Development of magnetic heterogeneus sytems for the elimination of pollutants

The research done in this executive PhD was sponsored by Captive Systems and was developed in close collaboration with Captive’s team. Captive System is start-up recognized as a spin-off of Politecnico di Milano, that is developing an innovative technology based on the use of magnetic aggregates for the treatment of wastewaters and gas stream. The main objective is to introduce into the waste management this innovative technology with the aim of promoting an easy way treatment to nullify the environmental impact of waste processes. In line with this, all the research was done having as a fil rouge the objective of an industrial application both regarding the production of the material and their application in waste treatment. Three possible applications were investigated: 1. Metals remediation; 2. Carbon Dioxide capture. 3.Oil adsorption. For each specific application a unique type of magnetic particles was developed. The first part of the work is focused on the production of different types of magnetic functionalized aggregates. The materials used were chosen according to their ease to be purchased and their low risks MSDS. Among the different production methods, the co-precipitation was chosen as the easiest to scale-up in an industrial production, and literature always reports the use of this technique in batch mode for producing different types of magnetic nanoparticles and their aggregates1–4. The first result achieved by this work was to produce three classes of magnetic nanoparticles and their aggregate (anionic, cationic and lipophilic) by using co-precipitation in a continuous process. A pilot production plant was developed with a production capacity of 50 Kg per day. Different batches were produced with the pilot plant and their chemical-physical characteristics were analyzed and found consistent with the one produced at the lab scale. The third chapter is focused specifically on the development of magnetic aggregates to be used for the removal of metals from wastewater. A coating made of bi-carboxylic acid was developed to promote the adsorption of metal ions by electrostatic interaction. The materials were successfully used to treat two real wastewaters coming form an Italian electroplating industry polluted with copper and zinc. Different treatment parameters were analyzed in order to understand the main parameters that control the application of these materials in metals remediation. The fourth chapter collects the results regarding the production of magnetic particles for carbon dioxide capture. Different type of materials functionalized with amine groups were produced. TGA/DTA was used to determine their thermal stability, and moreover to evaluate their capacity of absorbing CO2 and their ability to be regenerated (recyclability). The magnetic particles showed a good recyclability and stability, with a slight loss in performance after several regeneration cycles. The fifth chapter is focused on a circular economy application. In the specific, the possibility of using mussel shells waste combined with magnetic particles to obtain composite materials for oil adsorption was investigated. Mussel shell waste has a huge economic impact on bivalve aquaculture and moreover their wrong disposal causes environmental problems. In this work, mussel shells, that are mainly made of calcium carbonate (CaCO3), were recycled to synthesize composite magnetic materials made of biogenic CaCO3 and magnetite. Their capacity of adsorbing crude oil was checked indirectly by Chemical Oxygen Demand analysis. The promising results obtained showed that this way could be a valid solution for recycling of mussel shell waste. Last chapter is focused on the preparation of a preliminary executive Business Plan with the aim of positioning the technology developed in this work among the already commercially available technologies for waste treatment. The main figures of the eBP are: 1. Technology description with the related opportunity and risks; 2. Market analysis; 3. Competitive landscape; 4. Go-to-market strategy and 5. Estimation of pricing and the revenues model. 

