Produzione di biochar da scarti della filiera cerealicola e sua applicazione in sistemi di bioremediation = Biochar production from cereal wastes and its application in bioremediation systems

Negli ultimi decenni la problematica sulla gestione dei rifiuti agricoli ha posto l’attenzione sull’utilizzo delle biomasse lignocellulosiche. Tra queste, il tutolo di mais ne rappresenta un importante quota, grazie all’abbondante produzione di mais a livello globale, che nell’ anno 2024/25 ha raggiunto circa 1.219,4 milioni di tonnellate. Oltre ai metodi di smaltimento convenzionali, la pirolisi è un processo che porta alla formazione di bioolio, pyrogas e biochar. Quest’ultimo è un materiale ricco di carbonio che può avere numerose applicazioni nei sistemi di bioremediation. L’ obiettivo di questa tesi è la produzione di biochar mediante pirolisi lenta a partire dal tutolo di mais, ottimizzando le condizioni operative e le attivazioni, al fine di ottenere un biomateriale con buone proprietà strutturali e funzionale per l’adsorbimento del colorante blu di metilene (MB). Il processo di pirolisi è condotto a temperature comprese tra 400 e 700 °C, con una velocità di riscaldamento di 10 °C/min e un tempo di residenza di 30 min, in atmosfera ricca di azoto come gas inerte. Per migliorarne le proprietà, il biochar viene sottoposto a trattamenti di attivazione, sia tramite impregnazione chimica, utilizzando H₃PO₄ e KOH seguita da attivazione termica, sia fisica flussando CO₂ direttamente nella camera di pirolisi. Per ciascuna si seguono diverse procedure, di post-attivazione sul biochar prodotto a 500 °C (ritenuto migliore dopo uno screening iniziale) e di pre-attivazione sul tutolo tal quale tramite un processo a uno o due step. Il carbone attivo commerciale (CAC) è utilizzato come riferimento. I campioni prodotti vengono caratterizzati mediante diverse tecniche, come microscopia elettronica a scansione (FESEM) per analizzare la morfologia, analisi elementare per valutare la composizione degli elementi maggiormente presenti, spettroscopia FT-IR per individuare i gruppi funzionali superficiali, diffrattometria a raggi X (XRD) per lo studio della struttura cristallina e fisisorbimento in N2 a -77 °K, per esaminare l’area superficiale specifica e il volume dei pori. Le analisi evidenziano che l’aumento della temperatura di pirolisi favorisce la formazione di una struttura gerarchicamente porosa ed amorfa, con un rapporto H/C minore e con maggiore presenza di gruppi funzionali superficiali aromatici, a discapito di quelli alifatici. I valori di area superficiale più alti per ciascun reagente attivante sono quelli del biochar attivato one-step con H3PO4 a 700 °C (898,24 m2/g), one-step con KOH a 700 °C (489,43 m2/g) e con CO2 a 600 °C (129,11 m2/g). Gli esperimenti di adsorbimento sono eseguiti a temperatura ambiente con soluzioni di 20 mg/L di MB e 1g/L di adsorbente. I campionamenti sono effettuati in tempi fissati fino a 24 ore e la concentrazione finale di MB è misurata rilevando l'assorbanza tramite spettrofotometro. I test di adsorbimento indicano che il biochar attivato con H₃PO₄ one-step a 500 °C ha un’efficienza di rimozione di MB maggiore rispetto agli altri campioni e paragonabile a quella del CAC, raggiungendo il 99,95% in 20 min, nonostante non presenti l’area superficiale più elevata. Questo suggerisce che, oltre all’adsorbimento fisico, si siano verificati anche fenomeni di adsorbimento chimico. I risultati ottenuti rivelano che il biochar derivato dal tutolo di mais ha il potenziale per essere impiegato su scala industriale non solo per la valorizzazione degli scarti integrata in una visione di economia circolare, ma anche come alternativa al CAC per il trattamento acque.