SILICIO: SI’ all’ambiente!• La loro formula chimica generale è: (Na, K, Ca0, 5)x [AlxSin-xO 2...
1
Zeoliti, il minerale anti-inquinamento Caratteristiche • «Una zeolite è una sostanza cristallina con struttura caratterizzata da un'impalcatura di tetraedri uniti tra loro, dove ciascun tetraedro è formato da quattro ossigeni disposti attorno a un catione. Il framework comprende cavità aperte sotto forma di gabbie e canali. Queste cavità sono solitamente occupate da molecole di acqua e da cationi extra-framework scambiabili». Definizione della IMA-CNMMN (International mineralogical association-commission on new minerals and mineral names) - 1997 • La loro formula chimica generale è: (Na, K, Ca0, 5 )x [AlxSin-xO 2 n]•mH2O • I tetraedri SiO 4 sono elettricamente neutri quando legati tra loro in un reticolo tridimensionale come il quarzo. La sostituzione di Si(IV) con Al(III) nella struttura provoca uno squilibrio di carica e, per conservare la elettroneutralità, ogni tetraedro AlO 4 deve essere controbilanciato da una carica positiva. La carica proviene da cationi legati in modo elettrostatico alla zeolite. Depurazione delle acque • Le zeoliti sono impiegate in diversi campi: nella produzione di detergenti, come catalizzatori in ambito industriale, in agricoltura, nel settore ambientale per la depurazione delle acque e dell’aria. Grazie alla loro capacità di scambio ionico, sono in grado di rimuovere dai reflui: - metalli tossici (Cu 2+ Pb 2+ Hg 2+ Zn 2+ As 3+ ) - isotopi radioattivi (90Sr e 137 Ce) - NH 4+ da reflui urbane o da acque derivanti da pescicoltura e acquari - altri cationi quali Rb + , Li + ,K + , Cs + , Na + , Ag+, Cd ++ , Ba ++ , Sr ++ , Ca ++ , Hg ++ , Mg ++ , Fe 3+ , Co ++ , Al 3+ ,Cr 3+. • Le acque da trattare vengono filtrate su colonna di zeoliti. L’efficienza di rimozione dipende da molteplici fattori, tra cui la concentrazione di cationi competitivi e la selettività della zeolite. • In particolare le zeoliti a base di Phillipsite o Clinoptilolite hanno una spiccata selettività verso lo ione ammonio (NH 4+ ) ed i cationi dei radionuclidi (Cs + , Sr ++ ), mentre la zeolite a base di Chabasite ha una spiccata selettività verso i cationi di metalli pesanti (Pb, Cd, Cu, Zn, As, Hg). Fitodepurazione su letto di zeoliti • Questa tecnica permette l’eliminazione di alcune specie trattenute dalle zeoliti e prevede l’impiego di piante radicate (macrofite emergenti microrizzate appositamente prodotte in vivaio) su un letto di zeolite con formazione della «wetland». Le radici micorrizate consentono alla pianta un assorbimento migliore e più selettivo dei vari cationi dei metalli pesanti (metalli con densità maggiore di 4,5 g/cm 3 ) e radio nuclidi eventualmente presenti nel refluo. Rimozione di inquinanti organici da acque reflue Durante il percorso di PCTO presso il DISIT UPO di Vercelli abbiamo condotto uno studio sulla capacità di adsorbimento di inquinanti organici propria di diversi materiali a base di silicio. Lo studio è finalizzato a dare soluzioni concrete per il trattamento dei reflui di tintoria, caratterizzati dalla presenza di coloranti organici. Per aumentare la capacità di adsorbimento si è cercato di aumentare l’area superficiale del materiale, diminuendo le dimensioni delle particelle e creando delle porosità. Il lavoro è iniziato con la sintesi dei materiali, la silice Stöber, la Silice MCM-41 nanometrica e la saponite 110, per poi passare a valutare la