Preparazione del catalizzatore Co–Ce–Ru/γ-Al2O3 per la degradazione del rodammina B nelle acque reflue colorate

Perché i coloranti nelle acque sono un problema

Abiti colorati, plastiche e materiali stampati dipendono tutti da coloranti sintetici, ma le acque residue cariche di colore sono estremamente difficili da depurare e possono persistere per lungo tempo in fiumi e laghi. Questo studio esplora un nuovo metodo per rimuovere quasi completamente un colorante rosso intenso chiamato rodammina B dall’acqua, utilizzando un catalizzatore solido progettato appositamente che lavora in sinergia con un agente ossidante. Il lavoro è rilevante perché indica un approccio pratico per trattare acque reflue industriali tenaci senza generare nuovi problemi di inquinamento.

Un nuovo alleato per pulire acque colorate difficili

I ricercatori si sono concentrati su una famiglia di metodi nota come processi di ossidazione avanzata, che sfruttano forme molto reattive di ossigeno e zolfo per scindere composti complessi. Un agente ossidante ampiamente usato, il perossimonosolfato, può essere attivato da alcuni metalli per formare radicali potenti che attaccano le molecole del colorante. Il cobalto è particolarmente efficace in questo ruolo, ma il cobalto disciolto in acqua è un metallo pesante tossico. Per sfruttare al massimo il cobalto mantenendolo saldamente fissato, il team lo ha ancorato a un supporto poroso chiamato allumina gamma e ha poi migliorato questa ricetta di base aggiungendo piccole quantità del metallo delle terre rare cerio e del metallo nobile rutenio.

Costruire un catalizzatore solido più intelligente

Gli scienziati hanno preparato diverse versioni del catalizzatore impregnando il supporto di allumina in soluzioni di sali metallici e riscaldandolo poi a temperature controllate. Un campione conteneva solo cobalto, un altro combinava cobalto e cerio, e la versione più avanzata conteneva insieme cobalto, cerio e rutenio. Test dettagliati hanno mostrato che il catalizzatore migliorato possedeva una grande area superficiale interna ricca di pori di dimensione media, offrendo numerosi punti in cui colorante e ossidante potevano incontrarsi. I metalli erano distribuiti in modo uniforme sulla superficie, e la presenza di cerio e rutenio aiutava a mantenere il cobalto in piccole aggregazioni, migliorava la stabilità termica e generava vacanze di ossigeno favorevoli a reazioni rapide. Nel complesso, la struttura permetteva di avere più siti attivi disponibili utilizzando meno cobalto.

Mettere il catalizzatore alla prova

Per verificare l’efficacia dei materiali nella pratica, il team ha trattato acque contenenti rodammina B a concentrazioni realistiche. In ogni test hanno miscelato la soluzione di colorante con una quantità misurata di catalizzatore, hanno consentito al colorante di adsorbirsi sulla superficie e poi hanno aggiunto il perossimonosolfato. Monitorando la perdita di colore nel tempo con un metodo di assorbimento della luce, hanno seguito la velocità di degradazione del colorante. Il catalizzatore a base di cobalto–cerio–rutenio ha rimosso quasi completamente il colore, raggiungendo una decolorazione vicina al 100 percento in circa 20–30 minuti a temperatura ambiente con dosi moderate di catalizzatore e ossidante. La reazione seguiva un comportamento di primo ordine semplice, il che significa che la velocità era proporzionale alla quantità di colorante rimasta, e la vita media calcolata del colorante era di soli pochi minuti.

Come avviene l’azione pulente

Misure magnetiche speciali hanno rivelato quali specie a vita breve erano attive durante il trattamento. Il catalizzatore insieme al perossimonosolfato generava sia radicali solfato sia radicali idrossilici, forme altamente reattive di specie a base di zolfo e ossigeno in grado di lacerare strutture complesse dei coloranti. Sono emerse anche evidenze per un percorso non radicalico che coinvolge una forma di ossigeno più selettiva. Il cobalto sulla superficie del catalizzatore ciclava tra diversi stati di carica, attivando ripetutamente nuove molecole di ossidante. Il cerio contribuiva creando vacanze di ossigeno e modulando la distribuzione delle forme di ossigeno sulla superficie, mentre il rutenio migliorava in modo sottile la dispersione e la stabilità. Regolando la quantità di catalizzatore, ossidante e temperatura, i ricercatori hanno individuato condizioni operative che garantivano un trattamento rapido senza sprechi di sostanze chimiche o auto-estinzione dei radicali.

Durabilità e sicurezza ambientale

Per l’uso reale, il catalizzatore deve resistere a numerosi cicli di pulizia e non dovrebbe rilasciare grandi quantità di metalli nell’acqua trattata. Il team ha riutilizzato il catalizzatore cobalto–cerio–rutenio quattro volte nelle stesse condizioni. Pur osservando una lieve diminuzione delle prestazioni, il materiale ha comunque rimosso oltre il 90 percento del colorante dopo il quarto ciclo, e le immagini microscopiche hanno mostrato solo un’usura superficiale minima. Le misure dei metalli disciolti hanno confermato che il cobalto e i metalli ausiliari aggiunti sono rimasti per lo più immobilizzati nel solido, con livelli di cobalto ben al di sotto di 1,0 mg per litro, un limite di scarico comunemente adottato. Altre sostanze presenti nell’acqua, come sali comuni e alcuni ioni metallici, hanno avuto solo un’influenza moderata sul processo, e il metodo ha funzionato su un ampio intervallo di pH.

Cosa significa per acque più pulite

In termini semplici, questo studio dimostra che progettare con cura un catalizzatore solido permette all’industria di sfruttare il potere pulente di ossidanti potenti per rimuovere molecole di colorante ostinate usando meno metallo tossico e evitando inquinamenti secondari significativi. Il materiale cobalto–cerio–rutenio su allumina attiva efficacemente il perossimonosolfato, resiste a usi ripetuti e mantiene bassa la fuoriuscita di metalli, rendendolo uno strumento promettente per trattare acque reflue colorate ma persistenti in modo che non macchino più l’ambiente.

Citazione: Zhang, Y., Zhang, E., Deng, J. et al. Preparation of Co–Ce–Ru/γ-Al₂O₃ catalyst for degradation rhodamine B in dye wastewater. Sci Rep 16, 15093 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42905-1

Parole chiave: acque reflue da colorazione, rodammina B, ossidazione avanzata, catalizzatore al cobalto, perossimonosolfato