Il miracolo della purificazione dell'acqua: dove vanno a finire gli ioni dei metalli pesanti presenti nell'acqua?

Il miracolo della purificazione dell'acqua: dove vanno a finire gli ioni dei metalli pesanti presenti nell'acqua?

I gatti della città barcollavano come se fossero ubriachi, poi si tuffavano freneticamente in mare, come se cercassero di spegnere una fiamma invisibile sui loro corpi. Poco dopo, gli abitanti della città iniziarono a parlare in modo confuso, barcollavano quando camminavano per strada e avevano la demenza sul volto... C'erano persino residenti malati di mente che gradualmente morirono. Cosa è successo a questa città...

1. Malattia di Minamata

Nel 1953 venne scoperta una strana malattia nella città di Minamata, nella prefettura di Kumamoto, in Giappone. Questa malattia è comparsa per la prima volta nei gatti. Alcuni gatti mostravano comportamenti anomali, come pianti strani, andatura instabile e tentativi di suicidarsi, e venivano chiamati "gatti suicidi". Successivamente questa malattia cominciò a manifestarsi negli esseri umani. Nei casi lievi si sono manifestati sintomi quali difficoltà di parola, andatura instabile, demenza facciale e perdita della vista. Nei casi più gravi si sono manifestati sintomi quali disturbi mentali e persino la morte. A quel tempo la malattia veniva chiamata "malattia di Minamata" perché la causa era sconosciuta.

Figura 1 Malattia di Minamata

La malattia di Minamata è una malattia cronica da avvelenamento da mercurio causata dall'assunzione prolungata di prodotti acquatici contenenti mercurio organico. Danneggia il sistema nervoso centrale umano e si manifesta con sintomi quali deficit sensoriali, disturbi del movimento, atrofia muscolare, problemi visivi e uditivi e, nei casi gravi, può portare alla morte. La malattia di Minamata non colpisce solo gli adulti, ma può essere trasmessa anche al feto tramite le donne incinte, causando la malattia di Minamata congenita.

Da dove proviene il mercurio presente nell'acqua?

2. Ioni di metalli pesanti nell'acqua

Il nuovo impianto Nippon Cyano Soda di Minamata scaricava acque reflue contenenti grandi quantità di mercurio direttamente nella baia di Minamata senza alcun trattamento. Il mercurio presente nelle acque reflue è stato convertito in metilmercurio, un elemento ancora più tossico, dai microrganismi presenti nei sedimenti. Entra nel corpo umano o animale attraverso il processo di bioaccumulo e provoca gravi danni al sistema nervoso centrale.

Oltre al mercurio, tra gli ioni metallici tossici più comuni presenti nei corpi idrici figurano piombo, cadmio, cromo, arsenico, ecc. Questi elementi sono difficili da biodegradare e si accumulano facilmente. A una certa concentrazione, può avere effetti tossici sugli ecosistemi e sui prodotti acquatici e rappresentare una minaccia per la salute umana. Questo tipo di inquinamento deriva principalmente dalle acque reflue industriali, dall'estrazione mineraria, dall'uso di pesticidi e dalla fusione dei metalli, ed è caratterizzato da una forte attività chimica.

3. Tecnologia di trattamento degli ioni di metalli pesanti nell'acqua

Il trattamento degli ioni di metalli pesanti presenti nell'acqua è un'importante branca del trattamento delle acque reflue industriali. Una tecnologia di trattamento delle acque efficiente, economica ed ecologica è di grande importanza per la tutela dell'ambiente e della salute umana. Secondo i risultati della ricerca di Ma Linfeng e di altri studiosi, il biochar modificato con Na₂S ha la capacità di adsorbire efficacemente gli ioni dei metalli pesanti presenti nell'acqua, rappresentando un metodo molto efficace per il trattamento dell'acqua contaminata da metalli pesanti.

1. Processo di preparazione:

(1) Preparazione della materia prima: per prima cosa è necessario il biochar. Il biochar è un materiale ricco di carbonio prodotto dalla pirolisi ad alta temperatura di biomassa (come paglia vegetale, legno, ecc.) in un ambiente povero di ossigeno. Presenta una ricca struttura porosa e un'ampia superficie specifica, come un "appartamento microscopico" con tante piccole stanze, che forniscono spazio per l'assorbimento di ioni di metalli pesanti.

Figura 2 Biochar

(2) Aggiunta di modificatori: al biochar viene quindi aggiunto Na₂S. Na₂S subisce idrolisi in acqua per produrre ioni S²⁻. Questi ioni S²⁻ sono come "piccoli uncini" che possono legarsi saldamente agli ioni dei metalli pesanti.

(3) Miscelazione e reazione: mescolare accuratamente la soluzione contenente Na₂S con biochar in modo che Na₂S possa essere distribuito uniformemente sulla superficie e sui pori del biochar. In determinate condizioni (ad esempio temperatura adeguata, tempo di reazione, ecc.), Na₂S interagisce con il biochar e lo modifica. Dopo la modifica, le proprietà chimiche superficiali e la struttura del biochar sono cambiate, rendendolo più favorevole all'adsorbimento di ioni di metalli pesanti.

2. Meccanismo di adsorbimento:

(1) Scambio ionico: il biochar stesso contiene alcuni cationi, come ioni potassio (K⁺), ioni sodio (Na⁺), ecc. Quando una soluzione contenente ioni di metalli pesanti entra in contatto con il biochar modificato con Na₂S, gli ioni di metalli pesanti vengono scambiati con questi cationi sulla superficie del biochar. Come in una "stazione di scambio ionico", gli ioni dei metalli pesanti sostituiscono i cationi originali e vengono adsorbiti sul biochar.

(2) Precipitazione chimica: gli ioni S²⁻ prodotti dall'idrolisi di Na₂S hanno una forte affinità con gli ioni dei metalli pesanti e si combineranno per formare precipitati di solfuro insolubili. Questi precipitati aderiranno alla superficie e ai pori del biochar, ottenendo così l'adsorbimento di ioni di metalli pesanti. In questo modo possono essere adsorbiti, ad esempio, ioni rame (Cu²⁺), ioni mercurio (Hg²⁺), ecc.

(3) Complessazione superficiale: la superficie del biochar modificato presenta abbondanti gruppi funzionali, come idrossile (-OH) e carbossile (-COOH). Questi gruppi funzionali possono reagire con gli ioni dei metalli pesanti per formare complessi stabili. È come usare "legami chimici" per fissare saldamente gli ioni dei metalli pesanti sul biochar, migliorando la stabilità dell'adsorbimento.

(4) Adsorbimento fisico: la struttura dei pori del biochar fornisce un'ampia superficie specifica, consentendo agli ioni dei metalli pesanti di attaccarsi alla superficie del biochar mediante adsorbimento fisico. Questo metodo di adsorbimento si basa principalmente sull'attrazione tra molecole. Sebbene sia relativamente debole, contribuisce comunque all'effetto di adsorbimento complessivo.

Il biochar modificato con Na₂S può adsorbire efficacemente gli ioni dei metalli pesanti presenti nell'acqua attraverso l'effetto sinergico dei meccanismi di adsorbimento multipli sopra menzionati. Questo metodo presenta i vantaggi della semplicità di funzionamento, del basso costo e del buon effetto di assorbimento, e ha ampie prospettive di applicazione nei settori della tutela ambientale e del controllo dell'inquinamento delle acque.