loro efficienza nella rimozione di coloranti. È un semimetallo e nella sua forma cristallina ha un colore grigio e lucentezza metallica. È relativamente inerte, reagisce con gli alogeni (fluoro, cloro) e con gli alcali. Non è attaccato dagli acidi, tranne che dall’acido fluoridrico. Viene impiegato per indurire leghe a base di Al, Mg, Cu, nella preparazione di acciai speciali; è il più importante materiale semiconduttore, ed è quindi largamente usato in elettronica. È utilizzato per fabbricare i pannelli fotovoltaici. CARATTERISTICHE DEL SILICIO configurazione elettronica [Ne]3s 2 3p 2 Punto di fusione 1 410°C Punto di ebollizione 2 350 °C densità 2 320 kg/m³ Conducibilità elettrica 2,52 × 10−4 /m·Ω Il silicio metallurgico viene preparato mediante riduzione carbotermica del quarzo: SiO2 + 2 C + energia → Si + 2 CO T=2000°C, purezza 98%. Per utilizzare il silicio come semiconduttore in circuiti elettronici, è necessario un grado di purezza più elevato. Si procede con il metodo Siemens che sintetizza i clorosilani: 2 Si + 7 HCl → SiHCl 3 + SiCl 4 +3H 2 + energia T=350°C Il triclorosilano ottenuto viene purificato per distillazione e successivamente ridotto in corrente di idrogeno: SiHCl 3 + H 2 –> Si + 3HCl T1000°C. Si ottiene così silicio policristallino di grado solare o elettronico (Si) con purezza pari a 99,9999999%. Il silicio elementare venne preparato da Berzelius all’inizio dell’Ottocento, scaldando potassio e SiCl 4 e rimuovendo i fluorosilicati con una serie di lavaggi. Il Silicio purificato ottenuto era amorfo. Nel 1886 Deville ottenne il silicio cristallino. Le celle solari basate sul silicio amorfo hanno bassa efficienza (8%), quelle realizzate con silicio policristallino hanno un’efficienza quasi doppia (15-16%) che sale al 16-17% se si impiega silicio monocristallino. Queste ultime celle sono però le più costose. Sulla Terra è il secondo elemento per abbondanza. Il silicio non si trova in forma elementare in natura, ma sotto forma di ossido SiO 2 (es. quarzo, ametista – in figura) e silicati nelle rocce ignee (es. graniti), sedimentarie (es. vesuvianite) e metamorfiche (es. argille). http://leos.unipv.it/slides/lecture/Produzione_di_silicio_per_il_fotovoltaico_-_presente_e_futuro_-_Trento_28_10_2010.pdf; https://ilblogdellasci.wordpress.com/, R. Cervellati, Elementi della Tavola Periodica: Silicio https://brevetti.cnr.it/InfoCatalogo.do?nsrif=1889&dip=0 - Introduzione alla fitodepurazione – autorità d’ambito 2 «Biellese, Vercellese, Casalese» - Enciclopedia Treccani Negli impianti di fitodepurazione di questo tipo, lo ione ammonio viene trattenuto dalla zeolite e poi rilasciato lentamente in modo tale che venga ossidato a ione nitrato dai microrganismi presenti (nitrosomonas e il nitrobacter). Una piccola parte degli ioni nitrato prodotti vengono utilizzati come nutrienti delle piante acquatiche. I batteri denitrificanti provvedono a trasformare la restante parte di ioni nitrato in N 2 , gas inerte in atmosfera. Anche i metalli pesanti e i radio nuclidi (se presenti nel refluo) vengono prima catturati per scambio cationico dalla zeolite presente e rimossi dal refluo. La zeolite provvede poi a un rilascio graduale dei cationi che permette alle radici delle piante di catturarli e traslocarli nel fusto e nelle foglie, dove si andranno ad accumulare. Una volta ogni due o tre anni, quando si effettua lo sfalcio delle piante, si rimuovono anche i metalli pesanti e i