Il biossido di titanio per le colture protette : nuovi scenari applicativi. Protezione dai contaminanti e ottimizzazione della luce nella serra mediterranea

In this research work, I analyse properties and current applications of the titanium dioxide, with the future opportunity for an application in relation with food contamination and light transmission inside Mediterranean greenhouses. In the first part of the work I study the crops subjected to air pollution as a factor of contamination of the food chain and the opportunity of a titanium dioxide application. Air pollution on one hand causes direct damages to crops, with consequent economic losses. On the other hand, it also pollutes the food chain until it becomes a risk for the human health. I investigate which are the crops most subjected to air pollution and which are the contaminants that bioaccumulate in the food chain. Today there is not any application that protects the crops from the atmospheric deposition. In the second part of the thesis I study the optical properties of the polymers additive with titanium dioxide and the light requirements of greenhouses in the Mediterranean area. The NIR (near infrared) filters are specially required in the Mediterranean greenhouse, which is subjected to overheating. These filters are able to reflect the near infrared radiation and transmit the visible light, necessary for the photosynthesis process. The filters that already exist are far away from reaching an optimal standard, that is why this is a research field open to interesting developments. The titanium dioxide is used for the photocatalytic degradation of few contaminants both in gas and in water phase. In this work, I analyse the opportunity, the limits and the fields of research of this technology with the aim of realizing an application for the crops protection from the atmospheric deposition of pollutants. Optical application for the selective reflectance of specific wavelength already uses the titanium dioxide property. So it is studied the opportunity of a sol-gel coating for polymeric films for the selective reflection of the NIR spectrum. Laboratory tests have been made with a spectrophotometer, to evaluate the transmission of NIR and PAR in two samples of LDPE and EVA films coated with TiO2.

In questo lavoro vengono analizzate due problematiche relative al settore dell’agricoltura: i vegetali come elemento di contaminazione nella catena alimentare e il surriscaldamento nella serra mediterranea. Le coltivazioni situate in zone a rischio come zone urbane e industriali vengono contaminate dagli agenti inquinanti presenti nell’ambiente. Le vie di contaminazione sono tre: irrigazione, assorbimento via radicale dal suolo e deposizione atmosferica. A differenza delle acque irrigue e dei suoli che possono essere, anche se non in maniera ottimale, depurati, nulla viene fatto per la deposizione atmosferica che rimane tuttora una delle maggiori fonti di inquinamento per alcune specie vegetali. L’ingestione di cibo e acqua sono la principale forma di assunzione di alcuni metalli pesanti, come cadmio e piombo, da parte dell’uomo. L’esposizione ai contaminanti derivati da inquinamento ambientale, attraverso la catena alimentare, non è evitabile e gli organi di controllo sulla sicurezza alimentare stabiliscono i limiti massimi per la loro assunzione. Tuttavia questi limiti sono stabiliti sulla base di un sapere scientifico che è ancora lontano dalla piena consapevolezza dell’effetto di tali sostanze sul lungo termine; l’obiettivo dunque è quello di diminuire il loro tenore all’interno degli alimenti così da ridurre il più possibile il fattore di rischio per la salute umana. Il biossido di titanio è una sostanza largamente usata nel settore industriale grazie alle sue proprietà e potenzialità. La letteratura scientifica mostra come questa sostanza sia in grado di degradare molti elementi e composti chimici, tra cui anche i metalli pesanti, attraverso il processo della fotocatalisi. Sulla base di tali affermazioni è ipotizzabile l’applicazione di una protezione costituita da un rivestimento di biossido di titanio che funga da barriera degradando le sostanze inquinanti che contaminano le coltivazioni attraverso la deposizione atmosferica. Sono però ancora molti gli aspetti e le problematiche irrisolte che necessitano di ulteriori ricerche e sperimentazioni per rendere questa tecnologia usufruibile in maniera effettiva per questo tipo di applicazione ambientale. La serra mediterranea, a causa del clima, ha bisogno di ricevere al suo interno una luce che sia selezionata nelle lunghezze d’onda e diffusa, così da inondare le piante in maniera uniforme. Le piante hanno bisogno, per il processo fotosintetico, di luce visibile, mentre lo spettro di luce nel vicino infrarosso non è utile per la pianta ed è causa di surriscaldamento all’interno della serra. Ad oggi ci sono diversi sistemi per il raffreddamento della serra tra cui la ventilazione e l’imbiancamento delle coperture. Queste tecniche però non sono sempre efficaci quindi, in specifici contesti, l’uso di teli che trasmettano la luce in maniera selettiva sarebbe la soluzione ideale. Esistono già in commercio dei filtri che selezionano la luce (filtri NIR) ma sono ancora lontani dalla qualità richiesta perché, oltre a bloccare la banda del vicino infrarosso, limitano anche la trasmissione della luce visibile. Il biossido di titanio viene già usato in applicazioni ottiche per ottenere rivestimenti antiriflesso o per la riflessione di determinate lunghezze d’onda. L’obiettivo della ricerca è quello di sviluppare un filtro che sfrutti le potenzialità offerte dal comportamento ottico del biossido di titanio in termini di diffusività e riflessione selettiva delle lunghezze d’onda così da ottenere un filtro per film polimerici che incrementi il fenomeno dello scattering (diffusione della luce) e che blocchi la radiazione NIR (near infrared) garantendo invece il più alto tasso possibile di radiazione visibile.