Reuse of spent molecular sieves as adsorbents: a waste valorization strategy for low-temperature thermal energy storage

I sistemi energetici stanno cambiando. Mentre il mondo cerca di allontanarsi dai combustibili fossili, la sfida non è solo generare energia pulita, ma immagazzinarla in modo efficiente per quando il sole non splende o il vento non soffia. Un modo promettente per immagazzinare il calore è attraverso un processo chiamato adsorbimento. Immaginate una spugna che può assorbire il vapore acqueo dall'aria; quando questa spugna viene riscaldata, rilascia l'acqua e, nel farlo, assorbe una quantità significativa di energia termica. Se questo ciclo può essere ripetuto, il materiale agisce come una batteria per il calore, trattenendo l'energia finché non sarà necessaria. La chiave per far sì che ciò funzioni bene è trovare materiali che siano economici, stabili ed eccellenti nel catturare e rilasciare l'acqua. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di utilizzare cristalli sintetici noti come setacci molecolari per questo compito, ma questi materiali sono costosi da produrre e vengono spesso scartati come rifiuti pericolosi una volta esaurita la loro funzione originale nella purificazione dei gas industriali.

Un team di ricercatori in Argentina ha trasformato questo problema in un'opportunità. Hanno indagato se i setacci molecolari "esauriti" — quelli che sono già stati utilizzati negli impianti di purificazione del gas naturale e che attualmente vengono gettati via — potessero avere una seconda vita come materiali per l'accumulo di calore. Invece di trattare questi cristalli scartati come spazzatura, i ricercatori si sono chiesti se la loro struttura interna e la capacità di trattenere l'acqua rimanessero intatte dopo anni di servizio industriale. Testando questi materiali usati rispetto a cristalli naturali freschi e a un diverso tipo di composto sintetico, hanno scoperto che il materiale di scarto mantiene le proprietà essenziali necessarie per funzionare come una batteria termica. Questa scoperta suggerisce un modo per trasformare un sottoprodotto industriale pericoloso in una risorsa preziosa, sostenendo un'economia circolare dove il rifiuto viene trasformato in uno strumento per l'energia sostenibile.

Lo studio è iniziato con un tipo specifico di scarto: setacci molecolari esausti raccolti da un impianto di lavorazione del gas nel settore petrolifero e del gas. Questi impianti utilizzano i setacci per asciugare e purificare il gas naturale, rimuovendo acqua e altre impurità. Con il tempo, i setacci si saturano e vengono sostituiti, generando circa 50 tonnellate di questo materiale annualmente in un singolo impianto. Attualmente, questo scarto è classificato come pericoloso perché contiene idrocarburi intrappolati, comportando costi di smaltimento e preoccupazioni ambientali. I ricercatori hanno preso un campione di questo materiale usato, che è un cristallo sintetico composto da silicio, alluminio e ossigeno, e lo hanno sottoposto a una serie di test rigorosi. Per garantire un confronto equo, hanno testato anche un minerale cristallino naturale trovato nella terra e un composto composito creato in laboratorio, esaminando come ciascuno reagiva al calore e come interagiva con l'acqua.

Il primo passo è stato osservare la struttura fisica dei materiali. Utilizzando potenti microscopi, i ricercatori hanno esaminato la superficie e i pori interni dei setacci esausti. Hanno scoperto che, nonostante il lungo servizio in un impianto industriale, i cristalli non si erano collassati né avevano perso la loro natura porosa. I minuscoli canali e i fori che permettono alle molecole d'acqua di entrare ed uscire erano ancora chiaramente visibili e ben connessi. Questa è stata una scoperta cruciale perché la capacità di immagazzinare calore in questo sistema dipende interamente dalla capacità del materiale di far entrare e uscire l'acqua. I cristalli usati apparivano sorprendentemente simili a quelli freschi, suggerendo che le dure condizioni della purificazione del gas non avessero distrutto proprio le caratteristiche che li rendono utili per l'accumulo di energia.

