Idrossiapatite modificata con benzoato di sodio innovativa per una rimozione migliorata dei coloranti mediante approccio sperimentale e DFT combinato

Rimuovere il colore dall’acqua inquinata

In tutto il mondo, i coloranti industriali dai colori vivaci che rendono attraenti i nostri vestiti, i farmaci e i cosmetici stanno silenziosamente macchiando fiumi e laghi. Molti di questi coloranti non si degradano facilmente e possono danneggiare i pesci, gli ecosistemi e anche la salute umana. Questo articolo esplora un nuovo materiale a basso costo, ispirato al minerale delle ossa, in grado di estrarre in modo efficiente un colorante blu comune dall’acqua, indicando opzioni di trattamento più semplici per le acque reflue contaminate da coloranti.

Prendere spunto dalle ossa

L’ingrediente centrale di questo studio è l’idrossiapatite, un minerale che costituisce gran parte delle nostre ossa e denti. Essendo ricca di calcio e fosfato e già ampiamente utilizzata in medicina, è considerata sicura, economica e facile da produrre. Recentemente gli scienziati hanno scoperto che questo minerale può anche comportarsi come una piccola spugna per molti inquinanti presenti in acqua, in particolare metalli e alcuni composti organici. Tuttavia, la sua superficie naturale non è perfetta per trattenere molecole di colorante ostinate, quindi il team ha cercato un modo per “aggiornarla” senza perdere il basso costo e l’ecosostenibilità.

Dotare il minerale di un rivestimento intelligente

I ricercatori hanno modificato l’idrossiapatite legando al suo interno il benzoato di sodio, un composto semplice ed economico spesso usato come conservante alimentare. Hanno miscelato i componenti del minerale con diverse quantità di benzoato di sodio (5%, 10% e 15% in peso) durante la sintesi in modo che i gruppi organici facessero parte della superficie. Una serie di tecniche—diffrazione a raggi X, spettroscopia infrarossa, microscopia elettronica e analisi termica—ha mostrato che la struttura cristallina simile a quella ossea è rimasta intatta, mentre la superficie è diventata più porosa, più ordinata e più resistente al calore. In altre parole, il minerale ha mantenuto il suo robusto scheletro ma ha guadagnato una “pelle” attiva ricca di gruppi carichi negativamente che possono attrarre molecole di colorante cariche positivamente.

Mettere il nuovo materiale al lavoro

Per testarne le prestazioni, il team si è concentrato sul blu di metilene, un colorante blu ampiamente usato noto per la sua persistenza e i potenziali rischi per la salute. Hanno agitato le polveri modificate e non modificate in soluzioni di colorante in condizioni controllate e monitorato quanto colore scomparisse dall’acqua. Il materiale migliore, contenente il 15% di benzoato di sodio, ha rimosso circa il 90% del colorante e ha immagazzinato approssimativamente due terzi in più di colorante per grammo rispetto all’idrossiapatite semplice. I test a diversi valori di pH hanno mostrato che il rivestimento di benzoato di sodio rende le superfici delle particelle più cariche negativamente nelle condizioni tipiche di trattamento, il che attira fortemente il colorante carico positivamente. Esperimenti temporali hanno rivelato che la maggior parte della rimozione avviene nei primi 20 minuti e segue un andamento coerente con un legame di tipo chimico controllato piuttosto che con un semplice attaccamento debole e reversibile.

Uno sguardo alle interazioni invisibili

Per capire perché il rivestimento funzioni così bene, i ricercatori hanno utilizzato calcoli avanzati basati sulla chimica quantistica. Queste simulazioni hanno esaminato come gli elettroni sono distribuiti all’interno della molecola di benzoato di sodio e come essa si dispone sulla superficie dell’idrossiapatite. I risultati indicano che la parte carbossilato del benzoato di sodio forma interazioni forti, ma non distruttive, con i siti di calcio sul minerale. Questo ancoraggio crea zone negative stabili e anelli aromatici che, insieme, favoriscono una forte attrazione elettrostatica e interazioni di impilamento con le molecole di blu di metilene. I modelli teorici di assorbimento del colorante hanno corrisposto agli esperimenti, suggerendo che le molecole di colorante formano uno strato ordinato mono-molecolare sulla superficie modificata invece di accumularsi in modo disordinato.

Verso acque più pulite con polveri semplici

In termini pratici, lo studio dimostra che dotare un minerale simile all’osso di un sottile rivestimento “conservante” lo trasforma in una potente spugna per il colore: estrae rapidamente le molecole di colorante dall’acqua, le trattiene saldamente in un singolo strato sulla superficie e rimane stabile al calore e in condizioni alcaline. Poiché entrambi gli ingredienti—idrossiapatite e benzoato di sodio—sono economici e già considerati sicuri, questo approccio potrebbe essere scalato per il trattamento delle acque reflue cariche di coloranti provenienti da tessuti, industrie farmaceutiche e altri settori, contribuendo a restituire fiumi e laghi più chiari e più sicuri.

Citazione: Boukra, A., Boukra, O., Latifi, S. et al. Innovative sodium benzoate-modified hydroxyapatite for enhanced dye removal using a combined experimental and DFT approach. Sci Rep 16, 9870 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39075-5

Parole chiave: trattamento delle acque reflue, adsorbimento dei coloranti, idrossiapatite, blu di metilene, benzoato di sodio