Nella ricerca di nuovi materiali per l’accumulo termochimico (TCM), vi è la necessità di sviluppare un sistema basato su una reazione chimica in grado di accumulare/rilasciare elevate quantità di energia termica, presentare un sufficiente grado di reversibilità (le reazioni diretta e inversa devono avvenire ciclicamente) e garantire una stabilità chimica a lungo termine di reagenti e prodotti. I calcio alluminati sono dei composti ampiamente studiati per la produzione dei cementi. Questo lavoro vuole investigare l’utilizzo di calcio alluminati come materiale termochimico per l’accumulo di energia termica, poiché tali materiali presentano elevati calori d’idratazione e temperature di disidratazione comprese nel range 200-350°C [1], inferiore rispetto ai più convenzionali materiali investigati per accumulo termochimico a media temperatura [2]. Lo sviluppo di TCM che operino a queste temperature è molto limitato: lo storage di energia nel range 200-300°C rappresenterebbe un’ottima soluzione per il recupero di calore di scarto da processi ad alte temperature, i quali sono i principali emettitori di energia a media temperatura. L’attenzione è stata rivolta alla sintesi e caratterizzazione morfologica, strutturale e termochimica del composto termodinamicamente più stabile appartenente alla famiglia dei calcio alluminati, il tricalcio alluminato Ca3Al2O6. Sono stati investigati due metodi di preparazione: reazione solido-solido, a partire da una miscela fisica dei precursori CaO e Al2O3 e per coprecipitazione a partire da una soluzione contenete Ca2+ e Al3+ in rapporto molare 3:2 e 1:1, rispettivamente. I risultati ottenuti mostrano che solo nel caso dei prodotti di coprecipitazione si forma Ca3Al2O6, mentre la reazione solido-solido ha portato alla formazione di calcio alluminati a differente stechiometria. Si è inoltre osservato che l’alluminato tricalcico si forma in quantità maggiore a partire dalla soluzione con rapporto molare Ca2+/Al3+ 1:1. Relativamente al processo di disidratazione (200-300°C), il prodotto di coprecipitazione da Ca2+/Al3+ 1:1 ha mostrato il comportamento più promettente, in termini di calore coinvolto ~815 kJ/kg, ben più alto di quello misurato per il campione ottenuto da reazione solido-solido (~322 kJ/kg). L’approfondimento sui prodotti ottenuti per coprecipitazione ha messo alla luce una correlazione tra l’aumento di calore coinvolto e la presenza di tricalcio alluminato esaidrato Ca3Al2O6·6H2O come fase prevalente. Per investigare la durabilità dei materiali prodotti sono stati condotti successivamente i test di ciclabilità. Ciò che è stato notato è una diminuzione delle conversioni aumentando il numero dei cicli in concomitanza con la formazione di Ca12Al14O33.

COMPORTAMENTO TERMOCHIMICO DI CALCIO ALLUMINATI PER APPLICAZIONI NEL THERMOCHEMICAL ENERGY STORAGE

Fabrizio Alvaro
Primo
;
Elpida Piperopoulos;Luigi Calabrese;Candida Milone
Ultimo
2020

Abstract

Nella ricerca di nuovi materiali per l’accumulo termochimico (TCM), vi è la necessità di sviluppare un sistema basato su una reazione chimica in grado di accumulare/rilasciare elevate quantità di energia termica, presentare un sufficiente grado di reversibilità (le reazioni diretta e inversa devono avvenire ciclicamente) e garantire una stabilità chimica a lungo termine di reagenti e prodotti. I calcio alluminati sono dei composti ampiamente studiati per la produzione dei cementi. Questo lavoro vuole investigare l’utilizzo di calcio alluminati come materiale termochimico per l’accumulo di energia termica, poiché tali materiali presentano elevati calori d’idratazione e temperature di disidratazione comprese nel range 200-350°C [1], inferiore rispetto ai più convenzionali materiali investigati per accumulo termochimico a media temperatura [2]. Lo sviluppo di TCM che operino a queste temperature è molto limitato: lo storage di energia nel range 200-300°C rappresenterebbe un’ottima soluzione per il recupero di calore di scarto da processi ad alte temperature, i quali sono i principali emettitori di energia a media temperatura. L’attenzione è stata rivolta alla sintesi e caratterizzazione morfologica, strutturale e termochimica del composto termodinamicamente più stabile appartenente alla famiglia dei calcio alluminati, il tricalcio alluminato Ca3Al2O6. Sono stati investigati due metodi di preparazione: reazione solido-solido, a partire da una miscela fisica dei precursori CaO e Al2O3 e per coprecipitazione a partire da una soluzione contenete Ca2+ e Al3+ in rapporto molare 3:2 e 1:1, rispettivamente. I risultati ottenuti mostrano che solo nel caso dei prodotti di coprecipitazione si forma Ca3Al2O6, mentre la reazione solido-solido ha portato alla formazione di calcio alluminati a differente stechiometria. Si è inoltre osservato che l’alluminato tricalcico si forma in quantità maggiore a partire dalla soluzione con rapporto molare Ca2+/Al3+ 1:1. Relativamente al processo di disidratazione (200-300°C), il prodotto di coprecipitazione da Ca2+/Al3+ 1:1 ha mostrato il comportamento più promettente, in termini di calore coinvolto ~815 kJ/kg, ben più alto di quello misurato per il campione ottenuto da reazione solido-solido (~322 kJ/kg). L’approfondimento sui prodotti ottenuti per coprecipitazione ha messo alla luce una correlazione tra l’aumento di calore coinvolto e la presenza di tricalcio alluminato esaidrato Ca3Al2O6·6H2O come fase prevalente. Per investigare la durabilità dei materiali prodotti sono stati condotti successivamente i test di ciclabilità. Ciò che è stato notato è una diminuzione delle conversioni aumentando il numero dei cicli in concomitanza con la formazione di Ca12Al14O33.
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