radio nuclidi recuperati dal refluo trattato nella wetland. Gli sfalci potranno poi essere smaltiti tal quali presso un centro autorizzato oppure inceneriti. Dalle ceneri ottenute, infine, potranno essere recuperati i metalli assorbiti dalle piante, per essere riutilizzati in processi industriali. Zeoliti da fly ash • Un gruppo di ricercatori del CNR ha brevettato negli USA un processo di sintesi di zeoliti a partire da fly ash (prodotto di scarto delle centrali a carbone) in modo economicamente conveniente utilizzando acqua di mare a basse temperature (30-60°C). E’ un esempio virtuoso di economia circolare che riutilizza un rifiuto, che andrebbe stoccato in apposite discariche, in un materiale di partenza per la sintesi di zeoliti da utilizzare in impianti di depurazione di acque inquinate e nella bonifica terreni contaminati da metalli pesanti come nichel, piombo e manganese e da inquinanti organici. Anche l’utilizzo di acqua di mare è interessante perché è una risorsa facilmente reperibile a basso costo (a differenza dell’acqua distillata) e perché aumenta le rese delle zeoliti prodotte. Silice Stöber Questa silice non presenta pori e quindi possiede meno superficie di contatto per l’adsorbimento rispetto alla silice MCM-41. La sintesi seguita permette di ottenere una silice amorfa con dimensioni micrometriche. Silice MCM-41 Ha struttura nanometrica e mesoporosa, con pori di diametro inferiore a 2 nm. La sintesi della MCM 41 avviene grazie tensioattivi cationici (CTAC) e di copolimeri a blocchi (pluronic f127), che agiscono come agenti strutturanti per le molecole di silice e vengono rimosse al Termine della sintesi. Condensazione della SiO 2 Rimozione del surfattante Metodi Per determinare l’efficacia di abbattimento di un inquinante si utilizza un campione a concentrazione nota di cristal violetto o di rodamina B e si effettua la determinazione spettrofotometrica della concentrazione residuale, in seguito ad assorbimento delle silici o di saponite, a intervalli di tempo prefissati. Si è valutata l’efficacia di saponite in polvere o in pastiglie. Saponite 110 La saponite è un’argilla con morfologia lamellare con dimensioni di circa 50 nm. Essa adsorbe materiale inquinante grazie alla presenza di cariche elettriche presenti nella sua struttura. Cristal violetto Rodamina B Risultati Cristal violetto Saponite in polvere (o,2 g/100 ml) Cristal violetto Pastiglia: o,2 g di saponite, 11 mg di metilcellulosa 33 mg di acqua Conclusioni Silice Stöber, silice MCM-41 e saponite si sono rivelati efficaci nella rimozione di coloranti da soluzioni. I primi due grafici evidenziano prestazioni migliori della saponite in pastiglie piuttosto che in polvere. Nel terzo grafico si è valutata la diversa interazione della saponite con due diversi coloranti: è risultato migliore l’adsorbimento della Rodamina B. Nel quarto grafico si è riscontrato un adsorbimento più efficiente della silice MCM-41 mesoporosa con struttura nanometrica rispetto alla silice Stöber, confermando l’ipotesi di lavoro iniziale. La prestazione della saponite è molto interessante, soprattutto in relazione al suo costo più contenuto. Confronto abbattimento diversi coloranti I.T.I. «GIULIO CESARE FACCIO» VERCELLI – DIPARTIMENTO DI CHIMICA – Anna Colosimo, Siria Lacchia, Rebecca La Grotteria SILICIO: Sì all’ambiente!
Transcript of SILICIO: SI’ all’ambiente!• La loro formula chimica generale è: (Na, K, Ca0, 5)x [AlxSin-xO 2...