La ricerca svolta in questo dottorato di ricerca executive è stata sponsorizzata da Captive Systems ed è stata sviluppata in stretta collaborazione con il t loro team. Captive System è una start-up riconosciuta come spin-off del Politecnico di Milano, che sta sviluppando una tecnologia innovativa basata sull'utilizzo di aggregati magnetici per il trattamento di acque reflue e correnti gas. L'obiettivo principale è quello di introdurre nella gestione dei reflui liquidi e gassosi tale tecnologia innovativa con l'obiettivo di promuovere un trattamento semplice per annullare l'impatto ambientale dei processi di trattamento dei reflui. In linea con ciò, tutta la ricerca è stata condotta avendo come fil rouge l'obiettivo di un'applicazione industriale sia per quanto riguarda la produzione del materiale che la loro applicazione nel trattamento finale dei reflui. Sono state studiate tre possibili applicazioni: 1. Rimozioni di metalli da correnti; 2. Cattura di anidride carbonica. 3. Adsorbimento di idrocarburi. Per ogni specifica applicazione è stato sviluppato uno specifico tipo di particelle magnetiche. La prima parte del lavoro, capitoli 1 e 2, è focalizzata sulla produzione di diversi tipi di aggregati magnetici funzionalizzati. Le materie prime utilizzate sono state scelte in base alla loro facilità di essere reperite e alla loro bassa classe di rischio. Tra i diversi metodi di produzione, la co-precipitazione è stata scelta come la più facile da scalare in una produzione industriale. Nella letteratura scientifica, questo metodo per produrre diversi tipi di nanoparticelle magnetiche e loro aggregati viene riportato principalmente come condotto in modalità batch. Il primo risultato ottenuto da questo lavoro è stato quello di produrre tre classi di nanoparticelle magnetiche e loro aggregati (anionico, cationico e lipofilo) utilizzando la co-precipitazione in un processo continuo. È stato sviluppato un impianto di produzione pilota con una capacità produttiva di 50 Kg al giorno. Diversi lotti sono stati prodotti con l'impianto pilota e le loro caratteristiche chimico-fisiche sono state analizzate e trovate coerenti con quelle dei materiali prodotti in scala di laboratorio. Il terzo capitolo è incentrato nello specifico sullo sviluppo di aggregati magnetici da utilizzare per la rimozione di metalli da acque reflue. È stato sviluppato un rivestimento a base di acido bi-carbossilico per promuovere l'adsorbimento di ioni metallici mediante interazione elettrostatica. I materiali sono stati utilizzati con successo per trattare due reflui inquinati da rame e zinco provenienti da un'industria galvanica operante nel nord Italia. Sono stati analizzati diversi parametri di trattamento al fine di comprendere i principali aspetti che controllano l'applicazione di questi materiali nella bonifica dei metalli su scala industriale. Il quarto capitolo raccoglie i risultati relativi alla sintesi di particelle magnetiche per la cattura dell'anidride carbonica. Sono stati sviluppati diversi tipi di particelle magnetiche funzionalizzate con gruppi amminici. TGA e DTA sono stati utilizzati per determinarne la loro stabilità termica, ed inoltre per valutare la loro capacità di assorbimento di CO2 assieme alla capacità di essere rigenerate. Le particelle magnetiche sviluppate hanno mostrato una buona riciclabilità e stabilità, con una leggera perdita di prestazioni dopo diversi cicli di rigenerazione. Il quinto capitolo è incentrato sul tema dell'economia circolare. Nello specifico è stata studiata la possibilità di utilizzare scarti di gusci di cozze combinati con particelle magnetiche per ottenere materiali compositi per l'adsorbimento di idrocarburi. I rifiuti di gusci di cozze hanno un enorme impatto economico sull'acquacoltura di bivalvi e inoltre il loro errato smaltimento causa problemi ambientali. In questo lavoro, i gusci di cozze, costituiti principalmente da carbonato di calcio (CaCO3), sono stati riciclati per sintetizzare materiali magnetici compositi costituiti da CaCO3 biogenico e magnetite. La loro capacità di adsorbimento di idrocarburi è stata verificata indirettamente mediante l'analisi della domanda chimica di ossigeno (COD). I promettenti risultati ottenuti hanno mostrato come questa via possa essere una valida soluzione per il riciclaggio dei rifiuti di gusci di cozze. L'ultimo capitolo è focalizzato sulla preparazione di un business plan esecutivo (eBP) preliminare con l'obiettivo di posizionare la tecnologia sviluppata in questo lavoro tra le tecnologie già disponibili in commercio per il trattamento dei reflui. I principali argomenti dell'eBP sono: 1. Descrizione della tecnologia con le relative opportunità e rischi; 2. Analisi di mercato; 3. Panorama competitivo; 4. Strategia di go-to-market e 5. Pricing e modello dei ricavi.