Caratterizzazione di composti contenenti eteroatomi in biomasse e olii di pirolisi che inibiscono o riducono la trasformazione delle stesse in bio-carburante e bio-energia.

La dipendenza da fonti energetiche fossili e l’ingente produzione di plastica sono tra le problematiche aventi il maggior impatto ambientale nella società moderna. Per quanto riguarda la prima, la minore disponibilità del petrolio grezzo e la maggiore consapevolezza nel ridurre le emissioni di anidride carbonica hanno aumentato l’interesse nell’orientarsi a fonti di energia meno dipendenti da quelle fossili. In questo contesto, potenziali fonti di origine biologica (vegetale o animale) hanno guadagnato un interesse crescente come alternativa ai carburanti fossili. Queste sono trasformate riscaldando la biomassa essiccata in assenza di ossigeno, generando così un bio-olio (conosciuto anche come olio di pirolisi) [1]. Per quanto riguarda il problema della plastica è sufficiente ricordare che nel 2018, nella sola Europa, sono state prodotte 29.1 milioni di tonnellate di rifiuti di plastica, in gran imballaggi. Negli ultimi anni il riciclo e la trasformazione di questi prodotti sono aumentati notevolmente: nel 2018, infatti, il 42% degli imballaggi è stato riciclato, il 39% trasformato in energia e il 19% portato in discarica, contro i rispettivi 26%, 26% e 48% del 2006 [2]. Nonostante ciò, la nuova Direttiva Europea 2018/852 sugli imballaggi e i rifiuti di imballaggi [3] pone come obiettivo minimo per quelli in plastica il riciclaggio del 50% entro il 2025 e del 55% entro il 2030. Il riciclaggio della plastica, quindi, continua ad essere un tema centrale in ambito ambientale. Di particolare interesse, in questo contesto, è il cosiddetto riciclaggio chimico, un nuovo concetto che si pone di riportare alla composizione base i polimeri, attraverso dei trattamenti (termo)chimici. Quello che ne deriva sono degli olii (anche questi chiamati olii di pirolisi) che possono a loro volta essere utilizzati come biocarburanti e per la produzione di nuovi materiali chimici/plastici [4]. Questi tipi di olii di pirolisi differenti, derivanti da biomasse o rifiuti plastici, sono fonti promettenti di energia rinnovabile, mostrando un elevato potenziale per soddisfare le sfide energetiche sostenibili e green. Solitamente gli olii di pirolisi provenienti dal riciclo chimico di plastiche o dalle biomasse sono formati da miscele complesse di idrocarburi, ma sono presenti anche composti contenenti eteroatomi, come zolfo, azoto e ossigeno. Tali molecole possono risultare dannose per la trasformazione di questi olii in nuove risorse perché potrebbero interferire inibendo o abbassando l’efficienza dei processi industriali o riducendo la qualità del prodotto finale. Alla luce di queste considerazioni, la caratterizzazione e determinazione di questi composti contenenti eteroatomi è necessaria per isolarli ed eliminarli per preservare la qualità dei prodotti chimici finali o l’efficienza dei processi industriali. In aggiunta, ci possono essere categorie di molecole pericolose per gli esseri viventi o per l’ambiente (es. composti aromatici) che devono essere quindi monitorate con grande attenzione. La tecnica più adatta ed applicata per la determinazione analitica dei composti con eteroatomi volatili e semi-volatili è la gascromatografia (GC) [5]. Mediante la cromatografia, infatti, è possibile separare le varie molecole in base alla loro affinità con la fase stazionaria. L’utilizzo poi di uno spettrometro di massa (MS) come detector interfacciato al sistema cromatografico consente di identificare i vari composti grazie al loro rapporto massa/carica. A causa della complessità delle miscele in esame, tuttavia, un sistema GC-MS tradizionale (monodimensionale) potrebbe non essere sufficiente per risolvere il campione nei singoli componenti. Viceversa, la cromatografia multidimensionale (es. GC×GC) [4,6,7] accoppiata alla spettrometria di massa rappresenta la piattaforma analitica più performante per la caratterizzazione chimica dettagliata di questi campioni. L’intento di questo progetto di dottorato è di sviluppare e stabilire nuove metodologie ad alta risoluzione basate su GC-MS multidimensionale per caratterizzare olii di pirolisi ottenuti da rifiuti plastici e biomasse, e per identificare quelle classi di composti che potrebbero alterare la qualità dei prodotti finali, il processo industriale per ottenerli e/o essere dannose per la salute e l’ambiente. Lo sviluppo di queste metodologie verrà realizzato nel rispetto dei principi della “green chemistry”, soprattutto per quello che riguarda la riduzione nell’uso di solventi tossici per la preparazione del campione [8].

