Il nanocomposito potenziato con zeolite distrugge il 94% dell'inquinamento da coloranti tessili sotto luce visibile

I tinti tessili industriali, in particolare il blu di metilene (MB), sono inquinanti ambientali persistenti, tossici per la salute umana e per gli ecosistemi acquatici. I metodi convenzionali di trattamento delle acque faticano a gestirne la scarsa biodegradabilità, alimentando l'interesse per i processi di ossidazione avanzata basati su fotocatalizzatori. Questo studio, condotto da ricercatori etiopi, esplora un nuovo nanocomposito multi-componente progettato per degradare questi coloranti in modo efficiente sotto luce visibile — un vantaggio cruciale, poiché i sistemi che operano esclusivamente con luce UV sono energeticamente costosi e poco pratici su larga scala.

Il gruppo di ricerca ha sintetizzato diversi fotocatalizzatori mediante metodi di precipitazione e impregnazione: nanoparticelle pure di ZnO e CeO₂, compositi binari MWCNTs/ZnO, binari ZnO/CeO₂, ternari MWCNTs/ZnO/CeO₂ (etichettati T1, T2, T3 in base al contenuto di MWCNT) e un composito ternario finale supportato su zeolite-Y (TZ). I MWCNTs sono stati prima purificati acido con H₂SO₄/HNO₃ per introdurre gruppi funzionali in superficie che migliorano il legame con gli ossidi metallici. Tutti i materiali sono stati caratterizzati mediante XRD (che ha confermato le fasi cristalline ZnO esagonale wurtzite e CeO₂ cubica fluorite), spettroscopia UV-Vis (per misurare il bandgap e l'assorbimento della luce) e spettroscopia di fotoluminescenza (per valutare la ricombinazione dei portatori di carica). È stata inoltre utilizzata la SEM per l'analisi morfologica.

I test fotocatalitici hanno impiegato 140 mg di ciascun catalizzatore in 100 mL di soluzione di MB a 10 ppm, irradiata da una lampada fluorescente a luce visibile da 85 W a 480 nm. Prima dell'illuminazione è stato effettuato un periodo di equilibrazione al buio di 60 minuti. I campioni sono stati raccolti ogni 20 minuti, centrifugati e analizzati a 665 nm. Il nanocomposito TZ, arricchito con zeolite, ha raggiunto una degradazione del MB del 93,71% sotto luce visibile, rispetto all'83,21% del miglior composito ternario (T3) privo di zeolite. Testato su reflui tessili reali provenienti dall'industria tessile di Bahir Dar, in Etiopia, TZ ha degradato il 76,75% degli inquinanti, raggiungendo invece circa il 94,12% di degradazione in una prova separata con solo MB. I test di riciclabilità condotti su quattro cicli consecutivi hanno mostrato una riduzione dell'efficienza del 20,8%, confermando una stabilità ragionevole ma non completa.

I miglioramenti prestazionali hanno una logica meccanicistica precisa. Il CeO₂ agisce come sensibilizzatore alla luce visibile grazie al ciclaggio redox Ce³⁺/Ce⁴⁺ e a un bandgap di 2,7–3,4 eV, iniettando elettroni nella banda di conduzione dello ZnO e sopprimendo la ricombinazione elettrone-lacuna. I MWCNTs forniscono un'ampia superficie, fungono da conduttori di elettroni tramite interazioni π–π e stabilizzano la separazione delle cariche. La zeolite-Y aggiunge un framework ad alto scambio ionico e ampia superficie che concentra il MB cationico in prossimità dei siti fotocatalitici, aumentando il tempo di contatto e l'efficienza di degradazione. Questa sinergia tra meccanismi di adsorbimento e fotocatalisi rappresenta l'innovazione chiave dello studio.

Tra le limitazioni si segnalano la scala laboratoriale dei test, l'uso di un sistema modello con colorante sintetico e l'assenza di studi meccanicistici dettagliati — come esperimenti di intrappolamento dei radicali — per confermare i percorsi delle specie reattive dell'ossigeno. La degradazione su acque reflue reali (76,75%) è risultata notevolmente inferiore rispetto ai risultati ottenuti con MB puro, riflettendo la complessità della matrice degli effluenti industriali. La durabilità a lungo termine oltre i quattro cicli e la scalabilità verso sistemi pilota o industriali restano ancora da dimostrare.