Sintesi di materiali ceramici ad alto valore aggiunto a partire da rifiuti: un processo innovativo ed ecocompatibile - Nuovi materiali

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Sintesi di materiali ceramici ad alto valore aggiunto a partire da rifiuti: un processo innovativo ed ecocompatibile


Intervista a Sergio Galvagno

 

 Menzione speciale tra le "Eccellenze ENEA 2008" 

 

I problemi legati alla gestione dei rifiuti sono complessi e si pongono fra le questioni ambientali di maggiore importanza.
Su questa materia l’Unione Europea stabilisce una gerarchia di priorità rappresentata nella figura 1.


Figura 1 - Gerarchia di gestione dei rifiuti

La strategia adottata ha come obiettivo la riduzione del rifiuto, agendo nelle fasi di produzione, impiego e smaltimento.
Al vertice della piramide si trova la prevenzione, ovvero la minimizzazione della produzione di rifiuti (e della loro pericolosità) alla fonte. Successivamente troviamo il riuso (in forma tal quale) ed il riciclo, il recupero (materia e/o energia nell’ordine) e l’ottimizzazione dello smaltimento finale (incenerimento con recupero energetico, discarica).
In accordo quindi con le indicazioni dell’Unione Europea, le attività tecnico-scientifiche del Dipartimento Ambiente, Cambiamenti Globali e Sviluppo sostenibile (ACS) dell’ENEA interessano i vari gradini della piramide fornendo risposte tecniche e supporto per una gestione integrata ed ecocompatibile del ciclo dei rifiuti. In particolare le attività sono state finalizzate a  trasformare un prodotto di scarto in risorsa, nel pieno rispetto dell’ambiente.
Partendo dunque dal concetto che i rifiuti oltre a rappresentare una fonte d’inquinamento possono costituire una risorsa come materie prime seconde ed energia, un team di ricercatori ENEA è riuscito, attraverso un processo termico combinato, ad ottenere materiali ad alto valore aggiunto (ceramici tecnici).  Si tratta di una ricerca innovativa dei Laboratori per lo Sviluppo di Tecnologie e processi di Recupero e Riuso (ACS-PROT-STP), premiata con la Menzione Speciale per la ricerca in campo ambientale per le Eccellenze ENEA 2008.

