Polimeri ecologici per mitigare la durezza dell'acqua di fronte al cambiamento climatico

Water represents that natural element whose supply is essential for a multitude of uses. However, climate change hinders the smooth flow of water, enriching water with pollutants. In addition, it causes an increase in the salts present and, in the presence of high concentrations of calcium and magnesium ions, the water is definable hard. There are many issues related to these chemical-physical properties of water, as pathologies, corrosion of industrial pipes and alteration of aquatic habitats. In the past, conventional softening methods, such as membrane filtration and chemical precipitation, have been adopted, showing rather efficient but presenting some limitations. The adsorption process identifies the most promising process: coated sand and bentonite are models of second-rate materials that, despite their low market appeal, have shown important adsorption capabilities. Currently, new eco-sustainable adsorption systems have been designed, characterized by renewable materials of natural origin. Selecting from a wide range of waste and more refined materials, the scientific interest has identified a family of complex oligomers partially hydrolyzed by the high character of purity, namely maltodextrins and cyclodextrins. Despite their excellent adsorption behaviour, they have high hydrophilic properties. From the union of a dextrin with a cross-linking agent, insoluble polymers of last generation hyper-cross-linked defined nanosponges have been realized. Deriving from monomers of organic nature, they are considered effective biopolymers, proving biocompatible and biodegradable materials, promising in several sectors, as in the pharmaceutical one where they perform the function of administration of nanosized drugs. The project focused on the synthesis and experimental application of three different dextrins (β-CD, LC and Glu2) that, combining them with two cross-linking agents (PMDA, namely pyro-mellytic dianhydride, and citric acid) second generation polyesteric nanosponges have developed. Considering the high potential of interaction with cations in solution, the use of these biopolymers for primary water softening has been explored, confirming their applicability in the role of adsorbent material along urban and industrial water networks. Fundamental characterization methodologies, such as FTIR-ATR and TGA, have been initiated, obtaining detailed information on the structure and chemical composition. A study of microbial biodegradability was essential to define the phenomenon of degradation as a function of time once the polymers were subjected to the attack of the bacterium B.Subtilis. In this way, PMDA-based nanosponges have been shown increased biostability, remaining unchanged for 14 days. The performance of materials in hard water has been demonstrated by initiating an abatement technique to detect ion exchange capacity, and then undertaking kinetic and isothermal studies to understand their adaptability to empirical models, verifying their efficiency as a function of time and concentration of dissolved salts. PMDA-based polymers have been shown to be better at adsorption of magnesium ions, while citric acid nanosponges are suitable for capturing calcium ions. Kinetic and isothermal studies have confirmed results found in the literature, demonstrating a better trend with almost second order ((kinetics) and Freundlich (isotherms), due to the heterogeneity of the surface cavities and different attachment points.

L’ acqua identifica quell’elemento naturale essenziale per una moltitudine di utilizzi. Tuttavia, il cambiamento climatico ostacola il regolare flusso idrico, arricchendolo di sostanze inquinanti. Inoltre, si provoca un aumento dei sali presenti e, in presenza di alte concentrazioni di ioni calcio e magnesio, l’acqua è definibile dura. Numerose sono le questioni connesse a tali proprietà chimico-fisiche dell’acqua, quali diverse patologie, la corrosione delle tubazioni industriali e l’alterazione di habitat acquatici. In passato si sono adottati metodi di addolcimento convenzionali, come la filtrazione su membrana e la precipitazione chimica, mostrandosi efficienti ma presentando alcune limitazioni. Il processo di adsorbimento identifica il processo più promettente: la sabbia rivestita e la bentonite sono modelli di materiali di secondo rilievo che, malgrado la poca appetibilità sul mercato, hanno mostrato importanti capacità di adsorbimento. Attualmente, si sono progettati nuovi sistemi di adsorbimento ecosostenibili caratterizzati da materiali rinnovabili di derivazione naturale. Selezionando tra una vasta gamma di materiali di scarto e più raffinati, l’interesse scientifico ha individuato una famiglia di oligomeri complessi parzialmente idrolizzati dall’alto carattere di purezza: le maltodestrine e le ciclodestrine. Nonostante il loro eccellente comportamento di adsorbimento, presentano un’alta idrofilia. Dall’unione di una destrina con un agente di reticolazione, si sono realizzati polimeri insolubili di ultima generazione iper-reticolati definiti nanospugne. Sono considerabili effettivi biopolimeri, biocompatibili e biodegradabili, promettenti in svariati settori, come quello farmaceutico. Il progetto si è focalizzato sula sintesi e sull’applicazione sperimentale di tre differenti destrine (β-CD, LC e Glu-2) che, combinandole con due agenti reticolanti (PMDA, ossia dianidride piromellitica, e acido citrico), hanno sviluppato nanospugne poliesteriche di seconda generazione. Considerando l’alto potenziale di interazione con cationi in soluzione, si è esplorato l’utilizzo di questi biopolimeri per l'addolcimento primario dell'acqua, confermando la loro applicabilità nel ruolo di materiale adsorbente lungo le reti idriche urbane e industriali. Le tecniche di caratterizzazione FTIR-ATR e TGA hanno permesso di ottenere informazioni dettagliate sulla struttura e composizione chimica. Uno studio di biodegradabillità microbica è stato essenziale per definire il fenomeno di degradazione in funzione del tempo sottoponendo i polimeri all’attacco del B.Subtilis, rilevando una biostabilità maggiore per le nanospugne a base di PMDA (14 giorni). Le prestazioni in acqua dura si sono dimostrate avviando una tecnica di abbattimento per rilevare la capacità di scambio ionico, per poi intraprendere studi cinetici e isotermici allo scopo di comprendere la loro adattabilità a modelli empirici, verificando la loro efficienza in funzione del tempo e della concentrazione di sali disciolti. I polimeri a base di PMDA si sono dimostrati migliori nell’adsorbimento di ioni magnesio, mentre le nanospugne di acido citrico sono adatte nel catturare gli ioni calcio. Gli studi cinetici e isotermici hanno confermato risultati reperibili in letteratura, dimostrando una tendenza migliore con i modelli cinetici quasi del secondo ordine (cinetici) e Freundlich (isotermici), a causa dell'eterogeneità delle cavità superficiali e dei diversi punti di attacco.