Quando la chimica fisica incontra l'economia circolare per risolvere i problemi ambientali: come il progetto ReScA mira a utilizzare i prodotti di pirolisi dei rifiuti per migliorare e ringiovanire i bitumi Parte 1

Astratto: La gestione dei rifiuti urbani è un compito arduo: oltre il 30 percento della produzione totale mondiale di rifiuti solidi urbani (RSU) non viene gestito in modo adeguato, con lo smaltimento in discarica che rimane una pratica comune. Un'altra fonte di rifiuti è l'industria della pavimentazione stradale: con una vita utile di circa 10-15 anni, gli asfalti diventano rigidi, suscettibili alle crepe e quindi non più adatti alla pavimentazione stradale, quindi diventano rifiuti. Per risolvere contemporaneamente questi problemi, il progetto ReScA propone un approccio basato sull'economia circolare, suggerendo l'uso della pirolisi per trattare i rifiuti solidi urbani (o le sue frazioni come combustibili derivati ​​da rifiuti, RDF), i cui residui (petrolio e carbone) possono essere utilizzati come ingredienti a valore aggiunto per il ciclo dell'asfalto. Il carbone può essere utilizzato per preparare asfalti più performanti e durevoli e l'olio può essere utilizzato per rigenerare gli asfalti esausti, evitandone lo smaltimento in discarica. L'approccio proposto fornisce un percorso diverso e più utile nel ciclo di fine rifiuto (EoW) dei rifiuti urbani. Questa prova di concetto è suggerita dalle seguenti due osservazioni: (i) Il char è costituito da particelle carboniose altamente compatibili con la natura organica dei bitumi, quindi la sua aggiunta può rafforzare la struttura complessiva del bitume, aumentandone le proprietà meccaniche e rallentando la velocità molecolare cinetica del suo processo di invecchiamento; (ii) il petrolio è ricco di idrocarburi, quindi può arricchire la frazione povera della fase maltenica negli asfalti di scarico. Queste ipotesi sono state verificate testando i residui derivati ​​dalla pirolisi di CDR per il miglioramento delle caratteristiche meccaniche di un campione rappresentativo di bitume e la sua rigenerazione dopo l'invecchiamento. L'approccio proposto è suggerito dallo studio fisico-chimico dei materiali coinvolti e mira a mostrare come la conoscenza chimica di sistemi complessi, come i materiali bituminosi, possa aiutare a risolvere problemi ambientali. Ci auguriamo che questo approccio venga considerato come un metodo modello per il futuro.

Il glicoside di cistanche può anche aumentare l'attività della SOD nei tessuti del cuore e del fegato e ridurre significativamente il contenuto di lipofuscina e MDA in ciascun tessuto, eliminando efficacemente vari radicali reattivi dell'ossigeno (OH-, H₂O₂, ecc.) e proteggendo dai danni al DNA causati da radicali OH. I glicosidi feniletanoidi di Cistanche hanno una forte capacità di scavenging dei radicali liberi, una maggiore capacità di riduzione rispetto alla vitamina C, migliorano l'attività della SOD nella sospensione dello sperma, riducono il contenuto di MDA e hanno un certo effetto protettivo sulla funzione della membrana dello sperma. I polisaccaridi Cistanche possono migliorare l'attività di SOD e GSH-Px negli eritrociti e nei tessuti polmonari di topi sperimentalmente senescenti causati dal D-galattosio, nonché ridurre il contenuto di MDA e collagene nei polmoni e nel plasma e aumentare il contenuto di elastina, hanno un buon effetto scavenging su DPPH, prolunga il tempo di ipossia nei topi senescenti, migliora l'attività della SOD nel siero e ritarda la degenerazione fisiologica del polmone nei topi senescenti sperimentalmente Con la degenerazione morfologica cellulare, gli esperimenti hanno dimostrato che Cistanche ha la buona capacità antiossidante e ha il potenziale per essere un farmaco per prevenire e curare le malattie dell'invecchiamento della pelle. Allo stesso tempo, l'echinacoside in Cistanche ha una significativa capacità di eliminare i radicali liberi DPPH e ha la capacità di eliminare le specie reattive dell'ossigeno e prevenire la degradazione del collagene indotta dai radicali liberi, e ha anche un buon effetto di riparazione sul danno dell'anione dei radicali liberi della timina.

