Sintesi e caratterizzazione di geopolimeri additivati con carboni da biomassa e scarti industriali: approcci circolari per la cattura della CO₂

La crescente concentrazione di anidride carbonica in atmosfera rende necessario lo sviluppo di materiali sostenibili ed efficienti per la sua cattura. In questo contesto, la presente tesi è dedicata alla sintesi e caratterizzazione materiali ceramici innovativi in ottica circolare e di valorizzazione degli scarti. Sono stati sintetizzati geopolimeri additivati con carboni derivati da biomassa e da scarti industriali, con l’obiettivo di valutarne le prestazioni nell’adsorbimento di CO₂. I geopolimeri sono materiali inorganici alluminosilicatici ottenuti tramite attivazione alcalina di precursori solidi, caratterizzati da buone proprietà meccaniche, chimiche e di stabilità termica. In letteratura, essi sono considerati materiali assimilabili ai nanozeoliti amorfe, per la presenza di una rete alluminosilicatica con siti attivi potenzialmente adsorbenti. Nel presente lavoro di tesi, i geopolimeri sono stati sintetizzati a partire da metacaolino in combinazione con una soluzione attivante composta da silicato di sodio (waterglass) e idrossido di sodio. Sono stati preparati campioni a composizione Si/Al differente, additivati con carboni attivi preparati mediante pirolisi di biomassa di carota e successivamente attivati, nonché con fango di scarto proveniente da Honeywell U.O.P di Reggio Calabria, un’azienda produttrice di zeoliti. Sono stati inoltre preparati carboni attivi decorati con Nichel, al fine di valutare l’effetto della presenza del metallo sulle proprietà del materiale adsorbente. Mediante l’aggiunta controllata di H₂O 2 sono stati infine sintetizzati anche monoliti geopolimerici macroporosi, con l’obiettivo di incrementare la porosità e migliorare la diffusione del gas all’interno della matrice. I materiali ottenuti sono stati sottoposti a un’accurata caratterizzazione chimico-fisica e strutturale mediante analisi termogravimetrica e termica differenziale (TG/DTA), diffrazione a raggi X su polveri (XRPD), spettroscopia FTIR e picnometria a gas per la determinazione delle proprietà di densità e porosità. Le prestazioni di adsorbimento della CO₂ sono state valutate utilizzando la bilancia magnetica McBain, consentendo di correlare la capacità di adsorbimento alle caratteristiche strutturali e composizionali dei materiali. L’approccio di sintesi adottato, semplice e robusto, è finalizzato allo sviluppo di materiali adsorbenti capaci di superare alcune limitazioni dei tradizionali sistemi a letto fisso, sfruttando le proprietà leganti della matrice geopolimerica, le caratteristiche adsorbenti associate alle fasi zeolitiche, la struttura e le proprietà funzionali dei carboni attivi, inclusi quelli decorati con Nichel, nonché la macroporosità indotta dall’impiego di agenti schiumanti, che favorisce l’accessibilità ai siti attivi. Dal punto di vista biotecnologico, il lavoro si inserisce nell’ambito delle biotecnologie ambientali e industriali, contribuendo alla valorizzazione di biomasse e residui di processo attraverso strategie di trasformazione e funzionalizzazione dei materiali. L’impiego di carboni attivi da biomassa e di sottoprodotti industriali in matrici geopolimeriche apre prospettive non solo nel campo della mitigazione della CO₂, ma anche in altre applicazioni di interesse biotecnologico e ambientale, quali il trattamento di effluenti gassosi e liquidi, l’immobilizzazione di contaminanti, il supporto per sistemi catalitici o biocatalitici e lo sviluppo di materiali per sistemi bio-ispirati o multifunzionali. In questo senso, il lavoro evidenzia il potenziale delle biotecnologie nel connettere gestione sostenibile degli scarti, progettazione dei materiali e riduzione dell’impatto ambientale, in linea con i principi dell’economia circolare e della transizione ecologica.