HomeRicercaLinee di ricercaAmbiente, edilizia e patrimonio culturaleGeopolimeri per l’industria di processo

Geopolimeri per l’industria di processo

Materiali a porosità gerarchica, sorbenti, membrane e oxygen carriers

Responsabili: Elena Landi, Valentina Medri, Francesco Miccio, Annalisa Natali Murri, Elettra Papa
Personale coinvolto: Cesare Melandri, Andreana Piancastelli

L’attività di CNR-ISSMC è dedicata allo sviluppo di matrici e compositi geopolimerici per applicazioni in ingegneria chimica quali:

  • filtrazione e purificazione;
  • membrane composite;
  • adsorbimento selettivo di CO2;
  • Chemical Looping Combustion/ produzione O2;
  • catalisi (tar reforming);
  • wiking;

I geopolimeri sono polimeri inorganici sintetici a base alluminosilicatica o fosfatica legati chimicamente a T<300 °C. I geopolimeri alcalini in base alla loro composizione sono l’equivalente amorfo-semicristallino delle zeoliti cristalline. Oltre a una meso-porosità intrinseca, grazie a tecniche di foaming si può variare opportunamente la micro-meso-macro-ultra-macro porosità. In particolare, per materiali porosi a base geopolimerica si possono indicare quattro tipologie di prodotti:

  • compositi particellari mesoporosi con aggregati microporosi (zeoliti) o macro-porosi, o ossido metallico funzionale;
  • geopolimeri mesoporosi con porosità globulare macro-ultra macro;
  • geopolimeri mesoporosi con porosità lamellare unidirezionale macro-ultra macro;
  • sfere e granuli millimetrici mesoporosi con porosità lamellare, globulare e/o o ossido metallico funzionale.

Nell’ambito di collaborazioni internazionali e progetti nazionali quali PNRR, PRIN, PON e POR-FESR, nonché di contratti di ricerca industriale, sono stati sviluppate porosità gerarchicamente organizzate e prodotti prototipi di dimensione preindustriale e/o è stata sviluppata la composizione del materiale attraverso il mix-design.

I progetti PRIN GEA coordinato da CNR-ISSMC, POR FESR SMARTH2O e PNRR ECOSISTER (SPOKE 3 e 5) si occupano di adsorbimento/separazione/riciclo di CO2 ed inquinanti da acque reflue. Separazione gas/adsorbimento CO2:

I geopolimeri grazie alla loro porosità distribuita su diverse scale di lunghezza ed a una struttura molecolare simile alle zeoliti hanno una buona capacità di adsorbimento selettivo di CO2. Sia nella forma di granuli sia come monoliti possono essere impiegati in apparecchiature di cattura di CO2 post-combustione con efficienze di poco inferiori a quelle di materiali di altra natura (es. carboni attivi), ma con migliori caratteristiche di resistenza meccanica e di formatura.

Purificazione delle acque reflue da inquinanti: Le acque reflue contengono diversi inquinanti quali metalli pesanti, ammonio e fosfato (che favoriscono l’eutrofizzazione) e coloranti miscelati con vari contaminanti e sono una delle maggiori cause di inquinamento ambientale. I geopolimeri, grazie alla struttura zeolitica, possono essere efficacemente impiegati nell’assorbimento per scambio ionico, che è uno dei metodi più efficienti per la purificazione delle acque. In particolare, le sfere geopolimeriche di dimensione millimetrica risultano le più semplici da impiegare in contesto industriale.

CLC – Chemical Looping Combustion è una tecnica che consente la separazione inerente di CO2 prodotta da combustibile fossile, dall’azoto dell’aria di combustione grazie al trasporto chimico dell’ossigeno. Analogamente il Chemical Loop può essere utilizzato per altri processi, ad esempio, la separazione di O2 dall’aria o la generazione di idrogeno puro. Geopolimeri funzionalizzati con ossidi metallici possono essere utilizzati in forma di granuli o di monoliti macroporosi in cicli ad alta temperatura per combustione CLC di metano e syngas.

Nell’ambito del progetto POR-FESR “TERMOREF” (2016-2018) si sono sviluppati catalizzatori compositi innovativi ‘green’(sostenibili) per il TAR reforming, costituiti da ossidi attivi dispersi in una matrice geopolimerica. Gli stessi materiali sono stati positivamente testati anche come oxygen carriers in processi di chemical looping combustion.

Nell’ambito del PON01_00375 “PANDION” è’ stato realizzato un evaporatore Loop Heat Pipe (LHP) contenente due wicks geopolimerici concentrici a porosità differenziata. Un heat pipe è un dispositivo che può scambiare grandi quantità di calore con una differenza di temperatura molto piccola tra l’interfaccia calda e fredda, mediante evaporazione e condensazione di un fluido di lavoro. Un LHP consiste di un evaporatore (pompa capillare), una camera di compensazione, un condensatore e linee di vapore e di liquido. Il dispositivo finale è stato testato da SAB srl con TRL 5.

Strumenti e Processi

Le tecniche di foaming diretto e indiretto come l’utilizzo di blowing agents o l’ice templating devono essere opportunamente adattate ai materiali geopolimerici settando i parametri di processo in modo da evitare un’interferenza con il processo di geopolimerizzazione. I metodi di sferificazione (iniezione e consolidamento in PEG, azoto liquido e gelazione ionotropica) permettono la produzione anche a livello industriale di sfere millimetriche (2-3 mm a seconda del processo) a diversa porosità, adatte per la purificazione delle acque. Il Cold Sintering Process (CSP) è usato per produrre membrane geopolimeriche da geopolimero di scarto e zeolite tramite l’applicazione di pressione e temperatura, in presenza di minime quantità di attivatore.

Principali collaborazioni

Progetti

Pubblicazioni e brevetti

Loop Heat Pipe realizzato con wicks geopolimerici concentrici a porosità differenziata e Sfere geopolimeriche per purificazione delle acque reflue