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1. Introduzione

Ogni anno nel mondo vengono prodotti circa 2,01 miliardi di tonnellate di rifiuti solidi urbani (RSU), di cui il 33% non adeguatamente gestito [1]; in molti Paesi, infatti, i rifiuti urbani (domestici, scolastici, industriali, ospedalieri, ecc. [2]) sono ancora trattati con processi privi di attività di riutilizzo o riciclaggio. Pratiche di gestione impropria dei rifiuti solidi producono problemi sociali ed economici, hanno significative ripercussioni ambientali e aumentano i rischi per la salute umana [1].

Guardando all'Europa, nel 2019 sono state prodotte 224,4 milioni di tonnellate di RSU, di cui il 31% è stato riciclato, il 27% è stato convertito in energia, il 18% è stato sottoposto a trattamenti biologici, il 24% è stato scaricato in discarica e l'1% è stato incenerito. In Italia le percentuali di trattamento dei rifiuti sono in linea con il trend europeo, ma rispetto al tedesco si nota che è fattibile un migliore processo di gestione dei rifiuti (percentuali italiane vs. tedesche: riciclato 33% vs. 48%; recupero energetico 21 percento contro 32 percento, trattamenti biologici 23 percento contro 18 percento, messa in discarica 23 percento contro 1 percento, incenerimento 1 percento contro 1 percento, rispettivamente) [3].

Lo smaltimento delle discariche comporta le seguenti conseguenze:

- deturpazione del paesaggio rurale;

- costi di manutenzione e trasporto [4], poiché le discariche sono spesso situate in aree remote;

- problemi di salute dovuti alla proliferazione di batteri e insetti [5];

- inquinamento del suolo, delle falde acquifere (dovuto alla percolazione di liquidi dalla decomposizione della materia organica) e dell'atmosfera (emissione di prodotti di decomposizione gassosi [6] come il metano, venti volte più dannoso della CO2 come gas serra [7]).

I processi di conversione termochimica (pirolisi, gassificazione, combustione o incenerimento) sono strategie convenienti per produrre combustibile ed energia da RSU [8]. La quantità di RSU per il trattamento termico ha raggiunto 921 tonnellate/anno nel 2010-2015 [8]. Sfortunatamente, la combustione e l'incenerimento dei rifiuti hanno un impatto ambientale non trascurabile [9-11]. L'obiettivo del trattamento termico, infatti, dovrebbe essere quello di prevedere una riduzione complessiva dell'impatto ambientale che potrebbe derivare da una gestione impropria dei rifiuti.

Il processo di pirolisi per la trasformazione dei rifiuti [8] viene eseguito in assenza di O2 in reattori appositamente progettati, a temperature e pressioni specifiche, consentendo (i) la produzione di tre prodotti a valore aggiunto (bio-olio, gas e carbone) [8,12-14]; (ii) una maggiore efficienza di recupero energetico, e (iii) la riduzione delle emissioni gassose inquinanti [15].

Nonostante vi siano indiscussi vantaggi nell'utilizzo di questo specifico processo termochimico [8,16], e non si verifichi un aumento significativo in termini di emissioni di CO2, i ritorni economici associati alla frazione condensabile (bio-olio) e al prodotto solido (char) sono non completamente definito perché:

- il bio-olio è una miscela liquida complessa contenente idrocarburi e specie ossigenate con una varietà molto ampia di pesi molecolari, ancora difficili da sfruttare e utilizzare;

- il char è un materiale solido a base di carbonio con un'elevata frazione inorganica (dipendente dalla materia prima) che ne limita lo sfruttamento funzionale.

Un altro ciclo ancora aperto in diversi paesi è il ciclo dell'asfalto. Dopo ~10-15 anni gli asfalti diventano invecchiati, e quindi duri e fragili, e non sono più adatti alla pavimentazione stradale, quindi vengono sostituiti con altri nuovi poiché per la loro rigenerazione sono necessari costosi trattamenti chimici. Di recente, i governi e le autorità stradali hanno chiesto che l'industria della pavimentazione diventasse più sostenibile riducendo il consumo di costosi materiali vergini e sempre più scarsi ed evitando lo smaltimento in discarica. In Italia, come in altri paesi dell'UE, solo il 20-30% degli asfalti di recupero viene riutilizzato per nuovi processi di pavimentazione e l'8-10% in peso. la percentuale degli asfalti di recupero disponibili è stata messa in discarica nel 2018 [17,18]. Il riutilizzo dell'asfalto rimosso può ridurre significativamente i costi complessivi dei nuovi materiali per la pavimentazione stradale [18,19]. L'uso di materiali di scarto nelle applicazioni stradali può anche contribuire alla riduzione dei costi e si può riscontrare una tendenza all'aumento del loro utilizzo per tale scopo [20].

