Influence of the addition of micro- and nano-cellulose on the different phases of the lime cycle

This thesis is focused on the development of more durable and environmentally friendly lime-based mortars by the addition of micro- and nano-cellulose. The main objectives of this work are: • Optimization of the acid hydrolysis process of nano-cellulose synthesis; • Study of the effects of additions of both micrometric and nanometric cellulosic materials in different phases of the lime cycle. The experimental part of the thesis was divided into two parts. The first part dealt with the optimization of the synthesis process of nano-cellulose and was based on the acid hydrolysis of raw hydrophilic cotton. The second part consisted of three types of experiments in which the synthesized nano-cellulose and a commercial micro-cellulose were added in different phases of the lime cycle at increasing concentrations (from 10 to 1000 ppm). Polysaccharides have already been proven to interact with Ca(OH)2 favoring the carbonation and fast crystallization of calcite. The new challenge has been to study the effect of the addition of cellulosic materials in the lime preparation, i.e. hydration phase of the lime cycle and pre-nucleation and nucleation phases of portlandite crystals, and in the carbonation phase, i.e. the hardening phase of the lime cycle. Lime hydration experiments have been carried out in the department of Mineralogy and Petrology of the University of Granada, by a titration method that allowed to study nucleation and growth of portlandite crystals. Pre-nucleation, nucleation, and carbonation experiments have been carried out with the same reactants and the kinetic of the carbonation reaction was followed by FTIR-ATR spectroscopy. The acid hydrolysis synthesis has been optimized to reduce reaction times and environmental impacts, and effectively remove the sulfate side products. In the hydration experiment, a delay effect of micro-cellulose on the slaking time was assessed. Both micro- and nano-cellulose proved to influence the pre-nucleation and nucleation of portlandite crystals, by acting on the stabilization of pre-nucleation clusters and on the nucleation time. Promising effects of both micro and nano-cellulose on the kinetics of the carbonation process of calcium hydroxide were highlighted.

Questa tesi si sviluppa a partire da una ricerca concentrata sulla possibilità di produrre malte a base calce più durevoli ed ambientalmente sostenibili, tramite l’aggiunta in miscela di cellulose micro e nanometriche. Gli obiettivi principali della tesi sono: • Ottimizzazione del processo di sintesi di nanocellulosa tramite idrolisi acida; • Studio degli effetti provocati dall’addizione di cellulosa micrometrica e nanometrica in diversi momenti del ciclo della calce. La parte sperimentale di questa tesi è divisa in due parti. La prima riguarda l’ottimizzazione della reazione di idrolisi acida per la sintesi di nanocellulosa a partire da cotone idrofilo. La seconda consiste in tre tipologie di esperimenti condotti tramite l’aggiunta, in diverse fasi del ciclo della calce, di vari quantitativi, da 10 a 1000 ppm, della nanocellulosa sintetizzata in laboratorio e di una microcellulosa commerciale. L’interazione tra i polisaccaridi e l’idrossido di calcio, a favore della carbonatazione di quest’ultimo e di una più veloce cristallizzazione della calcite è nota. La sfida di questa tesi è stata studiare gli effetti dell’addizione di cellulosa micro e nanometrica nella preparazione della malta, i.e. nella fase di spegnimento del ciclo della calce e nelle fasi di pre-nucleazione e nucleazione della portlandite, e nel processo di carbonatazione. Gli esperimenti di spegnimento della calce sono stati condotti nel dipartimento di Mineralogia e Petrologia dell’Università di Granada, utilizzando un metodo di titolazione che ha permesso lo studio della nucleazione e della crescita dei cristalli di portlandite. Gli esperimenti di pre-nucleazione, nucleazione e carbonatazione sono stati effettuati utilizzando gli stessi reagenti e la cinetica della carbonatazione è stata monitorata utilizzando spettroscopia FTIR-ATR. Il processo di idrolisi acida è stato ottimizzato, riducendo i tempi di reazione e gli impatti ambientali e rimuovendo efficacemente i sottoprodotti dell’acido solforico. Nell’esperimento di spegnimento della calce, è stato trovato un effetto ritardante della microcellulosa sul tempo di idratazione. Sia la microcellulosa che la nanocellulosa hanno dimostrato di avere un’influenza nella pre-nucleazione e nucleazione dei cristalli di portlandite, agendo sulla stabilizzazione dei clusters di pre-nucleazione e sul tempo di nucleazione. Effetti promettenti sono stati anche evidenziati, per entrambi i materiali a base di cellulosa, durante lo studio della cinetica del processo di carbonatazione dell’idrossido di calcio.