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Mirko LEONE vincitore del Premio di Laurea “Giorgio Squinzi” promosso da Federchimica

Il nostro ex-studente di Industrial Chemistry Mirko Leone è risultato vincitore del Premio di Laurea “Giorgio Squinzi” bandito da FEDERCHIMICA nell’ambito della “Ricerca Chimica in funzione della Sostenibilità e dell’Economia Circolare.

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Mirko, sotto la guida della Prof.ssa Antonella GERVASINI, relatore della tesi e del Dr. Sebastiano Campisi, correlatore della tesi, ha partecipato al bando presentando una tesi dal titolo: “Tin-functionalized hydroxyapatite for hexavalent chromium removal and resuse as catalyst in gas phase reactions”, con la quale è risultato vincitore del Premio “Giorgio Squinzi”, edizione 2020, per l’Università degli Studi di Milano.

Il progetto di tesi, nato inizialmente da una collaborazione con Heidelberg Cement – Italcementi, sviluppa diverse tematiche che vedono impegnate Federchimica, tra cui la ricerca chimica in funzione della sostenibilità e dell’economia circolare. In particolare, cuore della ricerca svolta è la valorizzazione di un biomateriale inorganico, idrossiapatite, in una prospettiva di economia circolare che coinvolge sia gli ambiti della decontaminazione dell’acqua dalla specie tossica cromo esavalente, Cr(VI), sia l’applicazione in processi per la tutela della qualità dell’aria.

decontaminazione dell’acqua dalla specie tossica cromo esavalente

L’idrossiapatite (Ca10-x(PO4)6-x(HPO4)x(OH)2-x con 0 < X < 1, di seguito indicata come HAP) è  una fase stabile di fosfato di calcio disponibile in natura, nella forma minerale o come costituente del tessuto osseo di mammiferi, sintetizzabile in laboratorio a partire da reagenti a basso costo. HAP ha importanti applicazioni tecnologiche; oltre al largo uso in campo biomedico, da anni è impiegata, nuda, come sorbente o, opportunamente funzionalizzata, come catalizzatore.  In particolare, le proprietà che rendono HAP un materiale promettente per queste applicazioni sono: la bassa solubilità in acqua (KS,25°C=2.3∙10-59), una superficie con composizione modulabile e con proprietà anfotere e un’elevata sostituzione degli ioni Ca2+ con vari ioni metallici di forte impatto ambientale (Pb2+, Cd2+, ecc.) o di interesse catalitico (Cu2+, Fe3+, Co2+, etc.).  

Purtroppo, l’HAP non è in grado di catturare per semplice adsorbimento Cr(VI), in quanto quest’ultimo è prevalentemente presente in acqua come anione cromato (CrO42-) nell’intervallo di pH 6-14, e non è in grado di sostituirsi agli anioni strutturali dell’HAP (OH- e PO43-) a causa dell’ingombro sterico e repulsioni elettrostatiche. D’altro canto, l’HAP si è dimostrata in grado di catturare e trattenere sulla sua struttura la specie Cr(III). Quest’ultimo è il principale prodotto della riduzione chimica di Cr(VI). La riduzione Cr(VI)-Cr(III) rappresenta una delle più comuni tecnologie impiegate per la bonifica di acque industriali e terreni dal cromo esavalente. La tecnologia attuale prevede la riduzione in fase omogenea di Cr(VI) a Cr(III) in presenza di un riducente (elettrondonatore), tipicamente sali di Sn(II) o Fe(II). Tuttavia, i liquidi trattati in questo modo contengono ancora una quantità elevata di specie metalliche (Cr(III), presente come idrossido insolubile, Fe(III) o Sn(IV) e Fe(II) o Sn(II) non reagiti), i quali, pur non essendo tossici, possono risultare dannosi se presenti in alte concentrazioni.

L’idea centrale del progetto di tesi è stata di “eterogeneizzare” il processo di riduzione del Cr(VI) mediante funzionalizzazione di HAP con Sn(II) e di combinarlo la riduzione con il processo di immobilizzazione di Cr(III) formato. L’innovativa strategia di “riduzione-immobilizzazione” consente non solo di convertire Cr(VI) nel più innocuo Cr(III), ma permette inoltre di trattenere tutte le specie metalliche coinvolte nel processo in fase solida, minimizzando il rilascio di metalli ed evitando la formazione di specie nocive persistenti in acqua/terreni. In aggiunta, i materiali ottenuti dal processo di riduzione-immobilizzazione di Cr(VI) (che contengono Sn(IV) e Cr(III) sulla superficie di HAP), possono poi essere ulteriormente valorizzati come catalizzatori in alcune reazioni di catalisi ambientale per la tutela della qualità dell’aria.

Nel corso dell’attività di tesi sono stati preparati diversi materiali Sn(II)/HAP a diversa concentrazione di stagno, attraverso una semplice procedura di deposizione di stagno in fase acquosa a partire da semplici sali si stagno (SnCl2∙2H2O). Le prestazioni dei materiali preparati sono stati valutati nel processo di riduzione-immobilizzazione, investigando alcune variabili operative di interesse pratico quali temperatura (5 – 45°C) , tempo di contatto (2 – 24 h), dosaggio (0.5 – 10 g/L), pH (2, 7 e 9) e concentrazione iniziale delle soluzioni di Cr(VI) (50 – 150 ppm) a partire da acque reflue industriali simulate. I test di riduzione-immobilizzazione effettuati hanno dimostrato che Sn(II)/HAP con una concentrazione di Sn del 12.5% p/p è capace di ridurre fino a 18 mgCr/g di Cr(VI e catturarome Cr(III)l, corrispondente ad un’efficienza di rimozione del 99% quando 100 mg di materiale sono posti in contatto con 22 mL di soluzione acquosa di Cr(VI) con concentrazione iniziale di 80 ppm.

Dopo questa prima attività, i materiali Sn(II)/HAP esausti sono stati recuperati ed impiegati nuovamente come catalizzatori in reazioni di interesse ambientale. In particolare, sono stati eseguiti test catalitici preliminari in alcune reazioni di denitrificazione (NH3-SCR, NH3-SCO). I risultati più promettenti sono stati osservati nella reazione di ossidazione selettiva di NH3 a N2 (NH3-SCO).

In conclusione, con la presente attività di tesi è possibile affermare che sono state poste le basi per la messa a punto di un progetto sostenibile basato su un materiale green rivolto alla tutela ambientale che opera in un’ottica di economia circolare.

La cerimonia di consegna del Premio si svolgerà il prossimo mese di febbraio 2021.

A Mirko le più vive congratulazioni da tutto il Dipartimento.

08 gennaio 2021
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