Nanocellulose : production and applications of an innovative eco-sustainable resource

Nanocellulose and nanocellulose-based materials are attracting an increasing interest for the positive role they could play in sustainable development, being originated from renewable resources. Moreover, cellulose has a high potential of recycling from both post-consumer waste and industrial waste. These factors result extremely favorable also in the perspective of circular economy. Given these premises, the main objectives of this Ph.D. thesis are: the first is certainly the production of cellulose nanofibers using combinations of enzymatic and chemical pre-treatments with different mechanical treatments. The choice of these processes is the result of the combination of a careful analysis of the literature, the skills concerning oxidative systems and polysaccharides of the research group where I did my Ph.D., the OSCMLab, and the chemical-mechanical competences in the field of paper industry of Innovhub SSI - Area Carta e Cartone, the other institution supporting my Ph.D. After a careful characterization of the produced nanofibers from the point of view of environmental impact through a Life Cycle Assessment (LCA) in collaboration with Mat4En2 group of Politecnico di Milano, the second objective of the project was to use the produced nanofibers in the most virtuous way possible in different applications. The areas in which we tried to develop the use of the fibers were the field of green building, in which cellulose nanofibers were used as an additive in non-renewable matrices such as cements and blast furnace slag and in renewable building materials such as raw earth, and the synthesis of nanostructured materials in which nanocellulose played a key role as a building block. Regarding this last application, the aim has been to reproduce the synthesis of these aerogels, exploiting their already well-known mechanical, morphological and metal adsorption properties and then exploring different fields. Among these, the environmental decontamination from organic contaminants, the production of sensors for specific anions and the heterogeneous catalysis of specific organic reactions have been explored.

La nanocellulosa e i materiali a base di nanocellulosa stanno attirando un interesse sempre crescente per il ruolo positivo che potrebbero giocare nello sviluppo sostenibile, essendo originati da risorse rinnovabili. Inoltre, la cellulosa ha un alto potenziale di riciclo sia dai rifiuti post-consumo che dagli scarti industriali. Questi fattori risultano estremamente favorevoli anche nell'ottica dell'economia circolare. Date queste premesse, gli obiettivi principali di questa tesi di dottorato sono due: il primo è sicuramente la produzione di nanofibre di cellulosa utilizzando combinazioni di pretrattamenti enzimatici e chimici con diversi trattamenti meccanici. La scelta di questi processi è il risultato della combinazione di un'attenta analisi di letteratura, delle competenze relative ai sistemi ossidativi e ai polisaccaridi del gruppo di ricerca dove ho svolto il mio dottorato, l'OSCMLab, e delle competenze chimico-meccaniche nel campo dell'industria cartaria di Innovhub SSI - Area Carta e Cartone, l'altro ente di ricerca che sostiene il mio dottorato. Dopo un'attenta caratterizzazione delle nanofibre prodotte dal punto di vista dell'impatto ambientale attraverso un Life Cycle Assessment (LCA) in collaborazione con il gruppo Mat4En2 del Politecnico di Milano, il secondo obiettivo del progetto è stato quello di utilizzare le nanofibre prodotte nel modo più virtuoso possibile in diverse applicazioni. Gli ambiti in cui si è cercato di sviluppare l'utilizzo delle fibre sono stati il campo della bioedilizia, in cui le nanofibre di cellulosa sono state utilizzate come additivo in matrici non rinnovabili come cementi e loppe d'altoforno e in materiali da costruzione rinnovabili come la terra cruda, e la sintesi di materiali nanostrutturati in cui la nanocellulosa ha giocato un ruolo chiave come building block. Per quanto riguarda quest'ultima applicazione, l'obiettivo è stato quello di riprodurre la sintesi di questi aerogel, sfruttando le loro già note proprietà meccaniche, morfologiche e di adsorbimento dei metalli, per poi esplorare diversi campi. Tra questi, sono stati esplorati la decontaminazione ambientale da contaminanti organici, la produzione di sensori per anioni specifici e la catalisi eterogenea di specifiche reazioni organiche.