GEA

GEopolymer based Adsorbents for effective adsorption and selective separation of CO₂ and eutrophication pollutants

Responsabile: Valentina Medri

Data di inizio: 16/10/2023
Durata: 24 mesi
Finanziamento totale: 203.604,00 €
Bando/Action: PIANO NAZIONALE DI RIPRESA E RESILIENZA (PNRR) Missione 4 “Istruzione e Ricerca” – Componente C2 Investimento 1.1, “Fondo per il Programma Nazionale di Ricerca e Progetti di Rilevante Interesse Nazionale (PRIN)” PRIN 2022 – D.D. 104 del 02/02/2022
Ruolo CNR-ISSMC: Coordinatore
Coordinatore: Valentina Medri (CNR-ISSMC)
Consorzio: Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-ISSMC); DICAM – Università di Bologna

Il progetto GEA riguarda lo sviluppo di alluminosilicati alcalini sintetici, ovvero geopolimeri, per applicazioni di separazione e purificazione, sfruttando meccanismi di adsorbimento per la cattura di CO2 o inquinanti a base di azoto o fosforo nelle acque reflue. L’obiettivo include l’identificazione di quando e perché un materiale a base geopolimerica può essere preferibile a un adsorbente di riferimento.
È interessante notare che i geopolimeri sono materiali rispettosi dell’ambiente (e a basso costo):
– sono prodotti a una temperatura massima di 80°C con una sintesi a base acquosa da materiali abbondanti in natura, come le argille, utilizzando un approccio basato sui principi della chimica verde;
– alcuni precursori possono essere ottenuti da materiale di scarto, garantendo comunque una purezza e una stechiometria controllata;
– è possibile riutilizzare i geopolimeri dopo l’esaurimento in altre applicazioni (ad esempio in nuovi materiali da costruzione), cosa che rappresenta un vantaggio cruciale rispetto agli adsorbenti di riferimento come il carbone attivo.

GEA svilupperà una piattaforma di geopolimeri con l’ambizione di collegare la capacità di adsorbimento/desorbimento e la selettività rispetto alle specie ioniche e gas alle variabili compositive e morfologiche quali: stechiometria, composizione di fase (anche nei compositi) e proprietà strutturali (direttamente collegate alla micro-macrostruttura). Agendo sulle variabili quali porosità, dimensione/distribuzione dei pori e struttura chimica i geopolimeri saranno opportunamente calibrati per le applicazioni di adsorbimento mirate del progetto, che sono:
1) adsorbimento e separazione di anidride carbonica da fonti concentrate di CO2 (ad esempio gas di combustione), nel contesto di una strategia di cattura e stoccaggio del carbonio (CCS);
2) rimozione di ammonio e fosfati dalle acque reflue con l’obiettivo di prevenire l’eutrofizzazione e recuperare materie prime critiche (recupero e separazione del fosforo).

I risultati di GEA riveleranno la possibilità di personalizzare materiali eco-compatibili (processo di produzione a basso consumo energetico) per specifici scopi di adsorbimento e di identificare matrici geopolimeriche in grado di aumentare attivamente in compositi le prestazioni di altri adsorbenti come zeoliti, apatiti, idrotalciti. Inoltre, i risultati del progetto chiariranno finalmente le reali potenzialità degli adsorbenti a base di geopolimeri rispetto agli adsorbenti di riferimento su larga scala.
Ne consegue che gli impatti di GEA nel campo dell’adsorbimento saranno:
– Scientificamente valido e rilevante, poiché il progetto supererà i principali colli di bottiglia che attualmente ostacolano un uso più ampio di adsorbenti geopolimerici, migliorando la riproducibilità dei risultati anche relativi alle materie prime e alla lavorazione, e il divario tra studi di ricerca, spesso utilizzando scenari non realistici (ad es. reflui sintetici) e quelli reali, molto più complessi.
– Tecnologicamente rilevante poiché l’utilizzo di geopolimeri consente di personalizzare facilmente la forma del solido adsorbente all’impianto di separazione e di aumentare le prestazioni meccaniche e la durata a lungo termine.
– Economicamente rilevante perché la sintesi dei geopolimeri può essere eseguita con un apporto energetico piuttosto basso.

In GEA, le conoscenze precedenti verranno sfruttate per generare la piattaforma di una nuova famiglia di adsorbenti solidi ecologici e meno costosi, sviluppando diversi livelli di comprensione sistematica e modellizzazione dell’effetto delle principali variabili geopolimeriche sulle prestazioni di adsorbimento. Il progetto GEA sarà articolato in 3 Fasi (vedi figura), di seguito brevemente descritte. La Fase 1 relativa alla progettazione e allo sviluppo dei materiali e la Fase 2 relativa al test e alla selezione dei materiali verranno condotte in modo iterativo.

Risultati Finali:

Sono stati selezionati quattro adsorbenti, comprendenti un geopolimero stechiometrico e compositi con zeolite o idrotalcite, realizzati mediante diverse tecniche (slurry route, cold sintering process, direct foaming) sotto forma di granuli, schiuma o pellet. Tali risultati sono stati raggiunti grazie a sviluppo della piattaforma di materiali che costituisce l’obiettivo principale del progetto GEA. Per ciascun adsorbente sono stati inoltre ottimizzati i processi di separazione della CO2 dai fumi di combustione, nonché di separazione e recupero di fosfati e ammonio dalle acque reflue. Le prestazioni dei materiali selezionati sono state confrontate con quelle di adsorbenti di riferimento (benchmark) per evidenziarne le potenzialità, anche alla luce dell’impatto ambientale (LCA) e dell’analisi dei costi.

