Sintesi e Caratterizzazione di Materiali Porosi per la Degradazione del Polietilene

This Master's Thesis work is placed in the context of a research line devoted to the fundamental investigation of several catalysts for the catalytic degradation of POs to gaseous products. While so far only commercial catalysts have been explored, the specific purpose of this Master's Thesis work was to explore a new class of materials not commercially available, Zr-SBA-15. The presence of Zr inside the mesoporous silica framework modifies the textural properties of the starting material (SBA-15) and induces also Brønsted and Lewis acidity on their surface, making them potentially interesting in the field of PE chemical recycling. The work consisted of three main experimental parts, all conducted in the NIS laboratories at the Chemistry Department of the University of Turin and related data analysis. 1. One-pot synthesis of the Zr-SBA-15 and related materials. Three different mesoporous Zr-SBA-15 materials were synthesised varying the Zr/Si molar ratio in the 0.035 – 0.1 range. A pure SBA-15 was synthetized following the same recipe and employed as reference material. Moreover, the blank SBA-15 material was also impregnated with a Zr precursor in different amount followed by calcination, in order to obtain two impregnated Zr-SBA-15 materials whereby the Zr phase is not inserted in the silica framework. All the details of the synthesis are thoroughly presented in Chapter 2. 2. Systematic characterization of the synthesised materials. All the synthetized materials have been thoroughly characterized by means of: a. X-Ray Powder Diffraction (PXRD) to evaluate the pore arrangement; b. N2 adsorption-desorption at 77 K to determine the Specific Surface Area (SSA), the cumulative pore volume, and the pore size and pore size distribution; c. FT-IR spectroscopy of probe molecules having a basic character to characterize and quantify the acid sites; in particular, pyridine adsorption at room temperature allowed the quantification of the Brønsted and Lewis acid sites, while carbon monoxide at 100 K allowed the discrimination of acid sites in terms of strength. The characterization results constitute the central part of this thesis and are presented and discussed in Chapter 3. 3. Catalytic tests for degradation of LLDPE. A series of tests were performed employing a home-made experimental set-up designed to identify and quantify the volatile products evolved during the catalytic degradation of POs in the presence of different catalysts, at increasing temperature up to 500°C. The thermal degradation of LLDPE was considered as reference. The optimization of the experimental set-up has been the object of a previous Master's Thesis work and therefore only a short section is devoted to its description (Chapter 2, section 2.3). The results of the catalytic tests, instead, are summarized and critically discussed in Chapter 4. Finally, Chapter 5 contains some conclusions and perspectives for future works.

Questo progetto di Tesi Magistrale è inserito nel contesto di ricerca dedicata a indagare le potenzialità di diversi catalizzatori per la degradazione catalitica di poliolefine in prodotti gassosi. Lo scopo specifico di questo lavoro è stato esplorare una nuova classe di materiali non disponibili in commercio, Zr-SBA-15. La presenza di Zr all'interno della struttura di silice mesoporosa modifica le caratteristiche del materiale di partenza (SBA-15) e induce anche acidità di Brønsted e Lewis sulla loro superficie, rendendoli potenzialmente interessanti nel campo del riciclo chimico del PE. Il lavoro si è articolato in tre parti sperimentali principali, tutte condotte nei laboratori NIS del Dipartimento di Chimica dell'Università degli Studi di Torino e relativa analisi dei dati. 1. Sintesi one-pot di Zr-SBA-15 e materiali correlati. Sono stati sintetizzati tre diversi materiali mesoporosi Zr-SBA-15 variando il rapporto molare Zr/Si nell'intervallo 0,035 - 0,1. Una SBA-15 pura è stata sintetizzata seguendo la stessa ricetta e utilizzata come materiale di riferimento. Inoltre, l'SBA-15 è stata anche impregnata con un precursore Zr in quantità diversa seguita da calcinazione, al fine di ottenere due materiali Zr-SBA-15 impregnati in cui la fase Zr non è inserita nella struttura di silice. Tutti i dettagli della sintesi sono presentati dettagliatamente nel Capitolo 2. 2. Caratterizzazione sistematica dei materiali sintetizzati. Tutti i materiali sintetizzati sono stati accuratamente caratterizzati mediante: a. Diffrazione a raggi X da polvere (PXRD) per valutare la disposizione dei pori; b. Adsorbimento-desorbimento di N2 a 77 K per determinare l'area della superficie specifica (SSA), il volume cumulativo dei pori e la dimensione dei pori e la distribuzione delle dimensioni dei pori; c. Spettroscopia FT-IR di molecole sonda aventi carattere basico per caratterizzare e quantificare i siti acidi; in particolare, l'adsorbimento della piridina a temperatura ambiente ha consentito la quantificazione dei siti acidi di Brønsted e Lewis, mentre il monossido di carbonio a 100 K ha consentito la discriminazione dei siti acidi in termini di forza. I risultati della caratterizzazione costituiscono la parte centrale di questa tesi e sono presentati e discussi nel Capitolo 3. 3. Test catalitici per la degradazione di LLDPE. È stata eseguita una serie di test utilizzando un set-up sperimentale progettato per identificare e quantificare i prodotti volatili evoluti durante la degradazione catalitica di poliolefine in presenza di diversi catalizzatori, a temperature crescenti fino a 500 ° C. La degradazione termica dell'LLDPE è stata considerata come riferimento. L'ottimizzazione dell'assetto sperimentale è stata oggetto di un precedente lavoro di Tesi di Master e quindi solo una breve sezione è dedicata alla sua descrizione (Capitolo 2, sezione 2.3). I risultati dei test catalitici, invece, sono riassunti e discussi criticamente nel Capitolo 4. Infine, il capitolo 5 contiene alcune conclusioni e prospettive per i lavori futuri.