PROGETTO LIFE10 ENV/IT/419 W A S T E 3

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1 PROGETTO LIFE10 ENV/IT/419 W A S T E 3 Extreme energyfree valorisation of copper metallurgical waste in heating elements and semiconductive nanoceramic enamels Torre Maina di Maranello, February 13, 2012

2 PARTNERSHIP Coordinating beneficiary: Associated beneficiary: Associated beneficiary: Associated beneficiary: CERAMICA FONDOVALLE S.p.A. MicroEnergy S.r.l. Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Dipartimento Ingegneria dei Materiali e dell Ambiente Università degli Studi di Trento Dipartimento Ingegneria dei Materiali e Tecnologie Industriali

3 OBIETTIVI Convertire il rifiuto primario della metallurgia del rame (e dei suoi sottoprodotti da sabbiatura) in prodotti da essere utilizzati in applicazioni residenziali Valorizzare un rifiuto industriale ricco di ferro, sfruttandone razionalmente le sue proprietà magnetiche, elettriche e dielettriche Realizzare una piccola linea in scala pilota in grado di trattare 200 kg/giorno di rifiuto Adattare le proprietà elettriche e dielettriche dei materiali con aggiunta di glass formers e mediante il controllo dell atmosfera di processo Sinterizzazione à elementi riscaldanti Resistenze tubolari riscaldanti utilizzabili per forni e piccole apparecchiature elettriche; elementi da pavimentazione per riscaldamento residenziale, in sostituzione dei tradizionali elementi da riscaldamento a parete; elementi riscaldanti ausiliari (assorbitori di microonde) Fusione à vetri e fritte Smalti ceramici con comportamento antistatico e proprietà di schermatura dai campi elettromagnetici nel range 1-3 GHz, per piastrelle da pavimentazione, rivestimento, copertura; piatti crisp o elementi ausiliari riscaldanti per il riscaldamento a microonde di cibi

4 24.6 milioni di ton/anno di scorie sono prodotti nel mondo dalla produzione di rame, 5.56 milioni di ton nella sola Europa FeO + SiO2 à FeSiO3 Cu2O + FeS à Cu2S + FeO FeSiO3 (scorie) galleggiano sulla superficie del metallo fuso e quindi separato 2.2 kg rifiuto / kg rame Uso corrente: discarica o successivamente trattato come materiale inerte a scopi idraulici; abrasivi Riciclaggio (laboratorio): cementi, sostituto del cemento nel calcestruzzo, riempitivo, massicciate, abrasivi

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6 AZIONI determinazione del range compositivo dei rifiuti disponibili definizione delle procedure di separazione (magnetiche) per i granuli di sabbiatura esausti definizione delle quantità minime di materie prime correttive (vetri riciclati, feldspati, argille) necessarie per facilitare la sinterizzazione o la vetrificazione definizione dei più idonei programmi di processo in funzione delle specifiche del prodotto finale: resistenze riscaldanti, pavimento riscaldante, smalti ceramici antistatici e EMF-shielding, piatti per riscaldamento a microonde preparazione delle miscele, formatura (pressatura, tape casting, estrusione) e sinterizzazione o fusione delle composizioni richieste caratterizzazione dei materiali ottenuti: misurazione delle proprietà chimiche e meccaniche e delle proprietà dielettriche per riscaldamento MW e applicazioni di schermatura assemblaggio degli elementi ottenuti e caratterizzazione dei prodotti test funzionali e individuazione delle possibili modifiche ai processi preparazione di set dimostrativi (almeno 100 per tipologia) e misurazione dei consumi energetici e di materiali e valutazione dell effettivo contenuto di materiale riciclato per tipo di applicazione definizione delle procedure di riciclaggio/riutilizzo a fine vita

7 RISULTATI ATTESI Realizzazione di una serie dimostrativa dei nuovi prodotti destinati al riscaldamento a medio-alte temperature contenenti più dell 80 wt% di rifiuti della metallurgica del rame (primari o come granuli da sabbiatura). Questo corrisponderà ad una equivalente valorizzazione di un rifiuto non o scarsamente utilizzato, che non richiede lo stoccaggio in discarica. Da un punto di vista quantitativo, il rifiuto riciclato ammonterà a ca. 600 gr per assorbitori microonde, 13 kg per mq di piastrelle / elementi riscaldanti da pavimento, e 800 gr per kg di smalto ceramico.

