Dalla Seconda Rivoluzione Industriale in poi il mondo è mutato profondamente e il progresso dell’industria chimica e tecnologica ha portato ad un aumento esponenziale dei consumi di combustibili fossili. Quasi tutti gli oggetti che usiamo quotidianamente sono prodotti per sintesi chimica a partire da derivati del petrolio, le strade che percorriamo sono costituite di materiali idrocarburici, i combustibili che utilizziamo per trasportare persone e merci sono di origine fossile, l’energia elettrica della quale tutti noi abusiamo è prodotta per gran parte da centrali che utilizzano combustibili fossili. Il tutto si traduce in diversi milioni di tonnellate di materiale estratto ogni anno, per un giro di affari di miliardi di dollari ed un danno ambientale in tonnellate di CO2 prodotta potenzialmente inestimabile. La maggiore problematica di un sistema economico basato sui combustibili fossili è che essi sono prodotti da trasformazioni chimiche di materiale biologico avvenute in tempi estremamente lunghi ed in condizioni di temperatura e pressione decisamente non ripetibili su scala industriale con metodi economicamente vantaggiosi. Queste fonti vengono per tanto definite come “non rinnovabili”, quindi destinate ad un progressivo esaurimento. Si sente per tanto l’esigenza di dover adottare delle alternative che siano rinnovabili e, possibilmente, ecocompatibili. Infatti uno dei principali danni ambientali derivanti dall’impiego dei combustibili fossili è quello dei sottoprodotti di combustione, come gli ossidi di azoto, che reagendo con l’umidità atmosferica danno vita al fenomeno delle piogge acide. Inoltre le particelle carboniose incombuste e le migliaia di componenti benzeniche o comunque idrocarburiche aromatiche e non, vanno a formare le cosiddette polveri sottili e diventano un invisibile killer che ristagna nell’aria delle città, provocando mutazioni a livello genetico e rendendosi così causa di malattie più o meno gravi, dalle semplici allergie per arrivare ai tumori e alle malattie neurodegenerative. Una delle soluzioni che l’industria chimica sta elaborando da anni è quella di sostituire i combustibili fossili con quelli rinnovabili, di origine naturale. In questo modo si sfruttano trasformazioni della materia organica (biomassa) che trattata con opportuni processi chimici o biochimici (fermentativi) a pressioni e temperature controllate, restituisce come prodotto un combustibile. Sono stati così elaborati dei nuovi combustibili, più o meno performanti, tra questi: biogas, biodiesel, bioetanolo, biometanolo, bioidrogeno e oli vegetali. Prenderemo in esame uno di questi combustibili: il biogas. Questo può essere prodotto a partire da una vasta gamma di residui organici: rifiuti da discarica, vegetali in decomposizione, liquami e fanghi di depurazione, scarti di macellazione. Il processo è basato sulla fermentazione batterica anaerobica e produce una miscela di gas, principalmente metano. Il processo si svolge in appositi fermentatori, utilizzando dei batteri selezionati. La prima fase aerobia prevede la degradazione rapida della materia organica, la seconda fase anaerobia invece è suddivisa in due fasi, una acida ed una metanigena, che porta alla formazione del metano. L’impianto industriale è realizzabile in questo modo: un serbatoio nel quale è stoccata la biomassa, mantenuta umida per aggiunta di acqua. La biomassa viene poi inviata ad un miscelatore che omogenizza la sostanza ed evita la formazione di sedimenti. La miscela viene inviata quindi ad un digestore anaerobico, dove la temperatura e la pressione sono controllate, ed avviene il processo fermentativo. In questa fase avviene la sedimentazione del residuo, mentre il gas gorgoglia verso l’alto e viene convogliato all’esterno del fermentatore. Il sedimento viene costantemente eliminato dal fermentatore e stoccato o inviato ad altro processo. Il biogas prodotto viene inviato a stoccaggio.
