Sintesi "green" di nanoparticelle di magnetite (Fe3O4) e loro incapsulamento in sferette di alginato calcico per applicazione come adsorbenti di As (V)

Nanoscale iron oxide particles represent a new generation of cost-effective sorbent materials for the remediation of some challenging pollutants. Among the various synthesis of magnetite nanoparticles (Fe3O4-NPs), a generally applied procedure has been the co-precipitation of Fe2+ and Fe3+ ions by NaOH in aqueous solutions, by the following reaction: 2Fe3+ + Fe2+ + 8OH- → FeO∙Fe2O3 + 4 H2O. Biosynthesis of Fe3O4-NPs has been recently recognized to be a simple, environmentally friendly, pollutant-free and low cost approach. When biosynthesis is the selected method to produce Fe3O4-NPs, the iron salts mixture is previously contacted with a solution of a natural bioagent and then NaOH is added to raise the pH necessary to the precipitation of the iron oxide. It has been reported that green synthesis of nanoparticles produces NPs of small size and good stability as the bioagent acts as reducing and capping agent. In this thesis, magnetite nanoparticles have been synthetized using the extract of grape stalks waste as bioagent. A factorial experimental design was applied to optimize the biosynthesis, investigating the effect of four independent variables on Fe3O4-NPs size: concentration of iron salts mixture, volume of grape stalks extract, time of contact between iron salts and extract and reaction time of the alkaline mixture. The synthesis experiments were conducted randomly at four different levels of the independent variables coded as –α, -1, 0, 1, +α for high and low values, respectively with seven central points to give a total of 31 synthesis runs. The low and high levels of the variables were selected according to the results obtained in some preliminary experiments. The predicted response was NPs size measured by dynamic light scattering (DLS). All the subsequent synthesis were carried out at the optimal conditions, i.e. the best parameters of obtaining the lowest size of the Fe3O4-NPs (z= 86,9736nm [78,5436nm <z< 95,4036nm]): [Fe3+] = 0.02mM, contact time= 15 min, GSE volume= 22mL, final equilibration time= 30 min. These nanoparticles were encapsulated in calcium alginate beads and tested for arsenic(V) removal from aqueous solutions.  

Le nanoparticelle di ossido di ferro rappresentano una nuova classe di materiali adsorbenti economici per la bonifica di alcuni inquinanti. Tra le varie sintesi delle nanoparticelle di magnetite (Fe3O4-NP), una procedura generalmente impiegata è la precipitazione di Fe2+ e Fe3+ con NaOH in soluzione acquosa. La reazione chimica che avviene è: 2Fe2+ + Fe3+ + 8OH-  FeO∙Fe2O3 + 4H2O. Un approccio semplice, ecologico, non tossico e a basso costo, è la sintesi suddetta condotta con reagenti ecocompatibili. In tal caso, la miscela dei sali di ferro è messa a contatto con una soluzione naturale di un bioagente, a cui successivamente viene aggiunto NaOH, fino a raggiungere il valore di pH che porta alla totale precipitazione dell’ossido di ferro. Si è osservato che questa “sintesi green” porta alla formazione di nanoparticelle di piccole dimensioni e con buona stabilità, dato che il bioagente agisce sia da riduttore che da agente cappante. In questo lavoro le nanoparticelle di magnetite sono state sintetizzate utilizzando come bioagente l’estratto acquoso di un rifiuto vegetale: il raspo d’uva. Per l’ottimizzazione della biosintesi è stato usato un experimental design fattoriale studiando l’effetto di quattro variabili indipendenti sulla dimensione delle Fe3O4-NP: la concentrazione dei sali di ferro, la quantità di estratto del raspo d’uva (GSE, Grape Stalk Extract), il tempo di contatto tra la soluzione di sali di ferro e l’estratto e il tempo finale di omogeneizzazione dopo l’aggiunta di NaOH. Per costruire la matrice sperimentale, sono stati condotti vari esperimenti in maniera random a quattro diversi livelli delle variabili indipendenti (indicati come –α, -1, 0, 1, +α dal valore più alto al più basso, rispettivamente) con 7 punti centrali per un totale di 31 sintesi. I valori dei livelli delle variabili sono stati scelti in accordo con i risultati ottenuti in alcuni esperimenti preliminari. La risposta prevista è stato il valore della dimensione delle nanoparticelle misurato mediante la tecnica DLS (Dynamic Light Scattering) Le Fe3O4-NP sono state sintetizzate nelle condizioni ottimali per avere il diametro medio minore z= 86,9736nm [78,5436nm <z< 95,4036nm]): [Fe3+] = 0.02mM, tempo di contatto soluzione di ferro e GSE = 15 min, volume di GSE = 22mL, tempo di equilibrazione finale = 30 min. Tali nanoparticelle sono state incapsulate in sferette di alginato calcico, per attestare la loro capacità adsorbente nei confronti dell’arsenico(V) presente in soluzioni acquose.