La chimica del processo

La carbonizzazione idrotermale riproduce di fatto una accelerazione del processo naturale di carbogenesi che la biomassa subisce quando è sottoposta a particolari condizioni di pressione e temperatura, generando come prodotto principale un solido inattivo avente le caratteristiche della lignite. Il processo di carbonizzazione idrotermale di biomassa secondo il processo brevettato Ingelia funziona con temperature in un intervallo ricompreso tra 190-215 °C con pressioni tra 18-22 bar. In queste condizioni termiche e di pressione si verifica un processo chimico che possiamo sintetizzare nell’esempio di seguito:

C₆H₁₂O₆ → C₆H₄O₂ + 4 H₂O+ energia (MJ)

In una prima fase la biomassa viene depolimerizzata: questa fase è chiamata anche “fase di monomerizzazione”, in cui si formano principalmente monosaccaridi. Prolungando il tempo di reazione, le molecole formate durante la monomerizzazione vengono disidratate, formando composti carbonilici. Successivamente, in una seconda fase, gli aldeidi polimerizzano: adesso a reagire non sono solo i composti aldeidici ma anche composti aromatici (da lignina), composti insaturi e composti acidi (per esempio, prodotti di degradazione degli zuccheri). In aggiunta ai composti descritti, è possibile trovare acido levulinico copolimerizzato, così come anelli aromatici. Nel processo di carbonizzazione idrotermale la biomassa è sottoposta ad una serie di reazioni, quali idrolisi, disidratazione, decarbossilazione, aromatizzazione e ri-condensazione.  Queste reazioni non rappresentano fasi del processo, ma piuttosto formano percorsi di reazione paralleli. Resta inteso che in primo luogo il requisito necessario è che i materiali siano completamente immersi in acqua liquida in modo che il processo avvenga in un sistema chiuso in temperatura e sotto pressione. Per meglio comprendere la riproduzione del processo di carbogenesi e per sottolineare le caratteristiche dell’hydrochar ottenuto di seguito sono evidenziate brevemente le reazioni proprie del processo:

• Idrolisi – in generale una condizione alcalina da una velocità di reazione più elevata rispetto alle condizioni di acidità, ma la condizione di acidità migliora la degradazione del glucosio. Pertanto a seconda della natura della biomassa/rifiuto il pH può essere regolato per migliorare l’idrolisi. Un prodotto di importanza formato durante l’idrolisi è l’acido acetico. (Hatcher et al., 1994).

• Disidratazione – riguarda sia le reazioni chimiche che i processi fisici che riducono la quantità di acqua dalla biomassa senza cambiare la sua costituzione chimica. Questo è dimostrato con la riduzione dei rapporti H/C e O/C. La disidratazione è seguita da decarbossilazione e può apparire solo dopo che una specifica quantità di acqua è stata formata. Durante HTC il tasso di disidratazione è molto superiore a decarbossilazione ed è in gran parte indipendente dalla temperatura in condizioni subcritiche (Funke & Ziegler, 2010).

• Decarbossilazione – è l’eliminazione parziale dei gruppi carbossilici che si verifica durante il processo; i gruppi carbossilici e carbonilici sono rapidamente degradati a temperatura superiore a 150 °C e producono principalmente CO2 e CO (Murray & Evans, 1972).

• Aromatizzazione- in condizioni alcaline la formazione di strutture aromatiche è aumentata e queste mostrano una elevata stabilità in condizioni di HTC e sono considerate come un blocco di costruzione di base del hydrochar. Il contenuto di carbonio diminuisce con un aumento del numero di strutture aromatiche. L’aromatizzazione è fortemente dipendente dalla temperatura (Funke & Ziegler, 2010).