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RISULTATI SCIENTIFICI E INDICAZIONI SULLE TECNOLOGIE PER LA TRASFORMAZIONE DELLA PLASTICA
L'utilizzo dei rifiuti della plastica per generare idrogeno, rappresenta un'innovazione tecnologica e culturale per il riciclo di grandi quantità di plastica per la produzione di H2 e per la produzione di grafene e MWCNT.
Molti ricercatori, prevalentemente scienziati cinesi e indiani, hanno studiato la decomposizione termica della plastica con l'obiettivo di produrre idrogeno dagli idrocarburi.
Sono stati studiati i processi pirolitici in reattori a due stadi, per la trasformazione della plastica in ambienti inerti privi di ossigeno, usando prevalentemente gas Azoto o Argon. Molti ricercatori internazionali hanno studiato questo tipo di reattore per la trasformazione di materie plastiche in diesel o idrocarburi per autotrazione. Ultimamente, questa tecnologia che utilizza un reattore a due stadi, viene impiegata per la trasformazione della plastica in H2. Questi processi di cracking pirolitico, prevedono che la plastica da trasformare, venga inserita nella fornace del reattore (cracking pirolitico primo stadio del processo della pirolisi), con o senza l’aggiunta di vapore acqueo, dove avviene un processo chimico e termodinamico che trasforma la plastica in un una miscela di gas con prevalenza di idrogeno e di un flusso di atomi di carbonio liberi. Questa miscela di gas ad alta temperatura, transita, per moto convettivo o per gravità, attraverso un secondo stadio del reattore, costituito da membrane (supporto + catalizzatore) posizionate su supporti metallici interni alla camera del secondo stadio del reattore. Sul sistema catalizzatore-membrana, avviene la crescita dei nanotubi di carbonio, mentre i gas volatili che si sviluppano: H₂, CO₂, CO, CH4 e C₂+, si raccolgono nel volume del secondo stadio.
Il processo è simile al reforming catalitico del vapore del gas naturale.
I catalizzatori svolgono un ruolo chiave nella massimizzazione della produzione di idrogeno nel processo di reforming pirolitico-catalitico dei rifiuti plastici e nella produzione di altri sottoprodotti.
Le alte temperature nel reforming della plastica e l'uso di catalizzatori hanno permesso di produrre sia idrogeno che nanotubi di carbonio. Questa particolare tecnologia è alla base del presente progetto.
E‘ stato studiato l'uso di catalizzatori Ni-Fe per la pirolisi catalitica dei rifiuti plastici per produrre grandi quantità di idrogeno e di nanotubi di carbonio (CNT) e l’influenza della composizione del catalizzatore e dei materiali di supporto.
Gli studi in letteratura e gli esperimenti sono stati condotti utilizzando un reattore a letto fisso a due stadi, dove le materie plastiche sono state pirolizzate nel primo stadio, ed in seguito alla reazione dei gas volatili sviluppati, fatti passare sul catalizzatore nel secondo stadio. Sono state esplorate le temperature (700, 800, 900 °C) e i rapporti di vapore/plastica (0, 0,3, 1, 2,6) al fine di identificare i migliori parametri per ottimizzare il prodotto idrogeno e la resa dei nanotubi di carbonio che si depositano e crescono sul catalizzatore. I risultati hanno mostrato che la crescita dei nanotubi di carbonio e la produzione di idrogeno sono fortemente dipendenti dal tipo di catalizzatore e dai parametri operativi.
Il catalizzatore Fe /γ-Al₂O₃ ha prodotto la più alta resa di idrogeno (22,9 mmol H₂/gplastica) e la resa in nanotubi di carbonio (195 mg/g plastica) tra i catalizzatori monometallici, seguito dal catalizzatore Fe/α-Al₂O₃ , Ni/γ-Al₂O₃ e Ni/α-Al₂O₃ .
Il catalizzatore Ni-Fe bimetallico ha mostrato una maggiore attività catalitica in relazione alla resa di H₂ rispetto ai catalizzatori di Ni o di Fe monometallico grazie alla migliore interazione tra il metallo e il supporto.
SCHEMA DI BASE DEL BANCO DI PROVA UTILIZZATO PER LA VERIFICA DEL PROCESSO DI TRASFORMAZIONE DELLA PL
SCHEMA DI BASE DEL BANCO DI PROVA UTILIZZATO PER LA VERIFICA DEL PROCESSO DI TRASFORMAZIONE DELLA PL
La resa dei prodotti, inclusi i gas, il liquido, il carbonio depositato e l'idrogeno, così come la qualità dei nanotubi di carbonio (CNT), sono significativamente influenzati dalla composizione del catalizzatore.
Dall'analisi dei catalizzatori e del materiale di supporto utilizzati, il catalizzatore su α-Al₂O₃ ha mostrato un'interazione più debole tra metallo e supporto, rispetto al catalizzatore su γ-Al₂O₃.
α-Al₂O₃ promette di ottenere una resa maggiore, ma una qualità inferiore dei depositi di carbonio CNT. La produzione di CNT con maggiore purezza e con grafitizzazione del carbonio, è risultata favorita in presenza di catalizzatori di Fe e Ni. Inoltre, i catalizzatori a base di Fe hanno generato maggiori rese di idrogeno e CNT rispetto ai catalizzatori al Ni, grazie alla maggiore attività nelle reazioni di cracking degli idrocarburi. Il catalizzatore bimetallico Ni-Fe è quello più indicato per la pirolisi dei rifiuti di plastica che producono sia idrogeno che CNT in quantità significative. L'interazione tra ossidi metallici e supporto di allumina con dispersione di particelle fini del catalizzatore, hanno favorito sia la crescita dei nanotubi di carbonio che la produzione di idrogeno.
Per il catalizzatore Ni-Fe/γ-Al₂O₃, la resa di idrogeno è stata notevolmente aumentata da 31,8 a 92,7 mmol H2/gplastica, quando il rapporto vapore/plastica è stato aumentato da 0 a 2,6, mentre i depositi di carbonio sono diminuiti rapidamente al 3,5% in peso. La temperatura del catalizzatore più elevata, ha favorito sia la produzione di idrogeno che la produzione di carbonio filamentoso MWCNT. Tuttavia, aumentare ulteriormente la temperatura (fino a 900 °C) ha portato al deposito di tipi di carbonio non selettivi con qualità inferiore, a causa dell'agglomerazione delle particelle del catalizzatore.
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