Nel presente lavoro viene proposto un percorso virtuoso per l'utilizzo dei residui derivati ​​dalla pirolisi per migliorare le prestazioni dell'asfalto e aumentarne il ciclo di vita, riducendo così lo smaltimento in discarica. La fattibilità di questa idea è testimoniata dal recente finanziamento di un progetto di ricerca (ReScA) finalizzato ad un utilizzo vantaggioso di prodotti sia solidi (char) che liquidi (bio-oil) derivati ​​dalla pirolisi di rifiuti per produrre prodotti più durevoli e ad alto contenuto di bitumi e asfalti performanti, garantendo così maggiore sicurezza stradale e minore produzione di rifiuti.

Questo lavoro è organizzato come segue: prima vengono presentate le basi fisico-chimiche alla base dell'idea di utilizzare i residui derivati ​​dalla pirolisi per migliorare le caratteristiche dell'asfalto (sezione 2), quindi la fattibilità dell'approccio, nonché la metodologia e il lavoro svolto finora nell'ambito del progetto ReScA, sono riportati nelle Sezioni 3 e 4, gli impatti attesi in ambito tecnologico, sociale ed economico sono riportati nella Sezione 5, e le conclusioni, insieme ad alcuni commenti finali sulle prospettive future, sono riportate nella Sezione 6 .

2. Le basi fisico-chimiche per l'integrazione dei rifiuti e dei cicli dell'asfalto

I polimeri sono additivi comuni per il miglioramento delle proprietà dell'asfalto, ma fino ad ora il loro uso è stato antieconomico a causa del loro costo elevato [20]. I recenti progressi della ricerca hanno dimostrato il possibile utilizzo di rifiuti, o prodotti derivati ​​dalla pirolisi dei rifiuti, come additivi emergenti per bitume e asfalto [20-24]. Inoltre, recentemente, sono state valutate le basi fisico-chimiche del miglioramento delle caratteristiche meccaniche dell'asfalto dovuto all'aggiunta di char [25-30]. Il char mostra proprietà antiossidanti e anti-invecchiamento se usato come additivo per asfalto, e il bio-olio può esercitare proprietà rigenerative su asfalti invecchiati, ripristinando la fase maltenica con molecole a basso peso molecolare [27,31].

Le nanoparticelle, grazie al loro elevato rapporto superficie/volume e alla composizione chimica modulabile, possono esercitare un effetto significativo sulle proprietà reologiche di bitumi e asfalti, anche se aggiunte al bitume in percentuali molto piccole [32]. In particolare, le particelle fini possono aumentare la capacità di carico della pavimentazione e diminuire la formazione di fessurazioni per fatica durante la vita operativa della pavimentazione. Ci si aspetta che le particelle carboniose diano risultati migliori, grazie alla loro compatibilità chimica con il bitume (sono entrambi materiali ricchi di carbonio) [25]. Il char, essendo caratterizzato da una struttura porosa e fibrosa, è responsabile di forti interazioni con il legante [28]. Inoltre, è stato riscontrato che il suo alto contenuto di carbonio influenza la durezza e la tenacità del bitume [33]. L'uso del char come modificatore del bitume è stato testato da diversi autori [34,35] e in tutti i casi sono state rilevate prestazioni meccaniche migliorate.

Le interazioni tra char e bitumi possono anche avere effetti anti-invecchiamento. Il ragionamento chimico a sostegno di questa ipotesi è che l'interazione della parte apolare del char con la fase maltogena del bitume dovrebbe costringere quest'ultima a dinamiche più ristrette. Pertanto, la presenza di particelle solide come il char, ostacolando le dinamiche di trasformazione del bitume, potrebbe rallentare i processi responsabili dell'invecchiamento, comprese le dinamiche che coinvolgono i cluster di asfalteni e i loro aggregati, a diverse scale di lunghezza e che interagiscono con diverse resistenze [36].

