Sviluppo di processi per la conversione idrotermica di biomasse e materiali residuali

La nascita della bioeconomia, basata sull’utilizzo sostenibile di risorse naturali e sulla loro trasformazione in beni e servizi, ha creato una crescente richiesta di biomassa che può mettere in discussione la sostenibilità della fornitura di tale risorsa. Si rende necessario lo sviluppo di un approccio circolare che permetta di produrre di più consumando meno. In tale panorama possono giocare un ruolo chiave i processi idrotermici, ovvero trattamenti termochimici in grado di trasformare biomasse dall’elevato contenuto di umidità in vettori energetici, chemicals e prodotti ad alto valore aggiunto. Nei processi termochimici tradizionali l’elevato contenuto di umidità è un limite, al contrario, nei trattamenti idrotermici l’acqua svolge il ruolo di catalizzatore, reagente e solvente. I trattamenti biochimici, invece, sono caratterizzati da tempi di reazione molto lunghi e possono risentire della presenza di contaminanti o patogeni. I processi idrotermici sono estremamente flessibili, in grado di trattare substrati anche molto differenti tra loro in termini di umidità o per la natura stessa del residuo (rifiuti solidi urbani, residui lignocellulosici, fanghi di depurazione), trasformandoli in bio-prodotti dalle molteplici applicazioni. Le condizioni operative determinano le caratteristiche chimico-fisiche, la distribuzione e la qualità dei prodotti ottenuti. La ricerca in questo settore è sempre attiva, con indagini volte a testare nuovi utilizzi dei materiali prodotti o ad ottimizzare il processo per il trasferimento al settore industriale. Il Capitolo 1 fornisce una panoramica sullo stato dell’arte della ricerca ponendo particolare attenzione ai punti di forza e debolezza del processo. Nel Capitolo 2 è descritto l’apparato sperimentale progettato e costruito presso l’Università dell’Aquila e la sua messa a punto per lo studio dei processi idrotermici. Vengono mostrati i benefici risultanti dall’utilizzo di uno step di espansione. Sono riportati i test condotti su una biomassa modello per valutare l’effetto della temperatura sulla distribuzione dei prodotti e le loro caratteristiche. Il Capitolo 3 riporta i risultati degli studi cinetici relativi alla carbonizzazione idrotermica di biomasse lignocellulosiche. Viene mostrato il ruolo chiave della conducibilità elettrica della fase liquida per la modellazione dell’evoluzione temporale delle proprietà dei prodotti ottenuti ed il monitoraggio del processo industriale. Vengono proposti due modelli in grado di descrivere l’andamento in funzione del tempo del contenuto di carbonio, del potere calorifico, dei rapporti atomici e di altre rilevanti variabili di processo. Nel Capitolo 4 sono riportati i risultati degli studi relativi alla carbonizzazione idrotermica di substrati organici non lignocellulosici, estendendo i risultati mostrati nel capitolo precedente a questa ulteriore tipologia di biomassa. Considerando un possibile riutilizzo degli scarti come combustibile, l’attenzione è focalizzata sulle proprietà come combustibile. Inoltre, viene presentato un innovativo approccio stocastico nell’indagine dei dati derivanti dai processi idrotermici. Nel Capitolo 5 è mostrata la procedura sperimentale per la valutazione di diversi schemi di processo basati sulla carbonizzazione di biomasse residuali. Vengono quantificati i vantaggi dell’utilizzo di una fase di espansione a valle del reattore. Nel Capitolo 6 vengono riportati i risultati dell’indagine su un utilizzo non energetico dell’hydrochar, mostrando l’influenza del tempo di residenza del processo di HTC sulle proprietà come adsorbente dell’hydrochar. Il solido carbonizzato viene attivato con KOH, analizzato per valutarne le caratteristiche morfologiche e la porosità e confrontato con tradizionali sorbenti commerciali. Sono riportati i risultati di test di adsorbimento di CO2 e di una miscela CO2+CH4 effettuati con tecnologia di adsorbimento a pressione oscillante (PSA).