Nello specifico caso degli olii di pirolisi, per esempio, l’uso di GC×GC-MS ad alta risoluzione è fondamentale per una caratterizzazione completa della composizione degli idrocarburi. Attraverso questo approccio, ad esempio, il contenuto degli eteroatomi di complesse miscele industriali può essere determinato a livello molecolare (singoli composti) e tracciato durante il processo industriale, a supporto dell’ottimizzazione della loro trasformazione per ottenere biocombustibili o materiali di base più utilizzabili nel contesto del riciclaggio della plastica

BIBLIOGRAFIA:
[1] F. Cheng, H. Bayat, U. Jena e C. E. Brewer, «Impact of feedstock composition on
pyrolysis of low-cost, protein- and lignin-rich biomass: A review», Journal of Analytical
and Applied Pyrolysis, vol. 147, n. 104780, 2020.
[2] «Plasticseurope»,
https://www.plasticseurope.org/application/files/8016/1125/2189/AF_Plastics_the_facts-WEB-2020-ING_FINAL.pdf.

[3] Directive (EU) 2018/852 of the European Parliament and of the Council of 30 May 2018 amending Directive 94/62/EC on packaging and packaging waste, Official Journal of the European Union L 150, 14.6.2018, pp. 141-154.

[4] H. E. Toraman, T. Dijkmans, M. R. Djokic, K. M. Van Geem e G. B. Marin, Journal of Chromatography A, vol. 1359, pp. 237-246, 2014.

[5] M. N. Dunkle, P. Pijcke, W.L. Winniford, M. Ruitenbeek e G. Bellos, Journal of Chromatography A, vol. 1637, n. 461837, 2021.

[6] M. Stas, M. Auersvald e P. Vozka, Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry, vol. 32, n. 100536, 2021.

[7] D. Zanella, J-F. Focant e F.A. Franchina, «30^th Anniversary of comprehensive two-dimensional gas chromatography: Latest advances», Analytical Science Advances, vol. 2, pp. 213–224, 2021, https://doi.org/10.1002/ansa.202000142.

[8] P. I. Napolitano-Tabares, I. Negrín-Santamaría, A. Gutiérrez-Serpa e V. Pino, Energy Fuels, vol. 35, pp. 8541-8557, 2021.

LyondellBasell - Ferrara

Periodo: 6 mesi

Il progetto è coerente con i seguenti Ambiti di Ricerca e Innovazione del PNR 2021-2027:

5.6.1 Green technologies
Articolazione 1: Biochemicals, bioprodotti e processi chimici sostenibili in sinergia con
biofuels, bioenergy e agroenergie
Articolazione 4: Riduzione dei rifiuti e della domanda di critical raw materials tramite
approcci di disassembling e materials recovery, remanufacturing e refurbishing

I risultati di questo progetto contribuiranno alla riduzione dell’impatto ambientale complessivo dei flussi di lavoro analitici per rendere le pratiche industriali più sostenibili e sicure, sia per l’ambiente che per chi ci lavora.

La caratterizzazione e la valorizzazione dei prodotti di scarto attraverso l’applicazione di questi metodi innovativi migliorerà la conoscenza sulla composizione molecolare dei rifiuti plastici e sul loro riciclo chimico per il loro futuro riutilizzo in maniera più efficiente.

In questo modo le risorse, una volta consumate non vengono più considerate dei rifiuti di scarto, ma valorizzate e ridestinate all’utilizzo in base alla loro composizione. Per quanto riguarda gli olii di pirolisi provenienti da plastiche, essi porteranno ad una riduzione dei rifiuti plastici, alla promozione della cultura del recupero e la loro rifinalizzazione in prodotti biochimici e/o biocarburanti etc.

• Olii di pirolisi
• Rrifiuti plastici
• Biocarburanti
• Caratterizzazione
• Gas cromatografia
• Spettrometria di massa