Molto recentemente, Rajib et al. nel 2021 [37] ha esaminato i vantaggi dell'utilizzo del biochar per ritardare l'ossidazione e l'invecchiamento UV sia sul legante che sull'asfalto, e Kumar et al. [38] hanno valutato la stabilità all'accumulo termico di leganti modificati con rifiuti di plastica pirolizzata (PPC). Il loro lavoro ha dimostrato che i residui di pirolisi possono essere usati come modificatori nei bitumi, ma emerge che molto lavoro è ancora necessario, in particolare, per affrontare i problemi di stabilità [38].

Sotto l'invecchiamento, possono verificarsi crepe o fratture nell'asfalto [39], poiché i componenti chimici del bitume diventano sempre meno mobili sotto lo stress applicato. L'invecchiamento è il risultato complessivo di diversi processi, ciascuno dei quali caratterizzato dai propri tempi:

1. volatilizzazione di componenti più leggeri [40], fenomeno che si verifica anche durante la posa di nuovo asfalto [41,42];

2. ossidazione dei costituenti del bitume da parte dell'ossigeno atmosferico. Le molecole ossidate sono più polari e possono dare un migliore autoassemblaggio [43];

3. reazioni chimiche che causano la polimerizzazione e la formazione di strutture più grandi all'interno del bitume (tissotropia) [44].

Dopo l'invecchiamento, la duttilità/viscosità originaria del bitume può essere in qualche modo ripristinata mediante la semplice aggiunta di agenti ammorbidenti (solitamente chiamati flussanti), come olio fondente, olio di soia, olio liquido, lubrificante, ecc. [45,46].

Ad oggi sono stati messi a punto metodi più sofisticati per ripristinare la chimica originaria del bitume intero e la sua struttura intermolecolare originaria [36,47] (ringiovanimento) ritardando le ossidazioni, gli agglomerati e i processi di autoassemblaggio che si verificano durante l'intero processo di invecchiamento. formulato.

Per quanto riguarda l'uso del bio-olio, è stato dimostrato che la sua composizione lo rende un possibile agente fondente. Il razionale di questa applicazione risiede nella presenza di molecole anfifiliche che possono interagire con quelle già presenti nel bitume. L'interazione tra diversi tipi di siti anfifilici può essere varia, a causa della natura complessa di tali molecole, e con effetti marcati, soprattutto se molecole acide e basiche entrano in contatto all'interno del sistema, a causa di una spinta energetica favorevole verso un forte legame H. formazione o, anche un trasferimento protonico definito con la formazione di specie cariche [48]. In questo quadro, un esempio recente è offerto dal lavoro di Ren et al. nel 2020 [49], dove è stata testata l'aggiunta di bio-olio derivato dalla pirolisi della biomassa al bitume per migliorarne le prestazioni. Il bitume migliorato è stato applicato a fogli hot melt autoadesivi e drogati. Il bio-olio è stato testato mediante titolazione FT-IR, GC-MS e Karl Fischer, mentre le prestazioni del bitume sono state valutate mediante test del punto di rammollimento, test di flessibilità a bassa temperatura, test di resistenza alla pelatura, viscosità, densità, durezza e determinazione della resistenza al calore , e test di viscosità mantenuti. I risultati della valutazione delle proprietà fisiche dimostrano che il bio-bitume è un potenziale sostituto nei fogli di rivestimento bituminoso.

Nella sezione successiva, vengono riportati i dettagli su come questi aspetti vengono sfruttati e ulteriormente analizzati all'interno del progetto ReScA.

3. Metodologia e risultati preliminari: il progetto ReScA

Il progetto ReScA si concentra sull'utilizzo fattibile sia del bio-olio che del char dai processi di pirolisi per produrre asfalti migliori e più duraturi, nonché per rigenerarli in loco una volta invecchiati o esauriti. L'obiettivo finale di ReScA è l'integrazione dei rifiuti urbani e dei cicli dell'asfalto. Sarà realizzato secondo due pilastri principali (Figura 1): (i) la messa a punto delle caratteristiche del prodotto di pirolisi attraverso l'ottimizzazione del processo; (ii) l'uso di prodotti di pirolisi per la formulazione e il ringiovanimento degli asfalti quando sono invecchiati o esausti.

