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

Attività

Sulla base dell’esperienza ENEA nella valorizzazione termochimica di biomasse residue e rifiuti plastici, è stato sviluppato un processo di pirolisi orientato non solo alla produzione delle frazioni liquida e gassosa, ma soprattutto alla valorizzazione del residuo carbonioso. L’obiettivo è ottenere materiali che mantengano funzionalità ossigenate derivate dalla lignina, modulabili e idonee al legame con metalli o loro precursori, formando matrici termicamente stabili e redox-attive utilizzabili come catalizzatori metallo-grafite, materiali adsorbenti e materiali per elettrodi.

Sintesi di catalizzatori da biomassa e reforming del metano 
Pirolisi rapida di lignina Kraft a T:450 °C per 4h e sotto vuoto, con Ni o Cu al 3–6% (w/w) mediante un nuovo sistema riscaldante ohmico-induttivo ad alta frequenza. Produzione di H2 da reforming catalitico del metano a T: 600 °C per 15’, 30’ e 60’.

Sintesi di materiali adsorbenti da biomassa e nylon 6 di scarto                                             
Pirolisi a T:450 °C per 4h di miscele di lignina Kraft (OL) solubilizzata in NaOH e nylon(PA6) in soluzione di acido formico a diverse concentrazioni ed arricchite con nichel al 2.5 % (w/w) e 10% (w/w). Loro utilizzo come materiali adsorbenti per H₂ e CO₂.

Produzione di hard carbon e grafene per applicazioni elettrochimiche                  
Pirolisi a T:1100 °C per 2 h in crogiolo semi-sigillato di miscele a base di lignina alkali e polietilene (PE) e lignina alkali e nylon; esfoliazione elettrochimica del materiale grafitico con produzione di grafene.

Risultati

• I catalizzatori a base di lignina, in particolare quelli con aggiunta di Ni (3%), hanno mostrato alta stabilità termica e buone rese in H₂ (70–80%). La diminuzione dell’attività nel tempo è da attribuita all’adsorbimento di H₂ sui siti attivi, confermata dai test di desorbimento. I catalizzatori a base di Cu hanno invece mostrato prestazioni inferiori.

• Il rapporto PA6/OL, il contenuto di Ni e il metodo di introduzione del metallo determinano struttura, comportamento termico e proprietà adsorbenti dei materiali sintetizzati. La pirolisi a 450 °C aumenta l’aromaticità del materiale e riduce i principali gruppi funzionali. I campioni con maggiore quantità di nylon mostrano il miglior equilibrio tra adsorbimento di CO₂ e H₂, mentre quelli più ricchi in lignina favoriscono maggiormente la CO₂.

• La pirolisi ad alta temperatura di lignina e plastiche di scarto (PE e nylon), seguita da esfoliazione elettrochimica, ha consentito di ottenere materiali con caratteristiche riconducibili a grafene mono-, few- e multilayer, confermate da analisi XRD, Raman e AFM. Alcune disomogeneità morfologiche, più evidenti nei campioni derivati da PE, possono essere attribuite a un’esfoliazione non completamente uniforme e alla presenza di residui della matrice plastica. L’ambiente acido impiegato durante l’esfoliazione può inoltre favorire l’introduzione di gruppi ossigenati sulla superficie dei fogli grafenici. Nel complesso, i risultati evidenziano il potenziale di lignina e plastiche riciclate come precursori sostenibili per la produzione di grafene e materiali carboniosi avanzati, di interesse per elettrodi, accumulo energetico, catalisi e materiali compositi.

In collaborazione con:

l’ Università degli Studi di Milano Bicocca, Dipertimento di Scienze dell’Ambiente e della Terra (Prof. Heiko Lange) e l’ Università di Witwatersrand, Johannesburg

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