Effetti di strutturazione di materiali a base di ossidi inorganici di tipo "aerogel-like" per applicazioni nel campo di catalisi e di isolanti ad alta efficienza

La nanotecnolgia rappresenta un approccio innovativo nella produzione industriale, e riflette la generale tendenza alla miniaturizzazione ed alla riduzione di scala che prevale in tutte le discipline tecnologiche. Da qui il crescente interesse nei confronti nei nanomateriali e dei materiali nanostrutturati, per lo sviluppo di nuovi prodotti innovativi e tecnologicamente avanzati, che trovino applicazione in molteplici campi. La presente tesi di dottorato si focalizza sulla strutturazione di nanomateriali a base di ossidi metallici, per applicazione come isolanti termici ad alta efficienza o come fotocatalizzatori per l’abbattimento dei contaminanti da acque reflue. Nel campo dell’isolamento termico l’attenzione è stata focalizzata su Al2O3, che, grazie alle sue uniche proprietà di tessitura, ottenute attraverso una scelta accurata delle condizioni di sintesi, ed all’elevata stabilità termica, è un materiale di forte interesse in questo settore. Lo studio della capacità di termoisolamento di materiali a base di Al2O3 ha rivelato una diretta dipendenza della diffusività e conducibilità termica dalle caratteristiche di tessitura e di struttura dell’ossido, e dalle modalità di agglomerazione. I risultati più rilevanti riscontrati nell’ambito di questa parte del lavoro hanno dato chiare indicazioni su come disegnare la strutturazione di un isolante termico: 1. Effetto del tipo di porosità presente (macro vs meso): l’aumento del contenuto di macropori determina una diminuzione del valore di conducibilità, ed un aumento di diffusività, per cui il materiale è un isolante termico; al contrario, la presenza di mesopori favorisce la riduzione di entrambe conducibilità e diffusività, per cui il materiale presenta proprietà di termoisolamento ed antifiamma; 2. Effetto del diametro dei mesopori: la modulazione del diametro dei pori a parità di porosità nella regione meso, non incide sul valore di diffusività e conducibilità, con il vantaggio che, aumentando le dimensioni, aumentano anche la resistenza meccanica e la stabilità termica dell’ossido; 3. Effetto della morfologia di assemblaggio del materiale: incide pesantemente sul trasferimento dell’energia termica, poiché, in presenza di un agglomerato hard, la conducibilità e la diffusività aumentano di un ordine di grandezza. Ne consegue che un materiale termoisolante deve avere una struttura mesoporosa ed una morfologia di tipo aggregato soft. È necessario evitare la sinterizzazione massimizzando la stabilità termica (es. mesopori di “grandi” dimensioni). L’analisi dei parametri di sintesi ha rilevato degli effetti sui processi di aggregazione nel gel-precursore di aerogel, che indirizzano in modo critico le proprietà di tessitura del prodotto finale. Il lavoro di ottimizzazione di tali parametri ha permesso di realizzare lo scale up del processo su scala industriale, da 200 ml a 25 L. La seconda parte del lavoro di ricerca è stata focalizzata sull’abbattimento di contaminanti da percolato di discarica ed acque reflue industriali per via fotocatalitica mediante processi di tipo APO. L’APO, ed in particolare la fotocatalisi con TiO2, si è rivelato un metodo di trattamento di efficiente e versatile, rendendo possibile la decontaminazione di reflui di diversa natura, dalle acque industriali al più complesso percolato di discarica. Lo studio dei parametri di processo ha evidenziato, infatti, la possibilità di semplificare il trattamento, a seconda della complessità del refluo. Mentre nel caso del percolato di discarica è necessario un trattamento con il sistema TiO2/H2O2/UV, in quanto, in virtù del sinergismo H2O2/UV, il contenuto di COD può essere portato a livelli sufficientemente bassi da permettere il completamento della decomposizione per via fotocatalitica, il refluo proveniente dall’industria del sughero può essere depurato anche in presenza del solo agente ossidante, o per effetto della sola fotocatalisi, in tempi ragionevolmente brevi rispetto a quelli richiesti per la decontaminazione del percolato (8 ore). In entrambi i casi è probabilmente possibile aumentare l’efficienza del processo mediante un’alimentazione in continuo dell’agente ossidante. In particolare, con l’approfondimento dello studio del trattamento delle acque industriali nel prototipo di reattore pilota, e la modellizzazione matematica dell’abbattimento dei contaminanti, è stato possibile parametrizzare il processo sulla base delle dimensioni dell’impianto, confermandone la fattibilità ed applicabilità su scala industriale.