Svolgimento punto 4
La catalisi è un fenomeno chimico-fisico per cui particolari sostanze, dette catalizzatori, provocano, anche se presenti in quantità minime, un aumento della velocità di una reazione, senza apparentemente prendervi parte e senza modificare gli aspetti termodinamici della reazione. L'azione di un catalizzatore si esplica in quanto diminuisce l'energia di attivazione. Esistono anche catalizzatori detti negativi (o inibitori), che diminuiscono la velocità di una reazione, per esempiogli antidetonanti delle benzine che rallentano le reazioni nel motore a scoppio. La natura chimica del catalizzatore è altamente specifica per una determinata reazione. Molti processi industriali, quali la produzione dell'acido solforico H2SO4, dell'ammoniaca NH3, dell'acido nitrico HNO3, delle materie plastiche, si basano sull'impiego dei catalizzatori. I principi della catalisi sono inoltre alla base del funzionamento del convertitore catalitico, o marmitta catalitica, usato per depurare i gas di scarico degli autoveicoli.
Il principio generale della catalisi consiste nella variazione del meccanismo di reazione, e quindi dei vari salti,corrispondenti al valore dell'energia di attivazione, che i reagenti devono compiere per arrivare ai prodotti. L'effetto della catalisi è di natura cinetica, e non termodinamica: l'azione del catalizzatore infatti modifica gli stadi intermedi di una reazione, ma non ne modifica gli stati finali. Questo significa che la catalisi non influisce sulla possibilità o meno che una reazione ha di svolgersi.Nella maggioranza dei casi sfruttati nella pratica, la catalisi conduce a percorsi di reazione caratterizzati da una minore energia di attivazione totale, con un conseguente aumento della velocità di reazione; ci sono anche casi in cui l'intervento di un catalizzatore implica meccanismi che abbassano la velocità: si parla in questo caso di catalisi negativa.
Un processo caratterizzato dall’essenziale azione del catalizzatore è il cracking catalitico : è una delle operazioni di conversione più importante nell’industria petrolifera. Con questo processo si trasformano i gasoli da vacuum, ad alto peso molecolare e quindi poco pregiati, in una serie di prodotti che presentano mediamente un peso molecolare più basso; tra questi una frazione consistente di gas e benzine,che,per il particolare tipo di reazione che si viene a realizzare, presentano un numero d’ottano particolarmente elevato. Termodinamicamente le reazioni del cracking sono favorite a temperature elevate, tanto maggiori quanto più leggeri sono gli idrocarburi di partenza (infatti dai diagrammi di Francis è possibile osservare che l’energia libera di formazione è maggiore all’aumentare del numero di atomi di carbonio per ciascuna serie omologa degli alcani e degli alcheni, perciò gli idrocarburi più pesanti sono anche i più instabili e di conseguenza subiscono il processo a temperature più basse). Tutte le reazioni sono realizzate attraverso una catalisi eterogenea, in cui la carica viene vaporizzata e messa a contatto con un catalizzatore solido. I catalizzatori attualmente utilizzati in questo processo sono le zeoliti sintetiche costituite essenzialmente da silice ed allumina.
Il catalizzatore assolve in questo processo un ruolo fondamentale, determinando un meccanismo di reazione che procede attraverso la formazione di carbocationi, la cui caratteristica principale è quella di dare luogo a trasposizioni. Infatti i carbocationi terziari sono più stabili di quelli secondari a loro volta più stabili di quelli primari. La stessa scala di stabilità si ha per i radicali, ma nel caso dei carbocationi la differenza nelle energie libere di formazione è così elevata da rendere rilevante l’isomerizzazzione dai primari verso i secondari ed i terziari. La possibilità di isomerizzazione fa sì che i prodotti finali possano essere idrocarburi con catene laterali; ciò costituisce un vantaggio notevole in quanto le paraffine ramificate solitamente presentano un numero di ottano molto maggiore delle paraffine lineari, per cui le benzine del cracking catalitico sono particolarmente pregiate. Ovviamente l’attività del catalizzatore è destinata a decadere nel tempo a causa di veleni permanenti come nichel, rame, vanadio, che possono essere presenti nelle cariche. Per questo motivo il catalizzatore presente nel sistema va continuamente sostituito con aliquote di catalizzatore fresco. Un’altra caratteristica importante del catalizzatore è la selettività che in questo caso specifico può determinare elevate rese in benzine o una riduzione della produzione di coke (residui carboniosi).
