PROPERTIES OF ADSORBENT MATERIALS AND THEIR APPLICATIONS IN ENVIRONMENTAL AND SUSTAINABLE CHEMISTRY

La separazione di grandi quantità di sostanze chimiche da miscele per ottenere prodotti puri è alla base di molti processi industriali. Questi processi spesso comportano l’utilizzo di tecnologie ad alto consumo energetico. Lo sviluppo di tecniche separative economiche, efficaci, sicure e rapide è ancora una sfida per molti settori industriali. Tra le varie tecniche separative, l’adsorbimento è tuttora considerato un metodo robusto e affidabile per la purificazione di fluidi a basso costo e alta efficienza. Uno dei principali vantaggi dei processi di adsorbimento è la loro capacità di rimuovere contaminanti a livelli di concentrazione molto bassi, condizione operativa in cui la maggior parte delle altre tecniche separative sono scarsamente efficienti a causa del basso gradiente di concentrazione coinvolto. Tecnologie basate sull’adsorbimento vengono impiegate con successo in molti campi, tra cui in ambito ambientale in metodologie per la rimediazione e per il trattamento di acque reflue. Il mantenimento della qualità delle acque dolci come risorsa di acqua potabile e la salvaguardia delle acque naturali per il mantenimento di sistemi vitali (acquacoltura e riserva di biodiversità) è diventato un obiettivo importante. I contaminanti presenti nelle acque comprendono una grande varietà di sostanze chimiche, organiche o inorganiche. Il principale obiettivo di questo lavoro di tesi è lo studio dell’efficienza di diversi materiali adsorbenti per la rimozione di alcune classi di contaminanti da matrici acquose. In particolare, sono stati studiati sia gli aspetti cinetici che termodinamici del processo di adsorbimento. Inoltre, sono state eseguite analisi strutturali per valutare i meccanismi coinvolti in questo processo. Nel presente lavoro sono stati selezionati materiali adsorbenti che differiscono tra loro sia nella composizione chimica sia nella struttura. Questi materiali possono essere classificati in due classi: (i) materiali alluminosilicati microporosi sintetici (zeoliti) e (ii) materiali carbonatici (gusci di conchiglie, canestrelli). I gusci di canestrelli, costituiti da calcio carbonato di origine biogenica, sono stati selezionati come bioadsorbenti per la rimozione di metalli pesanti da soluzioni acquose. I gusci di molluschi rappresentano uno scarto dell’industria alimentare, le caratteristiche della matrice della conchiglia, come la disposizione degli strati di CaCO3 e la presenza di componenti organici, rendono le conchiglie dei materiali adatti per l’adsorbimento di ioni metallici, come cadmio, piombo e nickel, per migliorare la qualità delle acque. Le zeoliti sono state invece impiegate per l’adsorbimento di contaminanti organici, nello specifico per la rimozione da soluzioni acquose di toluene, esano, clorobenzene e il metabolita EMA (2-etil- 6-metilanilina) derivante dalla degradazione del pesticida metolachlor. Tra le svariate applicazioni in cui le zeoliti vengono impiegate, il loro utilizzo come catalizzatori è uno dei più comuni. Questo studio include un lavoro riguardo zeoliti sostituite con gallio, ottenute tramite impregnazione umida (adsorbimento) su tre zeoliti aventi diversa struttura e composizione chimica. I materiali così ottenuti sono stati caratterizzati per determinare la natura e struttura dei siti Ga3+. In questo caso, l’adsorbimento è stato impiegato per creare un materiale con particolari caratteristiche per potenziali applicazioni nel campo della chimica sostenibile riguardo la conversione di biomassa in prodotti di vasto impiego industriale.

The separation of the components of large quantities of chemical mixtures into pure forms is at the basis of most industrial processes. These processes often involve the application of energy consumption technologies. The development of economic, effective, safe and rapid separation techniques in many industrial sectors at a large scale is still a challenging issue. Among the different separation techniques, adsorption, a consolidated technology, is still considered to be a reliable and robust method to purify fluids at low cost and with high efficiency. One of the main advantages of adsorption based technologies is that they are capable of removing contaminants in very low concentrations range, an operative condition where most other separation techniques are scarcely efficient due to the small concentration gradients involved. Adsorption base technologies have been successfully employed in many fields and among them in environmental remediation methodologies. The preservation of fresh water as a source of potable water and the safeguard of natural waters as life preservation systems (cultivation of aquatic food and reservoir of evolutionary diversity) has become important objectives. Water pollutants include a wide spectrum of chemicals, they may be organic or inorganic substances. The main objective of this work of thesis is to evaluate the efficiency of different adsorbent materials in the removal of some classes of contaminants from aqueous matrices. The adsorption process was studied to determine both kinetics and thermodynamics properties of the adsorption process. In addition, structural investigation approaches have been adopted to enlighten the mechanisms underlying the process. In the present study, adsorbent materials, different from each other in structure and chemical composition, were selected. They can be categorized in two main classes: (i) silico aluminate synthetic microporous adsorbents (zeolites) and (ii) carbonatic bioadsorbents (scallop shell). Scallop shells, composed of biogenic calcium carbonate, were chosen as bio-adsorbents for the removal of heavy metals from water solution. Mollusc shells represent a waste originating from seafood processing, the features of the shell matrix such as the disposition of the CaCO3 layers and the presence of organic components, make mollusc shells a suitable material for the uptake of metal ions, such as cadmium, lead and nickel, improving the quality of water bodies. Zeolites were instead employed for the adsorption of organic contaminants, in specific for the removal from aqueous solutions of toluene, hexane, chlorobenzene and the metabolite EMA (2- ethyl-6-methylaniline) originating from the degradation of the pesticide metolachlor. Among the many applications in which zeolites are employed, their use as catalysts is one of the most common. This study includes a work on gallium substituted zeolites; gallium was introduced by wet impregnation (adsorption) on three different zeolites and the obtained materials were characterised to determine the nature and structure of the Ga3+ sites. In this case, adsorption has been used to generate a material with interesting characteristics and potential application in the sustainable chemistry field concerning the biomass conversion in platform chemicals.