Gli scienziati svelano la porosità del biochar in una prima mondiale

Un lavoro innovativo apre la strada alle applicazioni ambientali e all'accesso ai risultati da grandi quantità di dati

In una svolta che potrebbe essere significativa per le applicazioni ambientali, i ricercatori hanno immaginato la porosità del biochar tramite "senza precedenti" operativo esperimenti, facendo uso delle strutture disponibili presso il sincrotrone nazionale del Regno Unito, Diamond Light Source.

Il lavoro – svolto dal dott. Roberto Volpe e dal suo team presso la Queen Mary University di Londra e l'University College London, in collaborazione con Diamond – colma le lacune esistenti nella conoscenza della decomposizione termochimica della biomassa e potrebbe consentire la produzione di bio- caratteri per applicazioni ambientali ad alta priorità. Tra le altre aree, il biochar può svolgere un ruolo importante nelle operazioni di pulizia nei siti in cui sostanze chimiche pericolose sono state versate nel suolo e nell'acqua.

Con il supporto di una sovvenzione europea di Orizzonte 2020 chiamata ExPaNDs- European Open Science Cloud (EOSC) Photon and Neutron Data Service – Diamond ha lavorato con il dottor Volpe su una nuova tecnica ad alta intensità di dati utilizzata al sincrotrone per accelerare l'accesso ai risultati.

L'attuale ricerca del dott. Volpe prevede l'esame e l'identificazione dei salmerini creati dalla biomassa grezza dei gusci di mandorle e noci poiché la loro porosità è fondamentale per le applicazioni ambientali. La capacità di personalizzare la morfologia di questi carboni potrebbe preannunciare una grande svolta per aiutare ad affrontare le sfide globali creando soluzioni economiche e rinnovabili per lo stoccaggio di energia, la catalisi, la bonifica dell'acqua e del suolo. Tracciare la morfologia della biomassa durante la produzione di biochar è il primo passo per raggiungere questo obiettivo.

Osservando un processo secolare
“Quello che facciamo è semplice: prendiamo gusci di mandorle e noci e li sottoponiamo a pirolisi per creare una biomassa carbonizzata: lo studio della carbonizzazione della biomassa riflette essenzialmente tecniche che risalgono all'inizio dell'umanità trasformando il legno in carbone. Tuttavia, nel nostro studio, il processo viene monitorato in ogni fase del processo e ciò che ci interessa è la porosità che si sta creando. Riscaldando accuratamente, possiamo formare fino a più di mille metri quadrati di superficie accessibile nell'intricata rete di pori all'interno di un singolo grammo di biochar formato».

E aggiunge: “Le applicazioni per questo lavoro sono molte in quanto i contaminanti (batteri, metalli, molecole inquinanti) o gli ioni (nel caso dell'immagazzinamento di energia) possono essere trasportati dall'acqua (o da un elettrolita) nella rete di pori all'interno delle particelle, e possono essere intrappolati lì. Monitorare l'evoluzione di questa rete di pori mentre riscaldiamo le particelle di biomassa è la chiave e la vera novità di questo lavoro».

Oltre al tradizionale beamtime presso Diamond, il dottor Volpe ha lavorato in collaborazione sul lato dati della sovvenzione ExPaNDs per sviluppare nuovi processi per accelerare l'accesso ai dati.

Il dott. Volpe afferma che l'aiuto che ha ricevuto analizzando i suoi dati dal team di ExPaNDs e Diamond ha accelerato la sua ricerca. Commentando ha affermato che il data mining di questi enormi set di dati è una nuova disciplina e richiede un'ampia collaborazione.

"La condivisione di set di informazioni così ampi e complessi è impegnativa e la sovvenzione ExPaNDS ha contribuito a identificare modi migliori per fornire una gestione dei dati che è davvero utile per accelerare i risultati e la trasparenza".

Il dott. Paul Quinn, leader del gruppo scientifico per Diamond, spiega; “Le tecniche di imaging di Diamond consentono al team di visualizzare la struttura della particella solida con dettagli sufficienti per esaminare piccoli spazi o pori e tenere traccia di eventuali cambiamenti nel tempo e con variazioni di temperatura. Ciò significa che possiamo estrarre una grande quantità di dettagli sull'evoluzione di questi pori e sulla loro intricata geometria. Questo risultato fa luce sul comportamento fondamentale della biomassa trattata termicamente e, allo stesso tempo, consente al dottor Volpe e al suo team di correlare in modo univoco la geometria delle particelle e dei pori alla temperatura».

Aggiunge: “Questo è un grande risultato reso possibile dalla dedizione degli scienziati del mio team. Il dottor Christoph Rau e molti altri che hanno contribuito e supportato le complesse misurazioni, dai consigli sulla fattibilità dell'esperimento, alla configurazione sperimentale del forno per creare l'ambiente corretto e le condizioni ottimali di imaging a raggi X, all'estrazione della ricchezza di dati generati. "

Garantire un accesso EQUO a grandi set di dati
Poiché ogni anno vengono prodotti petabyte di dati nei sincrotroni, la necessità di collaborazione e un approccio coordinato con questi enormi set di dati è un problema che deve affrontare la maggior parte degli scienziati e dei ricercatori, in particolare quelli che lavorano in strutture su larga scala nel Regno Unito e in Europa. Per aumentare il valore di questi dati, è necessario che seguano i principi chiave per essere infine Trovabili, Accessibili, Interoperabili e Riutilizzabili (FAIR). Questi principi contribuiranno a rendere i dati finalmente aperti a tutti. Un obiettivo chiave di ExPaNDS è facilitare la ricerca e la condivisione dei dati di ricerca che aiuteranno a prevenire la ripetizione di esperimenti, stimolare il progresso scientifico e rendere i dati di sincrotrone EQUI. Un secondo obiettivo di ExPaNDS è fornire linee guida sulla gestione dei dati per supportare la condivisione e il riutilizzo.

Il progetto ExPaNDS è una collaborazione tra 10 infrastrutture nazionali di ricerca su fotoni e neutroni (PaN RI). Questa comunità copre praticamente tutti i campi di ricerca con un'enorme diversità negli approcci alla gestione dei dati. Ciò rende l'armonizzazione una sfida.

Il professor Dr Helmut Dosch, presidente del consiglio di amministrazione di DESY, che è il partner principale della sovvenzione ExPaNDS, ha dichiarato: "Ora possiamo creare soluzioni in questi giorni e in futuro ancora di più - atomo per atomo, conosci materiali che possono essere utilizzato per combattere il cambiamento climatico e le malattie. Ma questi dati, queste informazioni ci stanno arrivando con un'enorme valanga di dati, e abbiamo bisogno di concetti su come trasformare questi dati in informazioni utili e in conoscenza. Ha bisogno delle persone giuste; ha bisogno della giusta infrastruttura e ha bisogno di risorse finanziarie. Ma solo ora posso dire che la conoscenza è costosa, ma l'ignoranza non possiamo permettercela”.

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• Fonte: https://envirotecmagazine.com/2023/02/20/scientists-unravel-the-porosity-of-biochars-in-a-world-first/