![Page 1: SILICIO: SI’ all’ambiente!• La loro formula chimica generale è: (Na, K, Ca0, 5)x [AlxSin-xO 2 n]•mH2O • I tetraedri SiO 4 sono elettricamente neutri quando legati tra loro](https://reader035.fdocumenti.com/reader035/viewer/2022062916/5ebc2e6cfd72b802790ed3f2/html5/thumbnails/1.jpg)
Zeoliti, il minerale anti-inquinamentoCaratteristiche• «Una zeolite è una sostanza cristallina con struttura caratterizzata da un'impalcatura di tetraedri uniti tra loro, dove
ciascun tetraedro è formato da quattro ossigeni disposti attorno a un catione. Il framework comprende cavità aperte sottoforma di gabbie e canali. Queste cavità sono solitamente occupate da molecole di acqua e da cationi extra-frameworkscambiabili». Definizione della IMA-CNMMN (International mineralogical association-commission on new minerals andmineral names) - 1997
• La loro formula chimica generale è: (Na, K, Ca0,5)x [AlxSin-xO2n]•mH2O• I tetraedri SiO4 sono elettricamente neutri quando legati tra loro in un reticolo tridimensionale come il quarzo. La
sostituzione di Si(IV) con Al(III) nella struttura provoca uno squilibrio di carica e, per conservare la elettroneutralità, ognitetraedro AlO4 deve essere controbilanciato da una carica positiva. La carica proviene da cationi legati in modoelettrostatico alla zeolite.
Depurazione delle acque• Le zeoliti sono impiegate in diversi campi: nella produzione di detergenti, come catalizzatori in ambito industriale, in
agricoltura, nel settore ambientale per la depurazione delle acque e dell’aria. Grazie alla loro capacità di scambio ionico,sono in grado di rimuovere dai reflui:
- metalli tossici (Cu2+ Pb2+ Hg2+ Zn2+ As3+)- isotopi radioattivi (90Sr e 137 Ce)- NH4+ da reflui urbane o da acque derivanti da pescicoltura e acquari- altri cationi quali Rb+, Li+, K+, Cs+, Na+, Ag+, Cd++, Ba++, Sr++, Ca++, Hg++, Mg++, Fe3+, Co++, Al3+,Cr3+.
• Le acque da trattare vengono filtrate su colonna di zeoliti. L’efficienza di rimozione dipende da molteplici fattori, tra cui laconcentrazione di cationi competitivi e la selettività della zeolite.
• In particolare le zeoliti a base di Phillipsite o Clinoptilolite hanno una spiccata selettività verso lo ione ammonio (NH4+) ed icationi dei radionuclidi (Cs+, Sr++), mentre la zeolite a base di Chabasite ha una spiccata selettività verso i cationi di metallipesanti (Pb, Cd, Cu, Zn, As, Hg).
Fitodepurazione su letto di zeoliti• Questa tecnica permette l’eliminazione di alcune specie trattenute dalle zeoliti e prevede l’impiego di piante radicate
(macrofite emergenti microrizzate appositamente prodotte in vivaio) su un letto di zeolite con formazione della «wetland».Le radici micorrizate consentono alla pianta un assorbimento migliore e più selettivo dei vari cationi dei metalli pesanti(metalli con densità maggiore di 4,5 g/cm3) e radio nuclidi eventualmente presenti nel refluo.
Rimozione di inquinanti organici da acque reflueDurante il percorso di PCTO presso il DISIT UPO di Vercelli abbiamo condotto uno studio sulla capacità di adsorbimento diinquinanti organici propria di diversi materiali a base di silicio. Lo studio è finalizzato a dare soluzioni concrete per iltrattamento dei reflui di tintoria, caratterizzati dalla presenza di coloranti organici. Per aumentare la capacità diadsorbimento si è cercato di aumentare l’area superficiale del materiale, diminuendo le dimensioni delle particelle e creandodelle porosità. Il lavoro è iniziato con la sintesi dei materiali, la silice Stöber, la Silice MCM-41 nanometrica e la saponite 110,per poi passare a valutare la loro efficienza nella rimozione di coloranti.
