Thermal recycling of PA: a condensed phase kinetic model

Over the past seventy years, polymer-based products have revolutionized everyday life, enhancing many aspects of it. However, these advancements have not been matched by progress in waste management, and the most polluting and inefficient disposal methods are still widely used. Among the most effective technologies for reducing greenhouse gas emissions associated with plastic materials are pyrolysis and gasification. These processes enable the recovery of monomers, light hydrocarbons, or syngas, which can be used as feedstock in the chemical industry, thus contributing to the development of a circular economy. This thesis aims to develop a semi-detailed kinetic model for the thermochemical recycling of PA (polyamide). The model is based on a functional-group approach, where the kinetic behavior of large molecules is assumed to depend mainly on their nearest chemical moiety, thereby reducing the computational cost of the simulation. Lighter chemical species are treated with a more detailed modeling approach. The mechanism accounts for condensed-phase and is suitable for CFD simulations. The developed model accurately predicts mass loss profiles and species formation under both static and dynamic conditions at moderate to high temperatures. Additionally, it can assess the influence of weak bonds and average molar mass on the thermal stability of the material.

Negli ultimi settant’anni, i prodotti a base polimerica hanno rivoluzionato la vita quotid iana, migliorandone numerosi aspetti. Tuttavia, a questi progressi non è corrisposto un adeguato sviluppo nella gestione dei relativi rifiuti, e le soluzioni più inquinanti e meno efficienti continuano a essere ampiamente adottate. Tra le tecnologie più efficaci per ridurre le emissioni di gas serra associate ai materiali plastici si distinguono la pirolisi e la gassificazione. Questi processi permettono il recupero di monomeri, idrocarburi leggeri o syngas, utilizzabili come materia prima per l’industria chimica, contribuendo così alla realizzazione di un’economia circolare. Questa tesi si propone di sviluppare un modello cinetico semi-dettagliato per il riciclo ter mochimico del PA (poliammide). Il modello si basa su un approccio a gruppi funzionali, in cui si assume che il comportamento cinetico delle macromolecole dipenda principalmente dalla loro unità chimica più prossima, riducendo così il costo computazionale della simu lazione. I composti più leggeri, invece, sono trattati con un livello di dettaglio maggiore. Il meccanismo considera sia le reazioni nella fase condensata ed è compatibile con sim ulazioni CFD. Il modello sviluppato è in grado di prevedere accuratamente i profili di perdita di massa e la speciazione del polimero in condizioni statiche e dinamiche, a tem perature medio-alte. Inoltre, consente di analizzare l’influenza dei legami deboli e della massa molare media sulla stabilità termica del materiale