Adsorbimento di CO₂:

1) CSP GX90-P10-N4 composito geopolimerico sinterizzato a freddo con il 90% in peso di zeolite Na13X

2) F-KG2-Z1 schiuma composita geopolimerica contenente il 22% in peso di zeolite Na13X

Adsorbimento di NH₄⁺ e PO₄^3-:

3) G13/KG2, geopolimero stechiometrico a base di potassio con SiO₂/Al₂O₃=4 e K₂O/Al₂O₃=1

4) KG2-S911-10%, composito geopolimerico con G13/KG2 come matrice geopolimerica e il 10% in peso di idrotalcite Sorbacid911.

I risultati relativi allo sviluppo dei materiali e/o dei processi sono già stati discussi in:

• Medri, M. C. Marchioni, E. Landi, E. Papa, Development of membranes based on recycled geopolymer and zeolite through a cold sintering process, Journal of the European Ceramic Society, 44 (2024) 7778-7790. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2024.05.053. CC-BY.
• Maggetti, D. Pinelli, V. Di Federico, L. Sisti, T. Tabanelli, F. Cavani, D. Frascari, Development and validation of an adsorption process for phosphate removal and recovery from municipal wastewater based on hydrotalcite-related materials, Science of The Total Environment, 951 (2024) 175509. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.175509. CC-BY-NC-ND.
• Papa, V. Medri, E. Landi, Geopolymer-hydroxyapatite composite foams for wastewater remediation, Ceramics International, 50 (2024) 50377-50387. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.09.383. CC-BY.
• Maggetti, D. Pinelli, E. Girometti, E. Papa, V. Medri, E. Landi, F. Avolio, D. Frascari, Development of an ion exchange process for ammonium removal and recovery from municipal wastewater using a metakaolin K-based geopolymer, Chemosphere, 367 (2024) 143559. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.143559. CC-BY.
• Di Pietro, W. F. Cossio Guzman, E. Papa, E. Landi, F. Miccio, M. Minelli, V. Medri, Cold sintered geopolymer and geopolymer-zeolite composite sorbents for CO₂ capture, Journal of Environmental Chemical Engineering, 13 (2025) 117098. https://doi.org/10.1016/j.jece.2025.117098. CC-BY.
• Temellini, C. Maggetti, D. Pinelli, E. Girometti, V. Di Federico, M. Venturi, E. Papa, V. Medri, Frank Benstoem, Dario Frascari, Development of a combined filtration and ion exchange process for the treatment of combined sewer overflow, Journal of Environmental Chemical Engineering, 13 (2025) 118443. https://doi.org/10.1016/j.jece.2025.118443. CC-BY-NC-ND.
• Maggetti, D. Frascari, D. Pinelli, V. Di Federico, V. Medri, E. Papa, E. Landi, T. Tabanelli, F. Cavani (2024). Nitrogen and Phosphorus Removal and Recovery from Municipal Wastewater by Means of Adsorption and Ion Exchange. In: Mannina, G., Cosenza, A., Mineo, A. (eds) Resource Recovery from Wastewater Treatment. ICWRR 2024. Lecture Notes in Civil Engineering, vol 524. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-63353-9_12. (Conference article).
• Cossio Guzman W.F., Di Pietro C., Minelli M., Medri V., Frascari D., Pinelli D., Papa E., Landi E., Miccio F., 2025, Geopolymer-based Adsorbents for Pollutant Removal: a Tunable Platform Ranging from CO₂ Capture to Nitrogen/phosphorus Removal and Recovery from Wastewater, Chemical Engineering Transactions, 117, 919-924. https://doi.org/10.3303/CET25117154. (Conference article) (CET provides immediate open access).
• Pinelli, B. Martellotti, E. Girometti, L. Bernacchioni, G. Antonioni, V. Cozzani, D. Frascari, Multicomponent anion exchange simulation of phosphate removal and recovery from municipal wastewater using Aspen Adsorption, Journal of Water Process Engineering, 88 (2026) 110163, https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2026.11016. CC-BY.

Una ulteriore pubblicazione è stata sottomessa:

• Cossio Guzman; C. Di Pietro; E. Papa; V. Signorini; D. Frascari; E. Landi; V. Medri; F. Miccio, M. Minelli, CO₂ adsorption in structured Na13X zeolite-geopolymer composites: Performance comparison under dynamic flow of cold-sintered pellets vs. foamed monoliths, Materials Today Sustainability (2026)

At least two other papers will be finalized and submitted, regarding:

• Development of an ion exchange process for simultaneous removal and recovery of ammonium and phosphate recovery from municipal wastewater.
• Comparative Life Cycle Assessment of Geopolymer Composites for CO₂ Capture and Wastewater Nutrient Removal.

Diffusione

L’attività di diffusione più significativa è legata al raggiungimento della milestone 5 del progetto GEA, ovvero il workshop intitolato “Geopolymer for Environmental Remediation”, svoltosi a Faenza il 14 febbraio 2025. Il programma, unitamente agli abstract dei contributi (orali e poster) e alle presentazioni, è disponibile in accesso aperto alla pagina web del workshop: https://www.issmc.cnr.it/en/workshop-gea/

Ringraziamenti: le attività di ricerca del progetto GEA sono state finanziate dall’Unione Europea – Next Generation EU.