Chiediamo al dott. Sergio Galvagno, leader del gruppo di ricercatori,  in che modo da rifiuti altamente inquinanti quali possono essere i pneumatici  dismessi   e gettati   in discarica, sono riusciti ad ottenere materiali ceramici di alto pregio? 
Facciamo un piccolo passo indietro. L’ENEA ha maturato da  tempo una significativa esperienza nello studio di trattamenti termici innovativi in grado di massimizzare il recupero di materiali e di energia dai rifiuti. L’obiettivo è di fornire soluzioni tecnologiche e processi che migliorino l’eco-compatibilità dei trattamenti di “fine vita” nel rispetto e risparmio delle risorse naturali; i principali processi considerati sono la pirolisi, trattamento termico condotto in assenza di ossigeno e la gassificazione, trattamento termico condotto in difetto di agente ossidante e/o in presenza di vapore (thermal gasification).
I processi producono tre frazioni principali: una frazione gassosa (ricca in idrogeno, metano, monossido e biossido di carbonio, ecc.), una frazione liquida (che comprende oli e catrami; la complessità di questa frazione è simile al petrolio grezzo) ed una frazione solida, il char (residuo solido di processo in cui sono presenti le ceneri ed una componente carboniosa, spesso rilevante); le proporzioni di queste frazioni e la composizione variano in dipendenza da più fattori: tipo di processo, condizioni operative, materiale trattato.
Tuttavia, questi trattamenti innovativi di valorizzazione dei rifiuti presentano ancora molti problemi da risolvere prima della loro applicazione su scala industriale.
Tra questi, una delle problematiche di maggiore interesse è lo sfruttamento commerciale dei prodotti di processo, dato che (fatta eccezione per il gas, il cui impiego come combustibile risulta, almeno in linea di principio immediato) il mercato incerto per la frazione liquida e, soprattutto, per la frazione solida determina grossi problemi per la sostenibilità economica dei processi. La frazione liquida può essere utilizzata come combustibile o fonte di chemicals, ma solo dopo avere risolto non pochi problemi relativi alla stabilizzazione e distillazione/upgrading degli oli. Per quanto riguarda il residuo solido (char) è universalmente condiviso che la sua destinazione finale influenza fortemente il bilancio economico dei processi di gassificazione e pirolisi. Fino ad adesso, le esperienze condotte sia in scala pilota che industriale, hanno dimostrato che se non si individua un utilizzo commerciale diverso dallo sfruttamento come combustibile di tale residuo, i processi termici di valorizzazione dei rifiuti risultano antieconomici.
Di conseguenza una delle principali linee di ricerca del mio gruppo riguarda la valorizzazione dei sottoprodotti di processo dei trattamenti termici di rifiuti.
Per quanto riguarda l’utilizzo del residuo solido di processo, oltre al recupero energetico, l’applicazione comunemente perseguita, con risultati alterni e dubbi, è stata la valorizzazione come carbone attivo. Un diverso approccio al problema può essere proposto considerando il char di processo come una fonte di carbonio per successive sintesi.
Sostanzialmente, e qui arriviamo  alla ricerca premiata  con l’eccellenza ENEA,  quello che è stato fatto è quindi, in linea di principio, semplice: abbiamo preso una classe di reazioni, le riduzioni carbotermiche, comunemente usate per la sintesi dei materiali ceramici e le abbiamo adattate ed integrate con i processi di trattamento termico dei rifiuti (pirolisi e/o gassificazione), impiegando il residuo solido che ne deriva come materiale di partenza per la produzione del ceramico.


Figura 2 - Apparecchiature impiegate per la sperimentazione

In tal modo è stata  messo a punto un processo integrato di termotrattamento/sintesi in grado di produrre dal rifiuto da un lato energia e dall’altro materiale ceramico; il procedimento è stato sperimentato con successo su biomasse e pneumatici per la produzione di carburo di silicio.


Figura 3 - Pneumatici fuori uso e Carburo di Silicio prodotto

Perché il carburo di silicio è così importante? A che cosa serve?
A tante cose. Per le sue caratteristiche eccellenti il carburo di silicio trova applicazione in vari campi per la realizzazione di: le piastre ceramiche di schermatura degli shuttle, tubi scambiatori di calore in ambienti severi (ad es. alta temperatura delle vetrerie), generatori di energia (es. motori automobili, turbine a gas), resistenze per forni, elementi per microelettronica, ma anche carta vetrata ed abrasivi vari, utensili da taglio, pasticche dei freni e freni a disco per auto di alta fascia, supporto per catalizzatori, ecc.  Ovviamente il tipo di impiego dipende dalla tipo di carburo (forma, purezza, ecc…).

Come è stata portata avanti la realizzazione del progetto? 
Ovviamente la ricerca nasce, come spesso accade, per caso, da uno scambio di idee con i colleghi del Centro ENEA di Faenza; successivamente dopo vari tentativi, le prove condotte hanno fornito ottimi risultati, tali da portare al deposito di un brevetto italiano: In seguito il processo è stato affinato e testato su vari materiali da rifiuto ed i risultati ottenuti sono stati oggetto di pubblicazioni scientifiche; quindi in occasione dei bandi per il “Seventh Framework Program” (FP7) della UE abbiamo pensato di formulare un progetto, completando l’idea di base con altre soluzioni tecnologiche, e, insieme ad altri partners scientifici ed industriali, proporne il finanziamento. Il  Progetto Europeo, del quale l’ENEA è coordinatore, è stato approvato con larghi consensi e porterà alla realizzazione di un impianto prototipo dedicato alla sperimentazione in scala pilota e, speriamo, all’industrializzazione del processo.

