Sintesi e proprietà di biochar da biomasse residuali

Il termine biochar definisce il prodotto solido derivante dalla pirolisi di un qualsiasi materiale organico, con lo specifico scopo di essere applicato nei suoli sia per fini agronomici che di gestione ambientale. Un suo utilizzo in maniera "responsabile" richiede però una piena comprensione delle sue proprietà e dei meccanismi che controllano la sua attività nel terreno, che dipendono dalla biomassa di partenza e dalle condizioni di sintesi tramite pirolisi. Infatti le condizioni di pirolisi, in particolare la temperatura di processo e il tempo di residenza, determinano biochar con caratteristiche differenti. In questo lavoro di tesi sono stati prodotti biochar da due diverse tipologie di biomassa residuale ampiamente disponibili (stocchi di mais e pollina). Per ciascuna biomassa sono state scelte tre condizioni di pirolisi (400°C x 20 minuti, 500°C x 10 minuti e 600°C x 5 minuti). Sui biochar ottenuti sono state effettuate le seguenti determinazioni: analisi elementare, Pirolisi‐GC‐MS, idrocarburi policiclici aromatici (IPA), acidi grassi volatili (VFA), azoto ammoniacale (N‐NH4 +), pH, conduttività elettrica e ritenzione idrica. Infine i biochar sintetizzati sono stati utilizzati per fare due test di germinazione per valutare l'effetto sulla formazione delle prime strutture di crescita delle plantule, tramite test di tossicità brevi con piastre Petri. Il primo test è stato condotto a concentrazione crescente di miscele acqua/biochar (2, 5, 40 e 100 g/L sulla base delle quantità di biochar utilizzate come ammendante nel suolo), sulla germinazione seguendo la metodologia normata dalla ISO 11269:2012. I semi utilizzati nel primo test sono stati quelli del crescione (Lepidium sativum L.) come specie dicotiledone, e del sorgo (Sorghum saccharatum M.) come monocotiledone. Il secondo saggio di tossicità eseguito è stato quello descritto dalla normativa in materia UNI 11357, valutando l'eventuale effetto di tossicità alla massima concentrazione delle varie tipologie di biochar, utilizzando come specie dicotiledoni il cetriolo (Cucumis sativus L.) ed il crescione (Lepidium sativum L.), come monocotiledone il sorgo (Sorghum saccharatum M.). Per i biochar da stocchi di mais, rappresentativi di biomasse erbacee e con diverso grado di carbonizzazione, non si osservano effetti apprezzabili alle condizioni di uso agricolo. Nel caso dei biochar da pollina si osservano invece inibizioni alla germinazione sin dalle concentrazioni più basse. In particolare, quello pirolizzato a 400°C mostra un potenziale effetto tossico più marcato, probabilmente associato ad un contenuto di IPA e VFA superiore a quello degli altri biochar.

Enhancing the value of lignocellulosic biomasses through the production of bionanocomposites

The aim of this work was to optimize a methodology to extract cellulose and to produce NC, from different lignocellulosic biomasses (sorghum, Sorghum bicolor (L.) Moench and sunn hemp, Crotalaria juncea L.). In addition, the NC produced was tested as a reinforcing agent in chitosan (Ch) films, to understand its effects on the properties of this biopolymer. The nanoparticles obtained from sorghum and sunn hemp were incorporated in Ch films at a rate of 2.5% w/w of chitosan, and the resultant bionanocomposites (Sorghum NC films and sunn hemp NC films) were fully characterized in terms of their morphology, mechanical and optical properties, permeability (water vapor), water wettability, and FT-IR spectra analysis. Chitosan films reinforced with commercial nanocellulose at the same rate were tested for comparison, as well as pristine chitosan (control). Bionanocomposites made from sorghum and sunn hemp NC were slightly more saturated and opaque than the pristine chitosan films, in particular outer sorghum NC films. Sunn hemp NC films also showed a slightly higher thickness than sorghum NC films and pristine chitosan films. Further, the results confirmed that sorghum NC improved the strength and stiffness of the chitosan biopolymer and that sunn hemp NC improved the plasticity of the chitosan polymer. Hence, results indicate that those lignocellulosic crops may afford a source of NC for the production of bionanocomposites. Considering the application of those bionanocomposites by the food packaging industry, sorghum NC - chitosan films showed more promising results than sunn hemp NC-chitosan films.