Nanocomposito di ossido metallico ternario per la rimozione di H2S e gas SO2 a temperatura ambiente in condizioni umide

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 15387 (2022) Citare questo articolo

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Un nanocomposito di ossido ternario Mn–Zn–Fe è stato fabbricato mediante un metodo di coprecipitazione in un unico passaggio per la rimozione dei gas H2S e SO2 a temperatura ambiente. Il nanocomposito ha ZnO, MnO2 e ferriti con un'area superficiale di 21,03 m2 g−1. L'adsorbente si è rivelato efficace nel mineralizzare meglio i gas solforosi acidi in condizioni umide. Il materiale ha mostrato una capacità massima di rimozione di H2S e SO2 rispettivamente di 1,31 e 0,49 mmol g−1, nelle condizioni sperimentali ottimizzate. Le analisi spettroscopiche hanno confermato la formazione di solfuro, zolfo e solfito come prodotti mineralizzati di H2S. Inoltre, il nanocomposito potrebbe convertire la SO2 in solfato come unico sottoprodotto dell’ossidazione. L'ossidazione di questi gas tossici è stata guidata dalla dissoluzione e dissociazione delle molecole di gas nell'acqua adsorbita sulla superficie, seguita dal comportamento redox degli ioni dei metalli di transizione in presenza di ossigeno molecolare e acqua. Pertanto, lo studio ha presentato un potenziale adsorbente nanocomposito per applicazioni di desolforazione profonda.

La contaminazione dell’aria è un problema globale che è stato amplificato da varie attività antropiche negli ultimi decenni. Tra i numerosi contaminanti atmosferici che intossicano l'aria, l'idrogeno solforato (H2S) e il biossido di zolfo (SO2) sono noti per causare gravi danni alla salute umana e all'ambiente. L'H2S è un gas tossico dall'odore pungente rilasciato dalla materia organica in decomposizione, dall'industria petrolifera, dalle centrali termoelettriche a carbone e gas naturale e dagli impianti di trattamento delle acque reflue1,2. L’esposizione acuta a H2S a livelli di 200–500 ppm potrebbe paralizzare il nervo olfattivo e oltre 500 ppm potrebbe portare alla morte improvvisa2,3. Inoltre, la conversione di H2S in SO2 e la sua idrolisi per formare piogge acide potrebbero acidificare il suolo e i corpi idrici, il che potrebbe essere disastroso rispettivamente per le piante e la vita marina4,5. L'SO2 è un gas tossico incolore con un odore pungente, che potrebbe causare diversi disturbi respiratori come bronchite cronica e infezioni delle vie respiratorie6. Mentre una bassa concentrazione di SO2 pari a 1–5 ppm è sufficiente per provocare disagio umano, un’esposizione superiore a 100 ppm potrebbe essere pericolosa per la vita7. Le principali fonti di SO2 atmosferico sono le centrali termoelettriche e le emissioni dei veicoli8. Pertanto, la rimozione di H2S e SO2 dal punto di origine dovrebbe essere prioritaria per limitare la contaminazione dell’aria e prevenire eventi catastrofici come la formazione di smog e piogge acide.

L'adsorbimento chimico di questi gas tossici su una superficie adsorbente è uno dei metodi più semplicistici ed economici per assorbire e mineralizzare i gas H2S e SO2 in sottoprodotti non tossici come zolfo e solfati9. Inoltre, il chemisorbimento è altamente efficiente per le applicazioni di desolforazione dei gas di scarico e di purificazione del gas naturale, che sono impegnative, sia dal punto di vista fondamentale che dal punto di vista economico1,10. A questo scopo, gli ossidi metallici hanno mostrato un grande potenziale a causa della presenza di siti basici deboli (ossigeno reticolare) e gruppi basici OH–, che potrebbero reagire con gas acidi come H2S e SO2 (agendo come donatori di elettroni)11,12. La reattività superficiale degli ossidi metallici per questi gas potrebbe essere amplificata in presenza di molecole d'acqua. Innanzitutto, lo strato d'acqua sulla superficie dell'ossido metallico reagisce in modo dissociativo e migliora la densità dell'idrossile. In secondo luogo, il film d'acqua superficiale dissolve le molecole di gas, abbassando la barriera energetica per l'interazione reattiva con la superficie dell'ossido metallico e favorendo così il processo complessivo di chemisorbimento13,14,15,16,17. Vale quindi la pena esplorare l’effetto positivo dell’acqua durante l’adsorbimento di gas acidi sugli ossidi metallici, che è il fulcro di questo lavoro di ricerca. Inoltre, è altrettanto importante esplorare materiali adsorbenti per la bonifica di concentrati a basso contenuto di H2S/SO2 per confermare l’applicabilità degli adsorbenti nelle applicazioni di desolforazione profonda e purificazione del gas.