L'approccio proposto porta ai seguenti vantaggi generali:

1. sostituzione di prodotti derivati ​​dal petrolio (es. greggio) con prodotti della pirolisi dei rifiuti solidi urbani;

2. miglioramento delle caratteristiche meccaniche e della longevità degli asfalti attraverso l'utilizzo del char;

3. ringiovanimento a basso costo e in loco di asfalti esausti mediante bio-olio.

Si prevede che i vantaggi sopra menzionati influiranno notevolmente sullo smaltimento degli asfalti invecchiati nelle discariche, sulle emissioni di CO2 e sui costi di produzione, come conseguenza della maggiore durata degli asfalti. Inoltre, il concetto ReScA, adottando lo sfruttamento della pirolisi dalla trasformazione dei rifiuti urbani (concentrandosi sui combustibili derivati ​​dai rifiuti, CDR), consente allo stesso tempo un recupero energetico significativo [50] (il potere calorifico è tipicamente di circa 20 MJ /kg [51]) e la riduzione del conferimento in discarica, realizzando il paradigma dell'economia circolare che è urgente adottare nella transizione post-COVID-19.

3.1. Metodologia (pirolisi, proprietà reologiche degli asfalti)

ReScA persegue lo sfruttamento non convenzionale di prodotti solidi e liquidi (char e bio-oil) per la termoconversione dei rifiuti urbani per valorizzare e migliorare gli asfalti, rendendoli più resistenti e longevi (attraverso l'utilizzo del char) e consentendone la loro rigenerazione attraverso l'uso di olio biologico. ReScA è un progetto interdisciplinare che si avvale della collaborazione di chimici, fisici e ingegneri per garantire sia la produzione e la caratterizzazione di additivi per asfalti mediante pirolisi sia la caratterizzazione delle migliori prestazioni dell'asfalto dal punto di vista reologico.

3.1.1. Approccio alla pirolisi come termoconversione dei rifiuti

Il processo di pirolisi consente la conversione di una materia prima, per lo più ad alto contenuto di carbonio (es. biomasse lignocellulosiche, CDR, plastiche, pneumatici), in tre prodotti principali:

- una frazione condensabile (bio-olio) ricca di acqua, idrocarburi e specie contenenti ossigeno [14,52-54];

- una miscela di gas (principalmente CO, CO2 e CH4) che può essere utilizzata, grazie al suo potere calorifico, per sostenere energeticamente il processo [14,52,55–58];

- un residuo solido ricco di carbonio (char) [52,59].

Gli intervalli di temperatura di esercizio, velocità di riscaldamento, atmosfera (la tipologia dei gas inerti) e tempo di permanenza dei vapori e dei solidi nella camera di pirolisi possono essere regolati in base alle rese desiderate, raggruppando i processi di pirolisi in quattro grandi categorie: lento, pirolisi convenzionale, veloce e flash [52]. Le velocità di riscaldamento variano da 0.1–1 ◦C/s (pirolisi lenta) a oltre 1000 ◦C/s (pirolisi flash), mentre convenzionalmente le temperature del processo sono comprese tra 300–600 ◦C.

Per evidenziare l'influenza dei parametri operativi sulle rese del prodotto, in Figura 2 è riportato un confronto tra le rese dei prodotti di pirolisi derivati ​​da biomasse lignocellulosiche ottenute da prove effettuate a diverse temperature finali e diverse velocità di riscaldamento. Come indicazione generale, le condizioni di pirolisi lenta sono adatte per la produzione di char, soprattutto a basse temperature, mentre per le stesse temperature, le condizioni di pirolisi veloce o flash sono adatte per la massimizzazione della produzione di gas e liquidi. In particolare, ad alte temperature, se il processo è condotto in una condizione di prolungamento del tempo di permanenza del vapore (a bassa velocità di riscaldamento, es. condizioni di lenta pirolisi), la resa della frazione gassosa raggiunge il massimo in quanto reazioni secondarie (es. , cracking) diventano rilevanti e il char evolve verso una struttura con un ridotto contenuto di ossigeno (chiamato char primario). Al contrario, ad un'elevata velocità di riscaldamento (ad esempio, condizioni di pirolisi veloce e flash), la resa in gas diminuisce per favorire una maggiore produzione della frazione liquida, poiché le reazioni secondarie (ad esempio, la decomposizione in piccole molecole) sono limitate [52]. Ulteriori dettagli riguardanti la pirolisi di tipi di biomasse lignocellulosiche possono essere trovati nella recente revisione di Giudicianni et al. [52], mentre i dettagli riguardanti la pirolisi dei RSU possono essere trovati nella recensione di Hasan [60].

