Ottimizzazione della liquefazione idrotermale: pretrattamenti per rimuovere l’azoto e migliorare la qualità del bio-crude = Optimization of Hydrothermal Liquefaction: Pretreatments for Nitrogen Removal and Bio-Crude Quality Improvement

Il cambiamento climatico, causato principalmente dalle emissioni di gas serra derivanti dall’uso di combustibili fossili, richiede soluzioni urgenti. Le biomasse, essendo “CO₂ neutral”, rappresentano una possibile alternativa sostenibile. È quindi essenziale adottare soluzioni innovative per contrastare questo fenomeno. La liquefazione idrotermale (HTL) è un processo sempre più studiato per convertire la biomassa in biocarburanti e prodotti chimici, simulando in pochi minuti la formazione naturale dei combustibili fossili. A differenza di altri metodi, l’HTL non richiede essiccazione preliminare, sfruttando l’acqua come solvente e catalizzatore. Il processo avviene a 250-350 °C e alte pressioni (40-250 bar), mantenendo l’acqua in stato liquido. L’HTL consente di ottenere un bio-greggio potenzialmente raffinabile in combustibili come nafta, gasolio e olio combustibile. Tuttavia, la presenza di composti azotati nel bio-olio rappresenta una sfida critica, poiché questi sono difficili da rimuovere attraverso l’idro-denitrogenazione catalitica. L’azoto residuo, inoltre, favorisce la formazione di ossidi di azoto (NOx), principali responsabili dell’inquinamento atmosferico e del deterioramento della qualità dell’aria. Altro ostacolo è dovuto alla composizione variabile della FORSU nel tempo in base a usi, abitudini e zona di origine, rendendo più complessa la progettazione dei processi di trasformazione e generando prodotti finali poco omogenei. L’assenza di uniformità aumenta costi e variabilità operativa, compromettendo la sostenibilità economica del processo. L’obiettivo del lavoro è individuare un pretrattamento HTC efficace nella riduzione dell’azoto, migliorando così la qualità e l’uniformità del bio-olio prodotto in modo che possa diventare un biocombustibile. Il pretrattamento è fondamentale per ottimizzare il processo di liquefazione idrotermale (HTL), che trasforma la biomassa utilizzando acqua in bio-olio, gas, fase acquosa e residuo solido. Questo studio analizza quindi gli effetti di diversi pretrattamenti su biomasse che simulano la FORSU, variando temperatura, tempo di reazione e trattamento con specie acida o basica. Le reazioni da condurre sono state pianificate grazie a delle Box-Behnken a 3 fattori: temperatura, tempo di reazione e la presenza di additivi. La temperatura è stata fatta variare tra i 100°C-200°C, i tempi di reazione HTC tra 5-120 min, e la presenza/assenza di additivo basico (KOH) o acido (H2SO4). Successivamente alla fase di reazione e separazione, i diversi campioni (olio, solido e fase acquosa) sono stati analizzati per una efficiente caratterizzazione. A questo scopo sono state utilizzate la gascromatografia-spettrometria di massa (GC-MS) e l'analisi elementare CHNS(O). I risultati mostrano che il pretrattamento HTC riduce la resa totale in solido con l’aumentare della temperatura, influenzando in modo variabile la produzione di gas e bio-crude. La temperatura non solo incide sulla quantità di solido, ma anche sulla distribuzione di carbonio e azoto, che a temperature elevate migrano nel bio-olio. Inoltre, l’uso di acido solforico aumenta la resa in solido, mentre l’idrossido di potassio ne riduce il quantitativo. Le biomasse ricche di carboidrati tendono a generare più gas, mentre quelle con un alto contenuto proteico e in lipidi ne producono meno. È difficile quindi trovare un pretrattamento universalmente ottimale: per ottenere il miglior equilibrio tra resa e qualità, è necessario selezionare condizioni specifiche per ogni tipo di biomassa.