Ottimizzazione dell'abbattimento di VOC a bassa temperatura per applicazioni in ambito automotive = Optimizing low-temperature VOC abatement for automotive applications

Durante la fase di cold-start dei motori endotermici, i sistemi di post-trattamento non raggiungono subito la temperatura ottimale, consentendo l’emissione di composti organici volatili (VOC). Questo lavoro ha l’obiettivo di studiare e ottimizzare materiali in grado di trattenere e successivamente ossidare tali composti nei gas di scarico, in particolare da veicoli a benzina e ibridi. Dopo un’analisi delle principali sorgenti e tipologie di inquinanti da combustione, l’attenzione è rivolta ai VOC e alle tecnologie per la loro rimozione, come i catalizzatori TWC e DOC, efficaci solo a regime termico. Tra le strategie emergenti, l’adsorbimento su zeoliti rappresenta una soluzione promettente grazie alla struttura microporosa e alle proprietà chimico-fisiche che ne determinano la capacità di cattura e rilascio controllato dei VOC. La sezione sperimentale descrive la sintesi di diversi campioni a base di zeolite ZSM-5 in forma ammoniacale, modificata con ferro e rame per ottenere Fe/ZSM-5 e Cu/ZSM-5, sia in forma protonica sia con struttura gerarchica. I materiali sintetizzati sono stati caratterizzati mediante analisi elementari e strutturali, quindi testati in prove di adsorbimento, desorbimento e ossidazione per valutarne la capacità di trattenere e rimuovere composti organici volatili. Le prove, condotte in un reattore tubolare attraversato da una miscela di propilene, toluene e ossigeno in azoto, sono state monitorate in continuo tramite spettrometria di massa. In totale sono stati eseguiti sette test, inclusa la zeolite madre come riferimento. I risultati hanno permesso di confrontare la capacità di adsorbimento e l’efficienza di ossidazione dei diversi materiali, individuando le combinazioni più performanti. L’analisi dei dati sperimentali ha evidenziato che l’efficacia dei processi di adsorbimento e ossidazione dipende strettamente dalle caratteristiche chimico-fisiche della zeolite. L’introduzione di cationi metallici influenza solo marginalmente l’adsorbimento, i risultati della prova svolta sul campione Fe/ZSM-5 in forma ammoniacale non mostrano infatti un netto miglioramento rispetto al campione base, poiché gli ioni tendono a depositarsi sulla superficie esterna riducendo l’accesso ai siti attivi interni. Risultati più significativi si ottengono con la zeolite in forma protonica, in particolare la capacità di adsorbimento nei confronti del toluene sul campione Cu/ZSM-5 in forma protonica migliora sensibilmente. La presenza di vapore acqueo riduce l’efficienza di cattura dei VOC, confermando la competizione tra molecole d’acqua e inquinanti per i siti attivi. Le zeoliti gerarchiche, contrariamente alle aspettative, non hanno mostrato prestazioni superiori. Nei test di desorbimento e ossidazione, il rame, scambiato sul campione Cu/ZSM-5 in forma protonica, si è rivelato molto più efficace del ferro, scambiato sul campione Fe/ZSM-5 in forma ammoniacale, con una conversione a CO₂ circa sei volte superiore e un’efficienza di rimozione tripla. Tuttavia, l’attività catalitica del rame comporta una maggiore formazione di sottoprodotti. Complessivamente, il campione Cu/ZSM-5 in forma protonica ha mostrato le migliori prestazioni, combinando elevata capacità adsorbente ed efficienza ossidativa, risultando il materiale più promettente per la rimozione dei VOC nei gas di scarico automobilistici.