Sequestro del diossido di carbonio mediante nanoparticelle funzionalizzate con ammine

Carbon dioxide is a gas that has always been present in the atmosphere, even before the appearance of man, and provides the effect of thermoregulation of the earth's atmosphere defined as "greenhouse effect". Although it has a natural origin (volcanoes, aerobic bacteria, cell respiration) starting from the second industrial revolution occurred in the second half of the 1800s, carbon dioxide started to have a strong anthropogenic origin due to which it caused an accumulation in the atmosphere. Accumulation that inevitably continues in our day and this leads to an effect of global warming of the atmosphere causing meteorological imbalances which, in recent years, we are witnessing. Therefore it was necessary to have a concrete plan to reduce these emissions as defined in the Paris agreements concluded on 12 December 2015 and signed by as many as 195 countries. In this thesis work it is proposed a process of sequestration of carbon dioxide using magnetic nanoparticles of ferrous-ferric oxide functionalized with particular amines such as dopamine, chitosan and APTMS. As far as functionalization is concerned, the process will be divided into two parallel ways: on one hand the nanoparticles will undergo to a silica coating with subsequent amine functionalization, except the APTMS which already contains silicon and makes a sort of silicon coating. On the other hand, the nanoparticles will be immediately functionalized with amines directly without the silica coating. Subsequently, the functionalized magnetite, for each type of coating, is investigated through the SEM, EDX and XRD analysis in order to characterize the nanoparticles and verifying how the functionalization has been successful. Thereafter a thermal stability analysis is carried out to determine whether, in the temperature interval typical of the deadsorption process, the amine coating does not degrade, losing mass and thus negating the possibility of re-using magnetite in subsequent adsorption processes. Finally, the last analysis is the test of sequestration of carbon dioxide by the functionalized nanoparticles, performing it in isothermal mode and in a pure flow of carbon dioxide, and recording the variation of mass by gravimetric analysis.

Il diossido di carbonio è un gas da sempre presente in atmosfera, ancora prima della comparsa dell’uomo, e provvede all’effetto di termoregolazione dell’atmosfera terrestre definito come “effetto serra”. Sebbene abbia un origine naturale (vulcani, batteri aerobici, respirazione cellulare) a partire dalla seconda rivoluzione industriale avvenuta verso la seconda metà del 1800, il diossido di carbonio ha iniziato ad avere una forte origine antropica per effetto della quale ha causato un accumulo nell’atmosfera. Accumulo che si protrae inevitabilmente ai nostri giorni e ciò genera un effetto di globale riscaldamento dell’atmosfera causando degli squilibri meteorologici i quali, negli ultimi anni, ne stiamo assistendo. Si è reso quindi necessario un piano concreto di riduzione di tali emissioni come definito negli accordi di Parigi conclusisi il 12 Dicembre 2015 e sottoscritto da ben 195 paesi. In questo lavoro di tesi si propone un processo di sequestro del diossido di carbonio utilizzando delle nanoparticelle magnetiche di ossido ferroso-ferrico funzionalizzate con delle particolari ammine come la dopamina, il chitosano e l’APTMS. Per quanto riguarda la funzionalizzazione, il processo sarà suddiviso in due strade parallele: da una parte le nanoparticelle subiranno un coating di silica con successiva funzionalizzazione amminica, tranne l’APTMS che già di sua natura contiene il silicio e fa una sorta di coating silico-amminico, dall’altra, invece, verranno subito funzionalizzate prive del coating di silica. Successivamente la magnetite funzionalizzata, per ciascuna tipologia di coating, viene indagata attraverso le analisi SEM, EDX e XRD per poter caratterizzare al meglio le nanoparticelle verificando come la funzionalizzazione abbia avuto successo. In seguito viene svolta un’analisi di stabilità termica per determinare se, nell’intervallo di temperatura tipico del processo di deadsorbimento, il coating amminico non cominci a degradarsi perdendo massa e vanificando quindi la possibilità di poter riutilizzare la magnetite in successivi processi di adsorbimento. Infine l’ultima analisi, quella vera e propria, è la prova di sequestro del diossido di carbonio da parte delle nanoparticelle funzionalizzate, svolgendola in modalità isoterma e in un flusso puro di anidride carbonica, e registrandone la variazione della massa mediante analisi gravimetriche.