8 RISULTATI ATTESI Sostituzione di materiali ad elevata embodied energy (SiC o molybdenum disilicide), per la costruzione di elementi riscaldanti. I prodotti attualmente utilizzati possiedono un elevata embodied energy, che deriva dalla grande quantità di energia necessaria per la loro sintesi e formatura; invece, la tecnologia delle piastrelle ceramiche, così come quella della produzione di laterizi, richiedono molta meno energia, con carbon footprint e embodied energy più basse. Percioò, i nuovi elementi riscaldanti avranno intrinsecamente una minor embodied energy (i rifiuti derivano dall arrostimento e dalla fusione dei minerali del rame, un processo a temperature relativamente basse)

9 RISULTATI ATTESI Uso di altri materiali riciclati, quale il vetro, da utilizzare per aggiungere glass formers alla miscela, abbassare la sua temperatura di processo e aumentare la formabilità, o argille recuperate e ossidi alcalini.

10 RISULTATI ATTESI Sviluppo di materiali ad alte prestazioni in grado di ridurre il consumo energetico durante il loro utilizzo: Considerando il ciclo di vita di un sistema elettrico destinato al riscaldamento residenziale, il primo aspetto è il consumo elettrico. È dimostrato che, quando si utilizzano elementi da pavimentazione per riscaldamento, si può ottenere lo stesso livello di comfort con una temperatura più bassa, poiché il riscaldamento per irradiazione deriva da una grande superficie. Considerando che, per il solo riscaldamento di una abitazione, ogni grado di temperatura in più richiede un aumento del 7% del consumo energetico, il vantaggio di installare questi sistemi è evidente (ci sono già applicazioni per riscaldamento a pavimento, che utilizzano fluidi caldi o elementi riscaldanti metallici). Così, il beneficio ambientale sarà l utilizzo di materiali a bassa embodied energy per applicazioni ad efficienza fortemente maggiore.

11 RISULTATI ATTESI L utilizzo di nuovi materiali come assorbitori ausiliari di microonde permetterà di aumentare l efficienza dei forni a microonde, poiché il nuovo materiale costituirà un elevato carico assorbitore, che minimizzerà il riflettersi della potenza verso il generatore di microonde ed aumenterà l efficienza del sistema a microonde, l omogeneità di cottura e la vita utile. un tipico forno da cucina ha generalmente un efficienza inferiore al 75%, a causa della scarsa impedenza. Invece, con un attenta realizzazione di un assorbitore ausiliario e con la sua collocazione all interno della cavità del microonde, l efficienza dell applicatore può aumentare fino al 95%, riducendo i tempi di cottura e fornendo un effetto croccante, se richiesto.

12 INNOVAZIONE Valorizzazione delle scorie della metallurgia del rame sulla base delle sue proprietà elettriche, dielettriche e magnetiche anziché sulle sole proprietà meccaniche. Le attuali modalità di riciclaggio (abrasivi, riempitivi) non sono efficaci, poiché portano ad una soluzione solo temporanea o a prodotti a basso valore aggiunto L uso di scorie come materia prima per elementi riscaldanti, che possano essere alimentati da microonde o corrente elettrica, rende il riciclaggio fattibile sia ambientalmente (i materiali alternativi hanno un embodied energy più elevata) che economicamente (i materiali alternativi sono più costosi). Creazione di materiali da costruzione completamente nuovi, come piastrelle monolitiche per riscaldamento a pavimento, o smalti per schermatura EMF da applicare sui rivestimenti ceramici. Sono stati concepiti una nuova miscela di materie prime e un nuovo percorso di lavorazione, specifici per ogni tipo di prodotto Recupero non solo delle scorie, ma anche del rifiuto sotto forma dei granuli di abrasivo esausti (dalle operazioni di sabbiatura), con realizzazione di un innovativo processo di separazione magnetico e gravimetrico, utilizzando elevati gradienti di campo magnetico.

13 Resistance heating Floor and roof tiles Microwave crisp plate Floor heating