PRODUZIONE, MODIFICA E CARATTERIZZAZIONE DEL BIOCHAR PER APPLICAZIONI AMBIENTALI, AGRICOLE ED ENERGETICHE

In recent times, biochar has emerged as a highly versatile material with enormous potential for use as a sustainable and renewable material in various applications in agriculture, the environment, and energy systems to address the growing challenges of waste management, climate change, and resource scarcity. Biochar is a carbonaceous char product with distinct physical and chemical properties that is typically produced by the pyrolysis of various biomass wastes, including agricultural and forestry waste. However, biochar's performance in any application is strongly influenced by its intrinsic properties, which are determined by the production parameters and feedstock type. Despite its versatility, the performance of pristine biochar derived from biomass in many applications is hindered by its limited properties. It requires enhancing its characteristics using various modification techniques to achieve the desired properties. This work aims to improve biochar properties through three novel modification approaches: (1) optimizing pyrolysis parameters using CO₂ atmospheres, (2) chemically activating with alkali hydroxides (KOH, NaOH) in CO₂ atmosphere, and (3) doping with non-metal heteroatoms (B, N, P, O) to synthesize functional biochar. In the first approach, the effects of a CO2 atmosphere on biochar modification from slow pyrolysis of rice husk (RH), food waste (FW), and grape waste (GW) biomasses were investigated at various pyrolysis conditions. The second modification technique examined the effects of the CO2 atmosphere on the chemical activation of biochar with alkalis (KOH and NaOH) at a moderate pyrolysis temperature for rice husk biomass. The third modification technique involves synthesizing novel functionalized biochar catalysts by impregnating biomass (sugarcane bagasse) with specific nonmetal heteroatoms (oxygen, nitrogen, phosphorus, and boron). The performance assessment of modified biochars was then studied for aqueous heavy metals adsorption, soil properties, metal immobilizations, and bio-oil upgrading in catalytic pyrolysis. The main findings revealed that using a CO2 atmosphere in pyrolysis significantly increased the specific surface area and pore volume by 153% and 373% for RH biochar, 96% and 303% for GW biochar, and 52% and 12% for FW biochar when compared to inert N2 pyrolysis. Furthermore, chemical activation of biochar under a CO2 atmosphere revealed that, compared to N2 atmosphere, using CO2 in activation slightly decreased carbon content and biochar yields while significantly increasing the textural properties and oxygen functionalities of biochars with both alkalis (KOH and NaOH). The KOH-activated biochar exhibited maximum surface area and pore volume of 178.4 m²/g and 0.60 cm³/g, which was 3.2 and 30 times greater than unmodified biochar. The third modification method showed that boron doping resulted in biochars with an exceptional surface area of 431.5 m²/g and a pore volume of 0.204 cm³/g, along with newly introduced boron-oxygen functionalities. Thereafter, the performance evaluations revealed that modified biochars outperformed unmodified biochars in removing heavy metals from aqueous solutions, immobilizing heavy metals in mining soil, improving soil physicochemical properties, and upgrading biofuels in catalytic pyrolysis processes. Overall, this study contributes significantly to the advancement of biochar development by modifying biochar properties using problematic CO2 gas, optimizing the chemical activation process, and functionalizing novel biochar catalysts to bridge important research gaps in biochar modification processes, thereby promoting its performance and applicability as a sustainable material.

Negli ultimi tempi, il biochar è emerso come un materiale altamente versatile con un enorme potenziale nell’utilizzo come materiale sostenibile e rinnovabile in varie applicazioni come in agricoltura, nell’ambiente e nei sistemi energetici per affrontare le crescenti sfide della gestione dei rifiuti, del cambiamento climatico e della scarsità di risorse. Il biochar è un prodotto carbonioso con distinte proprietà fisiche e chimiche, ed è tipicamente prodotto mediante pirolisi di biomasse di scarto, inclusi i sottoprototti agricoli e forestali. Tuttavia, le prestazioni del biochar nelle diverse applicazione sono fortemente influenzate dalle sue proprietà intrinseche, che sono determinate dalle condizioni di produzione e dal tipo di biomassa alimentata. Nonostante la sua versatilità, in molte applicazioni le prestazioni del biochar derivato dalla biomassa sono ostacolate dalle sue proprietà limitate. È necessario migliorare le sue caratteristiche utilizzando varie tecniche di modifica per ottenere le proprietà desiderate. Questo lavoro mira a migliorare le proprietà del biochar attraverso tre approcci di modifica innovativi: (1) ottimizzazione delle condizioni operative di pirolisi utilizzando atmosfere di CO₂, (2) attivazione chimica con idrossidi alcalini (KOH, NaOH) in atmosfera di CO₂, e (3) doping con eteroatomi non metallici (B, N, P, O) per sintetizzare un biochar funzionale. Nel primo approccio, sono stati studiati gli effetti di un'atmosfera di CO2 sulla modifica del biochar ottenuto dalla pirolisi lenta delle biomasse di paglia di riso (RH), rifiuti alimentari (FW) e scarti di uva (GW) in diverse condizioni di pirolisi. La seconda tecnica di modifica ha esaminato gli effetti dell'atmosfera di CO2 sull'attivazione chimica del biochar con alcali (KOH e NaOH) di pirolisi della pula di riso a una temperatura moderata. La terza tecnica di modifica prevede la sintesi di nuovi catalizzatori di biochar funzionalizzati mediante l'impregnazione della biomassa (bagassa di canna da zucchero) con specifici eteroatomi non metallici (oxygen, nitrogen, phosphorus, and boron). La valutazione delle prestazioni dei biochar modificati è stata studiata per l'adsorbimento di metalli pesanti in fase acquosa, per le proprietà del suolo, per l'immobilizzazione dei metalli e per il miglioramento/raffinazione del bio-olio nella pirolisi catalitica. I principali risultati hanno dimostrato che l'uso dell’atmosfera di CO2 nella pirolisi ha aumentato significativamente l'area superficiale specifica e il volume dei pori del 153% e del 373% per il biochar RH, del 96% e del 303% per il biochar GW, e del 52% e del 12% per il biochar FW rispetto alla pirolisi in atmosfera inerte di N2. Inoltre, l'attivazione chimica del biochar in un'atmosfera di CO2 ha rivelato che, rispetto all'atmosfera di N2, l'uso di CO2 nell'attivazione ha leggermente ridotto il contenuto di carbonio e i rendimenti del biochar, mentre ha significativamente aumentato le proprietà testurali e le funzionalità dell'ossigeno dei biochar con entrambi gli alcali (KOH and NaOH). Il biochar attivato con KOH ha mostrato una superficie specifica e un volume dei pori di 178.4 m²/g e 0.60 cm³/g, che sono rispettivamente 3.2 e 30 volte superiori rispetto al biochar non modificato. Il terzo metodo di modifica ha mostrato che il doping con boro ha portato a biochar con un'area superficiale di 431.5 m²/g e un volume dei pori di 0.204 cm³/g, insieme a nuovi gruppi funzionali boro-ossigeno introdotte. Successivamente, è stato dimostrato che i biochar modificati hanno performato meglio dei biochar non modificati nell'eliminazione dei metalli pesanti dalle soluzioni acquose, nell'immobilizzazione dei metalli pesanti nel suolo minerario, nel miglioramento delle proprietà fisico-chimiche del suolo e nella raffinazione del bio-olio nei processi di pirolisi catalitica.