Valorization of biomass wastes from di erent industrial supply chains through HTC process to produce value-added products based on a circular economy approach
Author(s)
Cardarelli, Alessandro
Date Issued
April 23, 2024
Type
Doctoral Thesis
Abstract
In light of the pressing issues of resource depletion and waste accumulation, it becomes imperative to embrace inventive strategies that align with the fundamental principles of a circular economy. By embracing a circular economy and adopting a waste-to-resource approach, we have the potential to minimize resource extraction, waste generation, and our carbon footprint. An area of great untapped potential lies in the biomass wastes produced across diverse industrial supply chains. This work presents the findings of a comprehensive research project focused on exploring the valuable and sustainable application of hydrochar in various sectors, including energy, industrial, and building. The primary objective of this study was to demonstrate the potential benefits of hydrochar utilization, and the effectiveness of the hydrothermal carbonization conversion process, with an emphasis on valorizing the use of biomass waste, promoting a circular economy and a waste-toresource approach, and encouraging sustainable development in industries, as well as identifying areas for improvement. Via a combination of experimental investigations, data analysis, and case studies, this research project highlights the significant advantages of incorporating hydrochar derived from winemaking industry residues and municipal solid waste management into different applications. Through the optimization of the hydrothermal carbonization process and a thorough kinetic analysis, the study showcases how hydrochar, from the winemaking industry residues, is a valuable carbon-rich material that can be utilized as a renewable energy source contributing to the transition towards a more sustainable energy landscape. Furthermore, the thesis examines the industrial applications of hydrochar, revealing its potential as a valuable resource in the electric arc furnace steelmaking industry. With the support of computational fluid dynamics and life cycle assessment analysis was recognized that by substituting fossil-based carbonaceous materials with hydrochar-based alternatives, industries can reduce their reliance on non-renewable resources, minimize environmental impact, and enhance overall sustainability. Moreover, to provide a sustainable solution to the challenges associated with municipal solid waste management, hydrothermal carbonization process conditions were deeply investigated to obtain hydrochar with enhanced properties to be used as an admixture for the production of a sustainable plaster as carboncapture, thermal insulation, moisture absorption, and acoustic insulation material. As a result, insights were provided into its suitability and potential for improving sustainable building practices. The outcomes of this research work shed light on the multifaceted benefits of hydrochar utilization, demonstrating its capacity to address pressing environmental challenges and contribute to a more sustainable future. The findings provide valuable insights for policymakers, industries, and researchers, paving the way for the widespread adoption and further advancement of hydrochar applications across different fields.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for Energy and Environment
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Alla luce delle pressanti questioni dell'esaurimento delle risorse e dell'accumulo di rifiuti, diventa imperativo abbracciare strategie inventive che si allineano ai principi fondamentali di un'economia circolare. Adottando un approccio volto all'economia circolare, abbiamo il potenziale per ridurre al minimo l'estrazione delle risorse, la generazione di rifiuti e la nostra impronta di carbonio. Un'area di grande potenziale non sfruttata risiede nei rifiuti di biomassa prodotti attraverso diverse catene di approvvigionamento industriali. Questo lavoro presenta i risultati di un progetto di ricerca globale incentrato sull'esplorazione dell'applicazione preziosa e sostenibile dell'hydrochar in vari settori, tra cui energetico, industriale ed edilizio. L'obiettivo primario di questo studio era quello di dimostrare i potenziali benefici dell'utilizzo di idrochar, e l'e cacia del processo di conversione della carbonizzazione idrotermica, con l'accento sulla valorizzazione dell'uso di rifiuti di biomassa, promuovendo un'economia circolare e un approccio "da rifiuto a risorsa", incoraggiando a promuovere lo sviluppo sostenibile nelle industrie e a individuare le aree da migliorare. Attraverso una combinazione di indagini sperimentali, analisi dei dati e casi studio, questo progetto di ricerca evidenzia i vantaggi significativi dell'integrazione dell'hydrochar derivato dai residui dell'industria vitivinicola e della gestione dei rifiuti solidi urbani in diverse applicazioni. Attraverso l'ottimizzazione del processo di carbonizzazione idrotermale e un'accurata analisi cinetica, lo studio mostra come l'hydrochar, proveniente dai residui dell'industria vitivinicola, sia un prezioso materiale carbonioso che può essere utilizzato come fonte di energia rinnovabile contribuendo alla transizione verso un paesaggio energetico più sostenibile. Inoltre, la tesi esamina le applicazioni industriali dell'hydrochar, rivelando il suo potenziale come risorsa preziosa nell'industria siderurgica delle fornaci ad arco elettrico. Con il supporto della fluidodinamica computazionale e dell'analisi del ciclo di vita è stato riconosciuto che sostituendo materiali carboniosi di origine fossile con alternative basate sull'hydrochar, le industrie possono ridurre la loro dipendenza da risorse non rinnovabili, minimizzare l'impatto ambientale e migliorare la sostenibilità complessiva. Inoltre, per fornire una soluzione sostenibile alle sfide associate alla gestione dei rifiuti solidi urbani, le condizioni del processo di carbonizzazione idrotermale sono state ottimizzate per ottenere hydrochar con proprietà migliorate da utilizzare come miscela per la produzione di un intonaco ecosostenibile per applicazioni come materiale di cattura del carbonio, isolamento termico, assorbimento dell'umidità e isolamento acustico. Di conseguenza, sono state fornite informazioni sulla sua idoneità e sul potenziale per migliorare le pratiche di edilizia sostenibile. I risultati di questa ricerca hanno messo in luce i molteplici benefici dell'utilizzo dell'hydrochar, dimostrando la sua capacità di affrontare le pressanti sfide ambientali e contribuire a un futuro più sostenibile.