Zeoliti naturali per applicazioni energetiche = Natural zeolites for energy-related applications

Le zeoliti sono alluminosilicati con micropori ordinatamente distribuiti in dimensioni molecolari. Tra queste, quelle naturali sono considerate potenziali soluzioni nel campo delle energie rinnovabili. Tra le varie applicazioni, sono usate in sistemi di accumulo di energia termica (TES). In questa tesi, viene studiato il ruolo della zeolite naturale Clinoptilolite, per l'accumulo e il rilascio di energia termica. Poiché il processo di carica e scarica nei sistemi TES si basa su cicli di idratazione e disidratazione, viene studiata l'affinità della zeolite con acqua. L'obiettivo è quello di ridurre il costo del processo che generalmente coinvolge la zeolite sintetica 13X. La clinoptilolite è infatti economica, abbondante in natura e non nociva. La sua capacità di adsorbimento dell'acqua può essere modificata con scambio ionico con vari cationi. La clinoptilolite viene analizzata sia nella sua forma naturale sia dopo scambio ionico con sodio. Questo perché sia il contenuto che la posizione delle molecole d'acqua dipendono dal numero e dalla natura dei cationi presenti in struttura. Durante le attività sperimentali, lo scambio ionico è effettuato seguendo due diverse procedure, una basata sull'uso di NaCl come precursore (per ottenere Na-Clino1) mentre per l'altra (Na-Clino2) il precursore è NaNO3. Dunque, i campioni considerati per lo studio sono la clinoptilolite natuale (Clino T. Q), Na-Clino1, Na-Clino2 e 13X (quest'ultima a scopo di confronto). Tutti i campioni sono stati sottoposti a caratterizzazioni fisico-chimiche per analizzarne struttura e composizione, ovvero il fisisorbimento di N2 a -196 °C, la diffrazione di raggi X (XRD) e l'analisi EDX (Energy Dispersive X-Ray). Inoltre, con l'analisi termogravimetrica (TGA) si è valutata la perdita di massa al riscaldamento. Dalla calorimetria differenziale a scansione (DSC) si ricavano il calore specifico (cp) e l'entalpia. Inoltre, la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FT-IR) viene usata per studiare l'affinità delle zeoliti con acqua inviata a diverse pressioni parziali. Infine, per simulare la fase di scarica nei sistemi TES, sono state effettuate prove di adsorbimento in un reattore a letto fisso su scala di laboratorio alimentando 50 ml/min di N2 al10% di umidità (RH=10%) a 50°C su 500 mg di adsorbente in pellet. I risultati dell'analisi EDX mostrano che il contenuto di sodio in Na-Clino2 raddoppia quello di NaClino1 e sestuplica il T.Q. di Clino. Dall'analisi DSC è stato osservato che Na-Clino1 ha il cp più alto rispetto a quello di ClinoT.Q (che ha il più basso). Inoltre, dalle curve DSC si nota un picco endotermico tra 41°C e 232°C, legato all'acqua fisicamente adsorbita in superficie, e valori entalpici crescenti sono nell'ordine Na-Clino2<ClinoT.Q< Na-Clino1<13X. Gli spettri FT-IR rivelano cambiamenti nell'intensità dei picchi sia nelle regioni di stretching che di bending dei gruppi -OH, evidenziando la minore affinità di Na-Clino2 con l'acqua, successivamente desorbita per espansione graduale, a differenza degli altri campioni per cui serve un trattamento termico. Dalle prove di adsorbimento con Clino T. Q è stato raggiunto un &#916;T=9°C, paragonabile a quello di 13X (&#916;T=10°C). Analizzando l'effetto del sodio sulle prestazioni dell'adsorbente, Na-Clino2 risulta la meno efficiente, probabilmente per un'inibizione da parte di sodio, la cui quantità eccessiva può impedire l'adsorbimento dell'acqua. Infine, visti i suoi risultati, la Clino T.Q può essere considerata un’alternativa sostenibile ed economica alla 13X