Successivamente, il team ha analizzato la composizione chimica dei materiali per capire come avrebbero interagito con l'acqua. Hanno misurato il rapporto tra silicio e alluminio nei cristalli, un fattore che determina quanto fortemente un materiale attira le molecole d'acqua. Gli esausti setacci molecolari mostravano un alto contenuto di alluminio, che crea una forte attrazione elettrica sull'acqua, rendendo il materiale molto bravo ad assorbire l'umidità. Al contrario, il minerale naturale testato aveva meno alluminio e avrebbe probabilmente trattenuto l'acqua con meno forza. Il terzo materiale, un composito a base di fosfato di calcio, si comportava diversamente, facendo affidamento sulla chimica superficiale piuttosto che sulla struttura cristallina interna per trattenere l'acqua. L'analisi chimica ha confermato che gli esausti setacci possedevano il giusto tipo di "aderenza" per l'acqua, un tratto vitale per catturare e rilasciare l'energia termica.

I ricercatori si sono poi dedicati ai test termici, riscaldando i materiali per vedere come si comportavano sotto variazioni di temperatura. Hanno utilizzato una tecnica chiamata analisi termogravimetrica, che misura quanta massa perde un campione mentre si riscalda. Man mano che la temperatura aumentava, tutti e tre i materiali perdevano peso, ma lo facevano in modi diversi. Il minerale naturale era molto stabile, perdendo pochissima massa, il che significava che tratteneva l'acqua saldamente ma potrebbe non rilasciarla abbastanza facilmente per un rapido accumulo di energia. Il materiale composito perdeva una quantità significativa di peso alle temperature più elevate, ma questo era dovuto alla decomposizione dei suoi componenti organici, un segno che potrebbe non essere abbastanza stabile per un uso ripetuto. Gli esausti setelli molecolari, tuttavia, mostravano un comportamento equilibrato. Rilasciavano l'acqua costantemente mentre venivano riscaldati, perdendo massa in modo controllato senza sfaldarsi. Ciò indicava che potevano essere riscaldati per rilasciare l'energia immagazzinata e poi raffreddati per assorbirla di nuovo, un ciclo che è essenziale per una batteria termica riutilizzabile.

Per comprendere l'energia coinvolta in questo processo, il team ha utilizzato un metodo chiamato calorimetria a scansione differenziale, che misura il flusso di calore in entrata o in uscita da un materiale. Quando hanno riscaldato gli esausti setacci molecolari, hanno osservato un ampio assorbimento di energia termica. Questo calore non stava solo scaldando il materiale solido; veniva utilizzato per estrarre le molecole d'acqua dalla superficie del cristallo e dai suoi minuscoli pori. Il fatto che questo assorbimento di calore avvenisse in un ampio intervallo di temperature suggeriva che l'acqua fosse trattenuta in molti modi diversi all'interno del cristallo, alcuni debolmente e altri più fortemente. Questo è in realtà un aspetto positivo per l'accumulo di energia, poiché consente al materiale di assorbire il calore gradualmente invece di tutto in una volta. Le misurazioni hanno dimostrato che gli esausti setacci potevano assorbire una quantità significativa di energia termica, paragonabile o addirittura superiore al minerale naturale fresco, provando che la loro capacità di immagazzinare calore non era stata persa durante la loro prima vita nell'impianto di gas.

Lo studio ha concluso che questi cristalli industriali scartati non sono solo rifiuti, ma una risorsa praticabile per l'accumulo di energia termica a bassa temperatura. Gli esausti setacci molecolari hanno mantenuto la loro integrità strutturale, la loro capacità chimica di attrarre l'acqua e la loro stabilità termica anche dopo essere stati utilizzati in dure condizioni industriali. Potevano essere riscaldati per rilasciare acqua ed energia, e poi raffreddati per assorbire l'acqua e immagazzinare l'energia, senza degradarsi. Questa scoperta offre una strada pratica verso l'economia circolare. Invece di inviare 50 tonnellate di rifiuti pericolosi in una discarica ogni anno, un impianto di lavorazione del gas potrebbe potenzialmente riutilizzare lo stesso materiale per aiutare a immagazzinare l'energia rinnovabile. Sebbene i ricercatori abbiano notato che sono necessari ulteriori lavori per testare come questi materiali si comportino nel corso di molti anni di riscaldamento e raffreddamento ripetuti, i risultati iniziali sono chiari: lo scarto di un'industria potrebbe diventare la soluzione di accumulo energetico per un'altra, trasformando un problema di smaltimento in un asset sostenibile.