Per quale motivo la vostra ricerca si è concentrata soprattutto su pneumatici finiti in discarica?
Lo smaltimento dei pneumatici di rifiuto rappresenta un problema rilevante nell’ambito della strategia comunitaria di gestione dei rifiuti. Le  quantità  di questi prodotti a fine vita, definiti come “flusso prioritario”  a partire dal 1989, cresce di anno in anno: si stima che più di 300.000.000 di pneumatici a fine vita siano prodotti ogni anno nei 27 Stati Membri dell’Unione Europea e quantità paragonabili sono registrati in nord America, Asia  e Medio Oriente.
Fortunatamente oggi non tutti questi pneumatici finiscono in discarica; molti vengono recuperati e riutilizzati in accordo con la strategia sopra descritta. Tuttavia la percentuale destinata allo smaltimento finale è comunque rilevante. Le tecnologie di termotrattamento, soprattutto la pirolisi,sembrano una incoraggiante via per il recupero di materia dai pneumatici fuori uso. Tuttavia proprio in questo caso  il problema della destinazione finale del char (circa il 40% in peso del materiale di partenza) gioca un ruolo di primo piano.
Sono ampiamente documentati tentativi di riutilizzo del char nella preparazione di nuovi pneumatici. Esperienze condotte su  questo impiego, che per tanti versi rappresenta la soluzione migliore per il settore, non hanno ad oggi fornito risultati soddisfacenti: il carbone derivante dai processi di decomposizione degli elastomeri altera in modo sostanziale le proprietà del carbon black (originalmente presente nel pneumatico e contenuto nel char) peggiorando l’interazione con i nuovi reagenti. In quest’ottica, un diverso approccio al problema può essere proposto considerando il char di processo come una fonte di carbonio per successive sintesi.
Il processo messo a punto dall’ENEA, propone un diverso punto di vista valorizzando quella frazione come intermedio di processo per la produzione di materiali ceramici, creando dunque una convergenza  virtuosa tra il riciclaggio di rifiuti e la produzione di  materiale ad alto valore aggiunto. 

Quali potranno essere le applicazioni della vostra ricerca  in campo industriale ed economico?
In generale il settore dei materiali ceramici è in costante crescita e in questo campo i principali limiti di impiego sono il costo delle materie prime e dei processi di sintesi; la valorizzazione di rifiuti come materie prime seconde per questi processi  fa intravedere la possibilità di ridurre i costi di produzione, e quindi allargare le potenzialità di utilizzo, oltre a contribuire alla salvaguardia delle risorse naturali. La ricerca fin qui condotta non è un punto di arrivo ma, speriamo, di partenza verso altri sviluppi. Infatti stiamo già lavorando all’applicazione del trattamento ad altre tipologie di rifiuti, indirizzando il processo verso la sintesi di altri materiali ceramici.
 
Il risultato di questa attività ha ricevuto il riconoscimento “Eccellenze ENEA 2008”. Che cosa significa per lei e per il suo gruppo di lavoro?
Prima di tutto voglio sottolineare che il risultato è stato ottenuto grazie al lavoro di tutti ed a un ottimo spirito di collaborazione sia all’interno della stessa sezione che con la sezione FIM –MAT-ING del centro di Faenza a cui appartiene il collega Giovanni Bezzi che insieme a Sabrina Portofino, Stefania Casu, Giampaolo Casciaro, Maria Martino, Antonio Russo è coautore della ricerca. Inoltre va sottolineato l’impegno del nostro capo sezione, Giacinto Cornacchia, che oltre partecipare attivamente al lavoro ha il grande merito di averci incoraggiato e supportato, al di là delle attività programmatiche a perseguire e sviluppare l’idea.
Per me i risultati ottenuti sono un chiaro esempio di come la ricerca  possa nascere in modo spontaneo, con la libera interazione, da iniziative al di fuori degli schemi e delle strutture e di quanto la multidisciplinarità di un gruppo sia fondamentale per dare fattibilità e concretezza ad un’idea.

 

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