Riciclo chimico di rifiuti di schiuma poliuretanica rigida per il recupero dell'anilina: pirolisi sperimentale e simulazione di processo con Aspen Plus"

Abstract

Gli scarti di schiuma rigida di poliuretano (PU) rappresentano un'importante sfida di fine vita, perché la struttura termoindurente reticolata impedisce il riciclo meccanico convenzionale. Questa tesi studia il recupero di anilina da schiuma rigida di PU di scarto tramite pirolisi catalitica, combinando esperimenti di laboratorio e simulazione di processo con Aspen Plus. Sono state studiate due vie: la pirolisi catalitica diretta della schiuma e una via a due stadi in cui l'ammonolisi produce MDA polimerica (pMDA), poi pirolizzata ad anilina.

Il lavoro sperimentale è stato svolto in quattro fasi. La pirolisi in batch della schiuma rigida su γ-Al2O3 a 550-600 °C ha confermato che l'anilina può essere recuperata direttamente dalla schiuma, con una resa massima del 6,1% in peso della schiuma a 600 °C. L'operazione in continuo con schiuma solida non è risultata fattibile, perché l'accumulo di char ha bloccato il reattore. Un esperimento con MDA come composto modello ha mostrato che l'anilina si forma per cracking termico, senza ammoniaca come co-reagente. Lo screening di tipo di catalizzatore, temperatura e quantità di catalizzatore per la pirolisi della pMDA ha individuato come ottimo γ-Al2O3 a 600 °C, con 2 g di catalizzatore e 20% in peso di pMDA, con una resa in anilina dell'11,7% rispetto alla pMDA.

Due simulazioni Aspen Plus, basate sulle rese misurate e su estrazione acido-base e distillazione, hanno valutato il recupero di anilina su scala di processo. La pirolisi diretta ha dato una purezza dell'anilina maggiore (92% in peso contro 70%), mentre la via ammonolisi-pirolisi ha dato un recupero maggiore (99,8% contro 68,7%). La minore purezza della via a due stadi è dovuta al maggiore contenuto di p-amminotoluene nell'alimentazione alla distillazione, non al meccanismo di separazione.

Il recupero di anilina da schiuma rigida di PU di scarto è tecnicamente fattibile in laboratorio e valutabile su scala di processo.

Waste rigid polyurethane (PU) foam is a major end-of-life challenge because its cross-linked thermoset structure prevents conventional mechanical recycling. This thesis investigates the recovery of aniline from waste rigid PU foam through catalytic pyrolysis, combining laboratory experiments with Aspen Plus process simulation. Two routes were studied: direct catalytic pyrolysis of the foam, and a two-stage route in which ammonolysis produces polymeric MDA (pMDA), which is then pyrolysed to aniline.

The experimental work had four stages. Batch pyrolysis of rigid PU foam over γ-Al2O3 at 550-600 °C confirmed that aniline can be recovered directly from the foam, with a best yield of 6.1 wt% of the foam at 600 °C. Continuous operation with solid foam was not feasible because char accumulated and blocked the reactor. A model compound experiment with MDA showed that aniline forms by thermal cracking, without ammonia as a co-reactant. Screening of catalyst type, temperature and catalyst loading for pMDA pyrolysis identified γ-Al2O3 at 600 °C, with 2 g of catalyst and 20 wt% pMDA, as the optimum, giving an aniline yield of 11.7% relative to pMDA with limited nitrile by-products.

Two Aspen Plus simulations, based on the measured yields and an acid-base extraction and distillation train, evaluated aniline recovery at process scale. Direct pyrolysis gave higher aniline purity (92 wt% versus 70 wt%), whereas the ammonolysis-pyrolysis route gave higher recovery (99.8% versus 68.7%). The lower purity of the two-stage route is due to the higher p-aminotoluene content in the distillation feed, not to the separation mechanism.

Aniline recovery from waste rigid PU foam is technically feasible at laboratory scale and can be assessed at process scale, providing a framework that links laboratory results to process design.