche spettroscopiche. Questi test hanno confermato che il biossido di titanio mantiene la sua struttura cristallina e si distribuisce in modo uniforme sulla rete di nanotubi anziché aggregarsi separatamente. Le misure di adsorbimento di gas hanno rivelato un’architettura altamente porosa, simile a una spugna, con più del doppio dell’area superficiale rispetto al solo biossido di titanio, il che significa molto più spazio per catturare le molecole di colorante durante il trattamento.

Rimozione del colorante dall’acqua, rapida ed efficace

Per valutare l’efficacia del nuovo materiale, i ricercatori hanno condotto esperimenti batch in cui piccole quantità di nanocomposito sono state agitate con soluzioni di malachite green in condizioni variabili. Hanno scoperto che le prestazioni dipendono fortemente dall’acidità dell’acqua: la rimozione è risultata modesta in condizioni acide ma supera il 95 percento intorno a un pH lievemente basico di 8, dove la superficie del materiale porta carica negativa che attrae il colorante carico positivamente. In modo notevole, in queste condizioni ottimali — pH 8, solo 0,005 grammi di adsorbente in 10 millilitri di soluzione e temperatura ambiente — il sistema ha raggiunto l’equilibrio in circa 10 minuti, ottenendo una capacità di adsorbimento di circa 39 milligrammi di colorante per grammo di materiale. Questo valore è paragonabile o superiore a molti adsorbenti convenzionali, ma con una purificazione molto più rapida.

Come il colorante aderisce alla superficie dei nanotubi

Adattando i dati sperimentali a modelli matematici standard che descrivono come le molecole si legano alle superfici, gli autori hanno concluso che il malachite green forma principalmente uno strato singolo su una superficie relativamente uniforme, come descritto dal modello di Langmuir. Allo stesso tempo, altri modelli che tengono conto di forze di legame variabili e di più strati hanno fornito un buon accordo con i dati, suggerendo una combinazione di adesione fisica e chimica. Il modello cinetico che meglio si è adattato indica che il legame non è solo il risultato dell’urto casuale delle molecole con la superficie, ma coinvolge interazioni più forti, come l’attrazione elettrostatica tra cariche opposte e contatti specifici con gruppi superficiali. Microscopia e misure infrarosse prima e dopo l’assorbimento del colorante supportano ulteriormente un quadro in cui le molecole di colorante si raggruppano sulle superfici esterne e all’interno dei pori senza alterare la struttura cristallina di base.

Rigenerazione e prospettive per un’industria più pulita

Perché una tecnologia di trattamento idrico sia pratica, il materiale di pulizia deve essere riutilizzabile. I ricercatori hanno mostrato che il nanocomposito può essere rigenerato lavandolo con una semplice soluzione di idrossido di sodio e riutilizzato almeno cinque volte con quasi nessuna perdita di prestazioni. Complessivamente, lo studio dimostra che una combinazione attentamente ingegnerizzata di biossido di titanio e nanotubi di carbonio funzionalizzati può agire come una spugna per coloranti rapida, robusta e riciclabile. Sebbene questi test siano stati eseguiti in soluzioni di laboratorio semplificate piuttosto che in effluenti industriali reali, i risultati suggeriscono una strada promettente verso unità di trattamento compatte in grado di rimuovere rapidamente coloranti nocivi come il malachite green dalle acque reflue prima che raggiungano l’ambiente.

Citazione: Jomardani, F., shakeri, R., Akbarzadeh, R. et al. Adsorption kinetics and isotherms of malachite green removal from aqueous solution using TiO₂ loaded on f-MWCNTs nanocomposite. Sci Rep 16, 8567 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38582-9

Parole chiave: trattamento delle acque reflue, malachite green, adsorbente nanocomposito, biossido di titanio, nanotubi di carbonio