I consumi energetici delle varie tipologie di processo sono un altro aspetto importante da tenere in considerazione ai fini applicativi. Tuttavia, per valutare la performance economica di un determinato processo, dovrebbe essere presa in considerazione l'intera catena produttiva, compresi gli utilizzatori finali dei prodotti di pirolisi. La valutazione del ciclo di vita (LCA) diventa necessaria in tale valutazione.

Il processo di pirolisi è una strategia di termoconversione flessibile poiché la composizione di ciascun prodotto di pirolisi può essere regolata agendo su parametri adeguati. Questa ottimizzazione implica la caratterizzazione dettagliata della composizione della materia prima di partenza, che è uno dei principali argomenti di tendenza di questa vasta area di ricerca [52]. Protocolli standardizzati (protocolli ASTM) per definire la composizione elementare (contenuto di C, H, N, S mediante analisi finale), il contenuto di umidità, ceneri, volatili e carbonio fisso (mediante analisi prossimale) e il potere calorifico di una materia prima sono convenzionalmente adottati [61].

Per quanto riguarda il progetto ReScA, le materie prime selezionate (CDR) sono derivate dalla gestione dei rifiuti urbani e stabilizzate secondo la normativa vigente. Il CDR è la frazione combustibile di RSU caratterizzata da un alto contenuto di carbonio e un alto potere calorifico in quanto la sua composizione comprende: plastiche dure, rifiuti di imballaggio, tessuti, legno, metalli e gomma [62]. Il CDR viene prodotto in impianti meccano-biologici per la selezione dei RSU, come residuo finale dei seguenti processi sequenziali: (i) recupero di materiali riciclabili (es. plastica, metalli, vetro, carta); (ii) la stabilizzazione biologica dei rifiuti biodegradabili; (iii) la separazione dei rifiuti inerti [62].

L'RDF è caratterizzato da un'elevata variabilità compositiva che ne influenza il comportamento termico complessivo. La composizione media dell'RDF riportata da diversi autori è la seguente: 15-35% di plastica, 15-50% di carta e cartone cellulosici, 2-10% di legno, 5-20% di sostanze organiche e circa 5-10% di materia non combustibile. 62-64].

La degradazione termica complessiva del CDR è principalmente influenzata dalla degradazione termica delle due frazioni più abbondanti (cellulosica e plastica) [64]. L'RDF si decompone in un intervallo di temperatura più ampio (200–600 ◦C, Figura 4), ma a una temperatura inferiore rispetto ai materiali ricchi di carbonio [65]. Il suo basso contenuto di carbonio fisso, la materia altamente volatile [64] e la presenza di materia non volatile tra il 10 e il 20 percento (i metalli possono catalizzare le decomposizioni) sono responsabili di tale comportamento pirolitico.

I processi di depolimerizzazione e frammentazione dei monomeri dei componenti RDF regolano le quantità relative di frazioni solide (char), liquide (bio-oil) e gassose, in particolare quelle con pesi molecolari inferiori.

Per una migliore comprensione dei fenomeni che si verificano nel degrado termico del CDR, e anche per evidenziare come la velocità di riscaldamento e la temperatura finale possano influenzare quest'ultimo, la perdita di massa (misurata mediante analisi termogravimetrica, TGA) e il segnale termogravimetrico differenziale ( DTG) di un CDR, selezionato come caso di studio, sono riportati in Figura 3 per due diverse velocità di riscaldamento (5 e 50 ◦C/min). La perdita di massa in funzione della temperatura o del tempo di permanenza è dovuta ai fenomeni concomitanti di decomposizione, ossidazione e perdita di volatili [66]. Le differenze osservate per le due curve TG hanno evidenziato che il meccanismo di degradazione è influenzato dalla velocità di riscaldamento e, di conseguenza, che le quantità relative delle tre frazioni all'uscita del processo di pirolisi (gas, char e bio-olio) può essere regolato operando su diversi parametri (principalmente intervallo di temperatura, velocità di riscaldamento e tempo di permanenza del gas).

