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Attualmente, l’utilizzo dei combustibili fossili come fonte energetica provvede all’80% circa del fabbisogno energetico mondiale, causando perciò un aumento della concentrazione atmosferica di anidride carbonica, che è stata individuata come una delle principali cause del riscaldamento globale. La preoccupazione per le previsioni di aumento delle emissioni di CO2 nei prossimi decenni ha portato vari organismi internazionali a raggiungere accordi per tentare di ridurre i rischi derivanti dai cambiamenti climatici. In quest’ottica, una delle possibilità per la riduzione delle emissioni di CO2 in atmosfera è lo sviluppo di tecnologie economicamente convenienti ed eco‐compatibili per la cattura e lo stoccaggio (CCS) o il riutilizzo (CCU) di CO2, prima che venga rilasciata nell’atmosfera. Altra possibilità tra le alternative tecnologiche che si offrono per raggiungere questi obiettivi è l’impiego dell’energia nucleare.
Uno dei materiali più promettenti per la cattura dell’anidride carbonica ad alte temperature, è l’ortosilicato di litio (Li4SiO4), che mostra alta capacità sorbente, temperature di rigenerazioni moderate (<750°C) e buona stabilità a cicli consecutivi. Questo materiale è di importante interesse anche per la fusione nucleare sviluppata nell'ambito del progetto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Infatti, il trizio, uno dei due isotopi della reazione di fusione, si trova solo in tracce in natura, ma può essere prodotto durante la reazione di fusione attraverso l’interazione tra i neutroni sfuggiti dal plasma con il litio. Tutti i concetti di allevatori solidi proposti per ITER si basano sull'uso di materiali ceramici sotto forma di letti di pebbles con un diametro delle sfere di circa 1 mm o inferiore.
Nel presente lavoro di tesi, sono stati sviluppati pebbles di ortosilicato di litio adottando per questa applicazione la tecnologia drip-casting, comune nella fabbricazione di sfere di piccole dimensioni di materiali ceramici. La tecnologia è stata adattata al sistema studiato variando i parametri di processo e apportando modifiche al metodo stesso, al fine di individuare uno o più set di variabili che permettano di ottenere pebbles di ortosilicato di litio con le migliori proprietà (superficie, densità e composizione chimica). I pebbles sono stati prodotti investigando l’uso delle polveri di ortosilicato di litio e l’uso delle polveri di precursori, LiOH, LiNO3 e Li2CO3, successivamente convertite nel materiale desiderato durante il trattamento termico di sinterizzazione.
In un’ottica di applicazione industriale per la cattura di CO2, sono stati sviluppati pellets di ortosilicato di litio prodotti per compressione meccanica delle polveri di precursori, LiOH e Li2CO3, opportunamente dopate con un promotore di attività (K2CO3) e un promotore di porosità (fibre di cellulosa), e successiva calcinazione ad alta temperatura. Tale metodo ha permesso di ottenere pellets porosi e con buone capacità sorbenti nei confronti di CO2, paragonabili alle performance di pellets prodotti per compressione meccanica delle polveri di ortosilicato di litio precedentemente sintetizzate. Il nuovo metodo di produzione presenta il vantaggio di eliminare un trattamento termico ad alta temperatura, in quanto la sintesi dell’ortosilicato di litio e la degradazione del promotore di porosità avvengono contemporaneamente. Le capacità sorbenti dei pellets così prodotti sono state testate in bilancia termogravimetrica.
I campioni ottenuti, sia in pebbles che in pellets, sono stati caratterizzati mediante analisi ai raggi X (XRD) e analisi morfologica mediante attente osservazioni al microscopio elettronico a scansione (SEM).
L’attività sperimentale è stata interamente svolta presso i laboratori del Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale dell’Università di Pisa.