LA1.1.18 – Valorizzazione di materiali carboniosi prodotti da processi termochimici di lignine e plastiche

Attività

Sulla base dell’esperienza ENEA nella valorizzazione di materiali di scarto (quali residui di biomassa e rifiuti plastici) attraverso processi termochimici per la produzione di combustibili avion e materiale ad alto valore aggiunto, si è messo a punto un nuovo processo di pirolisi in cui l’attenzione è focalizzata non soltanto sulle frazioni liquida e gassosa ma soprattutto sul residuo carbonioso. Si cerca infatti di ottenere dei materiali che non siano completamente privi dei gruppi funzionali tipici della lignina, in particolare delle funzionalità contenenti ossigeno, ma facilmente modulabili per essere in grado di legare catalizzatori metallici e/o i loro precursori in un sistema termicamente stabile, dotato di una matrice redox attiva, da utilizzare come catalizzatori metallo-grafite e come materiali per elettrodi in celle elettrolitiche. Nel caso di sintesi di catalizzatori da utilizzare in differenti processi di gassificazione per la produzione di H2, la funzionalizzazione con metalli (quali nichel e ferro) avviene contemporaneamente al processo pirolitico ed a temperature non superiori ai 450 °C; per la produzione di grafene si utilizza un reattore operante a temperature di pirolisi più alte (~1000 °C) per la sintesi di hard carbon successivamente esfoliato per via elettrochimica in modo da ottenere grafene

Sintesi di catalizzatori da biomassa e reforming del metano

• Utilizzo di un nuovo sistema riscaldante in grado di raggiungere alte temperature in brevissimo tempo, caratterizzato da una struttura in allumina ad alta resistenza termica con rivestimento interno in grafite, per ridurre le dispersioni termiche. Il sistema di riscaldamento, in fase di brevettazione, sfrutta un effetto ohmico e induttivo generato da una bobina ad alta frequenza.

• Scelte delle condizioni operative di pirolisi: vuoto continuo, temperatura di 450 °C e diversi tempi di durata del processo; utilizzo di nichel e ferro alle  concentrazioni di 3% e 6% rispetto alla biomassa iniziale (lignina Kraft).

• Test dei 4 catalizzatori sintetizzati nel processo di gassificazione; i risultati sono riportati nella figura ed evidenziano come i catalizzatori a base di nichel, mostrino buone prestazioni sia in termini di resa di idrogeno che di stabilità nel tempo, suggerendo un’elevata attività iniziale che tende a ridursi con i tempi di esposizione più lunghi, probabilmente a causa dell’adsorbimento dell’idrogeno nei siti attivi. I test di desorbimento hanno infatti confermato la capacità dei materiali di trattenere H₂, rilasciandolo solo dopo trattamento prolungato a 600 °C.

Produzione di hard carbon e grafene per uso in campo elettrochimico

• Pirolisi ad alta temperatura (1100 °C) di una lignina commerciale (lignina alkali). Le prove preliminari condotte hanno mostrato che I migliori risultati sono stati ottenuti utilizzando un crogiolo semi-sigillato all’interno del reattore alla temperatura di 1100°C per un periodo di trattamento pari a 2h. Il materiale prodotto ha mostrato un accettabile grado di cristallinità, confermato da analisi di diffrazione a raggi X (XRD) ed una buona conducibilità termica (1,61 Ω), che lo rende un materiale idoneo per il suo utilizzo in campo elettrochimico.

• Messa a punto di un nuovo processo di sintesi di grafene, come mostrato in figura, partendo dalla pirolisi ad alta temperatura di una miscela di lignina alkali commerciale e plastica di scarto (nylon e polietilene). La grafite così ottenuta, è stata successivamente sottoposta ad un processo di esfoliazione elettrochimica per l’ottenimento di grafene. Il grafene ottenuto trova impiego in diversi settori, tra cui batterie e supercapacitori, dispositivi elettronici e sensori, materiali compositi per la produzione di elettrodi.

Risultati

In collaborazione con:

Università degli Studi di Milano Bicocca

Università di Witwatersrand, Johannesburg

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