Come osservazione finale, la superiorità del trattamento di pirolisi dei rifiuti di plastica per ottenere prestazioni ambientali complessive migliori rispetto a quelle delle opzioni convenzionali, come lo smaltimento in discarica o l'incenerimento, è stata dimostrata utilizzando l'approccio LCA dal 2005 [67]. Più recentemente, Jeswani et al. [10] hanno effettuato un'analisi LCA più approfondita dimostrando che anche se il trattamento di pirolisi dei rifiuti di plastica misti ha un impatto sui cambiamenti climatici e un consumo di energia del ciclo di vita inferiori del 50% rispetto all'opzione di recupero energetico, altri impatti come l'acidificazione, l'eutrofizzazione e l'energia fotochimica e la formazione di ozono, sono superiori a quelli per il riciclo meccanico e il recupero energetico a causa del fabbisogno energetico relativamente elevato nei processi di pirolisi e purificazione. Pertanto, i risultati di Jeswani et al. [10] sottolineano la necessità di migliorare, in futuro, lo sforzo di ricerca per aumentare l'efficienza di conversione del carbonio della pirolisi dei rifiuti per ridurne ulteriormente l'impatto.

3.1.2. Preparazione degli asfalti, invecchiamento, test di ringiovanimento e caratterizzazione reologica

Un'ampia gamma di test reologici standard viene solitamente impiegata per caratterizzare i componenti dell'asfalto (principalmente frazione bituminosa) e i prototipi di asfalto.

Nell'ambito del progetto ReScA vengono preparati campioni di bitume contenenti diverse quantità di char e la valutazione della loro stabilità viene ottenuta mediante diverse tecniche: esperimenti sul grado di penetrazione (EN 1426: 2015), ring and ball test (EN 1427: 2015), esperimenti di diffusione NMR, misure di calorimetria a scansione differenziale (DSC), misure di reometria per parametri G0, G00 e tan delta, solchi e fatica, analisi dei diagrammi neri, imaging microscopico (ottico, AFM) e infrarossi misure spettroscopiche. I bitumi char-modificati che presentano una buona stabilità vengono quindi utilizzati per preparare prototipi di asfalto. La preparazione dei prototipi di asfalto viene effettuata mediante protocolli standard (UNI EN 12697-31) che prevedono l'utilizzo di un compattatore rotatorio. In dettaglio, la distribuzione dimensionale delle particelle inorganiche è scelta secondo le specifiche standard italiane [19], rispettando allo stesso tempo i limiti imposti dal metodo Superior Performing Asphalt Pavements nell'ambito del programma di ricerca sulle autostrade strategiche (Superpave SHRP) [20 ]. Le gradazioni di aggregato specifiche per la produzione dei provini di asfalto sono scelte per garantire fenomeni antiruggine [21] e seguono un metodo di mix-design (UNI EN 933-1). La valutazione della stabilità si ottiene utilizzando il test di stabilità Marshall standard (ASTM D6927).

Per valutare gli effetti anti-invecchiamento dati dall'aggiunta di char, vengono eseguiti test di invecchiamento su bitumi modificati con char. La simulazione dell'invecchiamento viene eseguita mediante la procedura standard del test del forno a film sottile rotante (RTFOT) secondo il protocollo standard ASTM D2872-04 e il test del recipiente di invecchiamento a pressione (PAV), secondo ASTM D6521 protocollo. La caratterizzazione delle proprietà meccaniche dopo il processo di invecchiamento viene eseguita con le stesse tecniche analitiche utilizzate per le valutazioni di stabilità.

Per testare l'efficacia del bio-olio come ringiovanente o come fondente, campioni di bitumi invecchiati vengono caratterizzati con le suddette tecniche e poi trattati con quantità crescenti di bio-olio. La valutazione delle proprietà meccaniche dei campioni ottenuti e il confronto di tali risultati con quelli dei bitumi vergini e invecchiati consente di definire l'effetto dell'aggiunta di bio-olio.

La raccolta di tutti questi risultati di caratterizzazione dovrebbe rafforzare la comprensione dei meccanismi di interazione tra i costituenti del bitume e gli additivi sotto forma di nanoparticelle responsabili dell'aumento delle prestazioni e della durabilità del legante e dell'asfalto risultante.

A riprova dell'approccio proposto, nella sezione successiva sono riportati alcuni risultati preliminari su un CDR, materia prima scelta come caso studio.

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