Functionalized magnetic nanoparticles for carbon dioxide capture

Accumulation of carbon dioxide (CO2) in the atmosphere is inducing an effect of global warming and hence causing extreme weather events and heat waves. Among the different mitigation approaches, CO2 adsorption using solid sorbents has been proved as one of the most promising strategies. Therefore, the aim of this thesis is to develop adsorbent for the CO2 capture constituted by magnetic nanoparticles (MNPs) coated with different amines: Aminocaproic acid (EPSI), Asparagine (ASPA), Linear Polyethylenimine (LPEI), Diethylenetriamine (DETA), Triethylenetetramine (TETA). The functionalized magnetic nanoparticles were prepared by grafting various amines onto the MNPs through co-precipitation coating and solution-based sonication processes, followed by different drying treatments. The functionalized MNPs were then characterized by means of elemental analysis CHNS to assess the particles actual load of functional groups and surface modifications. Furthermore, thermogravimetric analysis coupled with differential thermal analysis (TGA/DTA) was exploited to evaluate particles thermal stability, CO2 capture capacity and regeneration capacity (recyclability) and to identify the optimal temperature range for CO2 capture. As a result, it was found that functional group loads ranging from 1,6 wt% to 11,5 wt%. could be obtained, depending on the amine type and synthesis path. DETA-MNPs, TETA-MNPs and EPSI-MNPs show significantly higher adsorption capacity for CO2 compared to others amine surface functionalized MNPs materials. Instead LPEI-MNPs and EPSI-MNPs exhibits the highest recyclability.

L'accumulo di anidride carbonica (CO2) nell'atmosfera sta inducendo un effetto di riscaldamento globale, causando eventi atmosferici estremi. Tra i diversi approcci di mitigazione, l'adsorbimento di CO2 con materiali solidi si è dimostrato una delle strategie più promettenti. Pertanto, lo scopo di questa tesi è quello di sviluppare un materiale per la cattura della CO2 costituito da nanoparticelle magnetiche (MNPs) rivestite con diverse ammine: Acido amminocaproico (EPSI), Asparagina (ASPA), Polietilenimina lineare (LPEI), Dietilenetriamina (DETA), Trietilenetrammina (TETA). Le nanoparticelle magnetiche funzionalizzate sono state preparate funzionalizzando con varie ammine attraverso il metodo della coprecipitazione e della sonicazione in soluzione, seguiti da diversi trattamenti di essiccazione. Le MNPs funzionalizzate sono state poi caratterizzate per mezzo dell'analisi elementare CHNS per valutare il carico effettivo dei gruppi funzionali sulle nanoparticelle. Inoltre, l'analisi termogravimetrica abbinata all'analisi termica differenziale (TGA/DTA) è stata utilizzata per valutare la stabilità termica delle particelle, la capacità di cattura della CO2 e la capacità di rigenerazione (riciclabilità) e per identificare l'intervallo di temperatura ottimale per la cattura della CO2. Come risultato, si è riscontrato che si potevano ottenere carichi di gruppo funzionali compresi tra l'1,6 % in peso e l'11,5 % in peso, a seconda del tipo di ammina e del percorso di sintesi. DETA-MNPs, TETA-MNPs e EPSI-MNPs mostrano una capacità di adsorbimento di CO2 significativamente superiore rispetto ad altri materiali funzionalizzati. Le LPEI-MNPs e le EPSI-MNPs mostrano invece la massima riciclabilità.