Caratterizzazione del biochar come materiale adsorbente nel trattamento delle acque destinate al consumo umano.

Biochar is a carbonous material obtained by a thermoconversion process (pyrolysis or gasification) of biomass. The uses of biochar are manifold: it can be used as agricultural soil to improve the chemical-physical properties of the ground, it can act as mitigator of the climatic changes, or it can be used as adsorbent material for pollutants present in soils and in waters. In water treatment processes, with particular reference to drinking waters, the material currently used for water filtration destined for human consumption is activated carbon. There are many similarities between activated carbon and biochar: they are both carbonous materials product by a thermal process and they both have a porous surface. The main difference between the activated carbon and the biochar is that generally the latter does not undergo an activation treatment. In this thesis project we have been studied physico-chemical and adsorption properties of 10 samples consisting of 7 biochar, produced both by pyrolysis and gasification, and 3 activated carbons (a new activated carbon, a regenerated activated carbon, a regenerated activated carbon currently in use in a drinking water plant). The characterization was carried out using international standards. We have been followed the standards UNI EN 12902 and 12915 concerning the suitability of products for the treatment of drinking water and the procedure for activated carbons issued by the Conseil Européen des féderations de l'industrie chimique (CEFIC) and standard procedures taken from American Society for Testing and materials (ASTM). The parameters evaluated were: the content of water and ash, pH and pH at the point of zero charge, the iodine index, the methylene blue index and the phenol index. It has been evaluated also the release of water-soluble substances such as metals, PAHs and PCBs. Moreover, through the application of chemometric instruments, we have evaluated the correlation between the parameters above mentioned with the type of biomass, the temperature and the time of residence of the thermoconversion process of each sample. Regulatory constraints in order to use a material for the filtration of drinking water, concern the water content (maximum content of 5%), the ash content (maximum content of 15%), the iodine index (minimum value 600 mg/g), the sum of the concentrations of certain PAHs (sum of fluoranthene, benzo(b)fluoranthene, the benzo(k)fluoranthene, the benzo(a)pyrene, the benzo(ghi)perylene and indene do not exceed 0.02 ppb), and the concentration of metals such as, Cd, Cr, Hg, Ni, Pb, Sb, Se. Among the samples analysed, the regulatory constraint of water content is not respected by 2 biochar and by the activated carbon taken from drinking water plant. Samples with ash content less than 15% are 6 including 3 biochars. An iodine index greater than the minimum value is only respected by the new activated carbon. As far as the presence of PAHs within the samples, they are all suitable for use as filtration materials. All samples have an alkaline pH. The methylene blue index for biochar is within a range of 7 and 25% of a new activated carbon.

Il biochar è un materiale carbonioso ottenibile mediante un processo di termoconversione (pirolisi o gassificazione) della biomassa. Gli utilizzi del biochar sono molteplici: può essere utilizzato come ammendante agricolo in modo tale da migliorare le proprietà chimico-fisiche del terreno, può fungere da mitigatore dei cambiamenti climatici, oppure essere utilizzato come materiale adsorbente di inquinanti presenti in suoli e in acque. Nell'ambito dei processi di trattamento delle acque, con particolare riferimento a quelle potabili, il materiale attualmente adibito alla filtrazione di acque destinate al consumo umano è il carbone attivo. Le analogie tra carbone attivo e biochar sono molteplici: sono entrambi materiali carboniosi prodotti a seguito di processi termici ed entrambi dotati di una superficie porosa. La principale differenza tra il carbone attivo e il biochar è che generalmente quest'ultimo non subisce un trattamento di attivazione. In questo lavoro di tesi si sono studiate le proprietà chimico-fisiche e di adsorbimento di 10 campioni costituiti da 7 biochar, prodotti sia da pirolisi che gassificazione, e 3 carboni attivi (un carbone attivo nuovo, un carbone attivo rigenerato un carbone attivo rigenerato attualmente in uso in un impianto di potabilizzazione). La caratterizzazione è stata effettuata utilizzando standard internazionali. In particolare si sono seguite le norme UNI EN 12902 e 12915, relative all'idoneità di prodotti per il trattamento delle acque destinate al consumo umano, e procedure relative ai carboni attivi rilasciate dal Conseil Européen des Féderations de l'Industrie Chimique (CEFIC) e da procedure standard tratte da American Society for Testing and Materials (ASTM). I parametri valutati sono stati il contenuto di umidità e di ceneri, il pH e il pH al punto di zero carica, l'indice di iodio, l'indice di blu di metilene e l'indice di fenolo. È stato inoltre valutato il rilascio di sostanze solubili in acqua quali metalli, IPA e PCB. Inoltre, attraverso l'applicazione di strumenti chemiometrici, si è valutata la correlazione tra i parametri sopracitati con la tipologia della biomassa, la temperatura e il tempo di residenza del processo di termoconversione utilizzato di ciascun campione. I vincoli normativi per poter utilizzare un materiale per la filtrazione delle acque destinate al consumo umano, riguardano il contenuto di umidità (contenuto massimo del 5%), il contenuto di ceneri (contenuto massimo del 15%), l'indice di iodio (valore minimo 600 mg/g), la somma delle concentrazioni di alcuni IPA (somma del fluorantene, benzo(b)fluorantene, benzo(k)fluorantene, benzo(a)pirene, benzo(ghi)perilene e indene non deve superare 0,02 ppb), e la concentrazione dei metalli As, Cd, Cr, Hg, Ni, Pb, Sb, Se. Tra i campioni analizzati, il vincolo normativo del contenuto di umidità non è rispettato da 2 biochar e dal carbone attivo prelevato dall'impianto di potabilizzazione. I campioni che presentano un contenuto di ceneri inferiori al 15% sono 6 tra cui 3 biochar. Un indice di iodio maggiore del valore minimo è rispettato solo dal carbone attivo nuovo. Per quello che riguarda la presenza di IPA all'interno dei campioni, essi risultano esseri tutti idonei per l'utilizzo come materiale di filtrazione. Tutti i campioni risultano avere un pH alcalino. L'indice di blu di metilene per i biochar si colloca in un intervallo compreso tra il 7 e il 25% di un carbone attivo nuovo.