È un semimetallo e nella sua forma cristallinaha un colore grigio e lucentezza metallica.
È relativamente inerte, reagisce con gli alogeni(fluoro, cloro) e con gli alcali. Non è attaccatodagli acidi, tranne che dall’acido fluoridrico.
Viene impiegato per indurire leghe a base di Al,Mg, Cu, nella preparazione di acciai speciali; èil più importante materiale semiconduttore, edè quindi largamente usato in elettronica. Èutilizzato per fabbricare i pannelli fotovoltaici.
CARATTERISTICHE DEL SILICIO
configurazione elettronica [Ne]3s23p2
Punto di fusione 1 410°C
Punto di ebollizione 2 350 °C
densità 2 320 kg/m³
Conducibilità elettrica 2,52 × 10−4 /m·Ω
Il silicio metallurgico viene preparatomediante riduzione carbotermica del quarzo:
SiO2 + 2 C + energia → Si + 2 CO
T=2000°C, purezza 98%. Per utilizzare il silicio come semiconduttore in
circuiti elettronici, è necessario un grado dipurezza più elevato. Si procede con il metodoSiemens che sintetizza i clorosilani:
2 Si + 7 HCl → SiHCl3 + SiCl4 + 3 H2 + energiaT=350°C
Il triclorosilano ottenuto viene purificato perdistillazione e successivamente ridotto incorrente di idrogeno:
SiHCl3 + H2 –> Si + 3HClT1000°C.Si ottiene così silicio policristallino di grado
solare o elettronico (Si) con purezza pari a99,9999999%.
Il silicio elementare venne preparato daBerzelius all’inizio dell’Ottocento, scaldandopotassio e SiCl4 e rimuovendo i fluorosilicaticon una serie di lavaggi. Il Silicio purificatoottenuto era amorfo.
Nel 1886 Deville ottenne il silicio cristallino. Le celle solari basate sul silicio amorfo hanno
bassa efficienza (8%), quelle realizzate consilicio policristallino hanno un’efficienza quasidoppia (15-16%) che sale al 16-17% se siimpiega silicio monocristallino. Queste ultimecelle sono però le più costose.
Sulla Terra è il secondo elemento perabbondanza.
Il silicio non si trova in forma elementare innatura, ma sotto forma di ossido SiO2 (es.quarzo, ametista – in figura) e silicati nellerocce ignee (es. graniti), sedimentarie (es.vesuvianite) e metamorfiche (es. argille).
http://leos.unipv.it/slides/lecture/Produzione_di_silicio_per_il_fotovoltaico_-_presente_e_futuro_-_Trento_28_10_2010.pdf; https://ilblogdellasci.wordpress.com/, R. Cervellati, Elementi della Tavola Periodica: Siliciohttps://brevetti.cnr.it/InfoCatalogo.do?nsrif=1889&dip=0 - Introduzione alla fitodepurazione – autorità d’ambito 2 «Biellese, Vercellese, Casalese» - Enciclopedia Treccani
Negli impianti di fitodepurazione di questo tipo, lo ione ammonio vienetrattenuto dalla zeolite e poi rilasciato lentamente in modo tale chevenga ossidato a ione nitrato dai microrganismi presenti (nitrosomonase il nitrobacter). Una piccola parte degli ioni nitrato prodotti vengonoutilizzati come nutrienti delle piante acquatiche. I batteri denitrificantiprovvedono a trasformare la restante parte di ioni nitrato in N2, gasinerte in atmosfera.Anche i metalli pesanti e i radio nuclidi (se presenti nel refluo) vengonoprima catturati per scambio cationico dalla zeolite presente e rimossi dalrefluo.
