• carbone
• pirolisi
• spettroscopia FTIR
• tar

La presente attività di ricerca ha avuto come obiettivo di sviluppare strategie di indagine sperimentale su microscala idonee a studiare il rilascio di materie volatili in condizioni di pirolisi a partire da combustibili solidi di vario tipo, in particolare carboni.

L'attività è stata rivolta specificamente alla definizione di strategie di indagine che permettano di simulare, controllare e studiare su scala di laboratorio le condizioni essenziali dei processi che si verificano in un sistema di combustione industriale reale, in particolare nelle microzone del combustore in cui si hanno condizioni sottostechiometriche che possono dare luogo alla formazione di sotto-prodotti indesiderati del carbonio (PIC, Prodotti di Incompleta Combustione ).
L'attività è stata anche finalizzata all'individuazione di parametri e variabili chimiche e fisiche idonee alla rappresentazione dei processi di interesse e utilizzabili in successivi stadi della ricerca per lo sviluppo di modelli matematici predittivi del comportamento termico del combustibile riguardo alla formazione/distruzione di inquinanti e per la classificazione dei combustibili.

Lo studio sperimentale del processo termico su microscala è stato realizzato utilizzando un pirolizzatore analitico commerciale (Pyroprobe, CDS). È stato studiato l'effetto sui macro-prodotti di pirolisi, con particolare attenzione ai tar, di una variabile sperimentale (holding time) che è correlata sia con la severità del processo, sia con il tempo di residenza del combustibile alla temperatura massima.
Le rese e la composizione delle materie volatili sono state determinate tramite tecniche analitiche di laboratorio messe a punto allo scopo e finalizzate ad ottenere dati e informazioni utili per la descrizione, quantitativa e su microscala, delle principali trasformazioni coinvolte.
La caratterizzazione dei prodotti volatili di pirolisi è stata condotta con tecniche spettroscopiche di tipo FT-IR sulle frazioni di tar estratte prima con cicloesano e poi con acetone. Gli spettri sono stati registrati sia in soluzione di tetracloruro di carbonio, sia in pasticca di KBr. L'interpretazione delle informazioni contenute negli spettri infrarossi, sia per gli aspetti qualitativi che quantitativi, ha presentato notevoli difficoltà a causa della complessità delle miscele in esame e dei modesti quantitativi di tar a disposizione. È stato necessario in primo luogo eliminare dagli spettri infrarossi le interferenze dovute al ciclo di trattamento del campione e successivamente sono state fatte delle tentative attribuzioni delle principali bande di assorbimento. Le aree dei diversi assorbimenti sono state assunte come rappresentative delle categorie di gruppi funzionali presenti nella complessa composizione del tar. L'informazione spettroscopica è stata quindi elaborata per valutare dal punto di vista qualitativo l'influenza dell'holding time sulla distribuzione dei suddetti gruppi funzionali. Il passaggio sulla scala quantitativa ha richiesto in primo luogo la scelta di composti-modello a basso peso molecolare, capaci di riprodurre i principali tipi di assorbimento rilevati nelle miscele di tar. Successivamente, preso atto che le miscele-modello rappresentano i tar in maniera decisamente migliore dei singoli composti-modello, si è sviluppata una elaborazione innovativa che prevede l'introduzione di un "coefficiente di estinzione apparente di gruppo funzionale" come fattore di correlazione tra le aree e le quantità dei singoli gruppi funzionali. I dati quantitativi ottenuti applicando questi coefficienti permettono una razionalizzazione dei complessi fenomeni di formazione/distruzione che si verificano nelle diverse condizioni di severità del processo di pirolisi.
Tra gli elementi a carattere innovativo sperimentati in questo lavoro figura l'applicazione delle tecniche chemiometriche alla elaborazione dell'informazione spettroscopica.
Di particolare interesse è risultata la risposta della PCA che ha permesso di verificare la coerenza di molte attribuzioni spettroscopiche, evidenziando anche la necessità di una migliore informazione su specie e strutture chimiche non adeguatamente caratterizzabili attraverso gli assorbimenti infrarossi.
Al contempo queste elaborazioni non solo confermano la bontà del percorso interpretativo adottato, con la scelta di composti-modello appropriati che offrono una buona rappresentazione della composizione del tar, ma forniscono anche uno strumento di estrema utilità per la progettazione di metodi di simulazione delle miscele di tar ancora più evoluti.