La zeolite provvede poi a un rilascio graduale dei cationi che permette alle radici delle piante di catturarli e traslocarli nelfusto e nelle foglie, dove si andranno ad accumulare. Una volta ogni due o tre anni, quando si effettua lo sfalcio dellepiante, si rimuovono anche i metalli pesanti e i radio nuclidi recuperati dal refluo trattato nella wetland. Gli sfalcipotranno poi essere smaltiti tal quali presso un centro autorizzato oppure inceneriti. Dalle ceneri ottenute, infine,potranno essere recuperati i metalli assorbiti dalle piante, per essere riutilizzati in processi industriali.
Zeoliti da fly ash• Un gruppo di ricercatori del CNR ha brevettato negli USA un processo di sintesi di zeoliti a partire da fly ash (prodotto di
scarto delle centrali a carbone) in modo economicamente conveniente utilizzando acqua di mare a basse temperature(30-60°C). E’ un esempio virtuoso di economia circolare che riutilizza un rifiuto, che andrebbe stoccato in appositediscariche, in un materiale di partenza per la sintesi di zeoliti da utilizzare in impianti di depurazione di acque inquinate enella bonifica terreni contaminati da metalli pesanti come nichel, piombo e manganese e da inquinanti organici. Anchel’utilizzo di acqua di mare è interessante perché è una risorsa facilmente reperibile a basso costo (a differenza dell’acquadistillata) e perché aumenta le rese delle zeoliti prodotte.
Silice StöberQuesta silice non presenta pori e quindi possiede meno superficie di contatto per l’adsorbimento rispetto alla silice MCM-41. La sintesi seguita permette di ottenere una silice amorfa con dimensioni micrometriche.
Silice MCM-41 Ha struttura nanometrica e mesoporosa, con pori didiametro inferiore a 2 nm. La sintesi della MCM 41 avvienegrazie tensioattivi cationici (CTAC) e di copolimeri a blocchi(pluronic f127), che agiscono come agenti strutturanti perle molecole di silice evengono rimosse alTermine della sintesi.
Condensazione
della SiO2
Rimozione del
surfattante
MetodiPer determinare l’efficacia di abbattimento di uninquinante si utilizza un campione a concentrazione notadi cristal violetto o di rodamina B e si effettua ladeterminazione spettrofotometrica della concentrazioneresiduale, in seguito ad assorbimento delle silici o disaponite, a intervalli di tempo prefissati.Si è valutata l’efficacia di saponite in polvere o in pastiglie.
Saponite 110La saponite è un’argilla conmorfologia lamellare condimensioni di circa 50 nm.Essa adsorbe materialeinquinante grazie allapresenza di caricheelettriche presenti nellasua struttura.
Cristal violetto Rodamina B
Risultati
Cristal violettoSaponite in polvere (o,2 g/100 ml)
Cristal violettoPastiglia: o,2 g di saponite, 11 mg di metilcellulosa 33 mg di acqua
Conclusioni Silice Stöber, silice MCM-41 e
saponite si sono rivelati efficaci nellarimozione di coloranti da soluzioni.
I primi due grafici evidenzianoprestazioni migliori della saponite inpastiglie piuttosto che in polvere.
Nel terzo grafico si è valutata ladiversa interazione della saponitecon due diversi coloranti: è risultatomigliore l’adsorbimento dellaRodamina B.
Nel quarto grafico si è riscontrato unadsorbimento più efficiente dellasilice MCM-41 mesoporosa construttura nanometrica rispetto allasilice Stöber, confermando l’ipotesi dilavoro iniziale.
La prestazione della saponite è moltointeressante, soprattutto in relazioneal suo costo più contenuto.
Confronto abbattimento diversi coloranti
I.T.I. «GIULIO CESARE FACCIO» VERCELLI – DIPARTIMENTO DI CHIMICA – Anna Colosimo, Siria Lacchia, Rebecca La Grotteria
SILICIO:Sì
all’ambiente!
