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Indice
La situazione del settore della lana……………..……………………………………………………………………………….1
La lana e i suoi possibili impieghi…………………………………………………………………………………….…………….5
La lana nel comparto agricolo come ammendante……………………………..……………………….12
La lana nel comparto ingegneristico per la desolforazione dei fumi del
processo di combustione………………………………………………………………………………………………………………..……33
La lana nel comparto ingegneristico nella realizzazione di compositi per
l’edilizia……………………………..............................................................................................................................................…………….44
La lana nel comparto ingegneristico per la produzione di materiali isolanti
per l’edilizia………………………………………………………………………………………………….………………..………….61
La lana nel comparto ingegneristico per la produzione di
nanomateriali..................................................................................................................................................................................80
Siti internet e Riferimenti bibliografici………………………………………………………………………………….85
1
La situazione del settore della lana
L’attuale periodo di depressione economica sta causando preoccupazioni all'interno del settore
tessile della lana [1], in particolare in Cina dove, dalla recente conferenza sul mercato della lana
svoltasi a Nanjing, si prevede una riduzione del prezzo della suddetta materia.
Attualmente, a livello mondiale, i flussi della lana, e dei prodotti tessili ottenuti dalla sua
lavorazione, sono caratterizzati da una riduzione in ingresso verso la Cina, di cui, come si evince
dal grafico sottostante, sono invece in crescita le esportazioni. A tale situazione si affianca un
incremento della richiesta da parte del mercato indiano, al momento soddisfatto
principalmente dalla produzione americana.
Situazione delle esportazioni di lana e suoi lavorati dalla Cina
In particolar modo la crisi che ha colpito il settore economico statunitense ed europeo ha
sviluppato tensioni internazionali che hanno colpito i mercati azionari e le materie prime. Le
2
analisi economiche del Fondo monetario internazionale (FMI), della Banca mondiale e
dell'Organizzazione mondiale del commercio (OMC) confermano una riduzione della crescita
economica e degli scambi commerciali nel biennio 2011 e 2012 per tutte le principali economie
avanzate.
Tale situazione si ripercuote sui i prezzi mondiali delle materie prime. Come mostra il grafico
sottostante il totale dei prezzi mondiali delle materie prime si è complessivamente ridotto di
circa il 10% rispetto ai livelli del 2010 . I prezzi della lana, come per tutte le altre materie prime,
non sono stati immuni alla riduzione, ma si sono difesi molto meglio se confrontati alla maggior
parte degli altri prodotti.
E’ quindi un dato di fatto che il settore della lana stia attraversando un momento difficile, come
d’altronde tutti gli altri settori dell’economia.
Confronto dei prezzi delle materie prime tra il 2011 ed il 2010
3
Le previsioni relative alla produzione mondiale mostrano un andamento non eccezionale e non
vi sono segnali ottimistici per quanto riguarda una vera e propria ripresa, le ultime analisi
suggeriscono che la produzione mondiale di lana incrementerà di appena lo 0,7%, a 1.112
milioni di chilogrammi di lana pulita. Come si evince dal sottostante grafico, la produzione
mondiale rimarrà quindi a livelli bassi.
Andamento della produzione mondiale di lana
Andando ad analizzare la situazione nel particolare, si può notare un trend positivo in paesi
quali l’Australia e a seguire in Cina, nell’Est Europa, in India, in Sud Africa, in Regno Unito ed
Uruguay. Al contrario vi è una contrazione di produzione in Nuova Zelanda, Argentina e USA. Ad
influenzare negativamente una reale ripresa del mercato, vi è il basso quantitativo del valore
delle scorte di lana pari al 10% rispetto al quantitativo in circolazione, un qualsiasi mercato è
definito essere in equilibrio, e quindi in salute, per un rapporto di almeno il 20%.
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Relativamente al mercato delle fibre, si può notare dalla tabella sottostante, anche in questo
caso, una tendenza alla riduzione dei prezzi. In particolare, per le fibre di lana si può vedere
come quella a 21 μm abbia un trend migliore rispetto a quella superfina e a quella a 28 μm.
L’aspetto critico che si evince dal grafico è quello del confronto delle fibre di lana con gli altri
tipi di fibre: la lana è ancora relativamente costosa rispetto alle altre fibre e ciò e un fattore
estremamente negativo che ostacola una ripresa del mercato della lana, almeno nel breve
periodo.
Andamento del prezzo delle fibre di lana
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La lana e i suoi possibili impieghi
La lana [1] è una fibra tessile naturale ottenuta dal vello delle pecore. E’ commercialmente
impiegata per la realizzazione di indumenti prevalentemente invernali. Il suo processo di
lavorazione, a partire dalla tranciatura fino ai trattamenti chimici, è caratterizzato da molteplici
operazioni. Di seguito sono presentate le fasi di lavorazione della lana.
Tranciatura e classificazione
Il primo passo è il taglio che di norma avviene nel periodo primaverile, seguito dalla fase di
classificazione della lana, principalmente in funzione della finezza della fibra.
Lavaggio
L’operazione successiva consiste nel processo di lavaggio, per rimuovere: grasso (lanolina),
sostanze vegetali e altre impurità presenti nella lana, in particolare una serie di rastrelli
conducono il vello attraverso delle vasche contenenti sapone e acqua. Le impurità possono
costituire il dal 30 al 70% per cento del peso della lana. Le prima acque di lavaggio sono a oltre
140°F mentre il risciacquo avviene in acqua più fredda. Successivamente, mediante il passaggio
attraverso dei rulli in un ambiente con aria calda per l’essiccazione, viene ridotto il tasso di
umidità della lana.
E’ importante sottolineare che il grasso della lana, ovvero la lanolina, ottenuto dalla
purificazione dell’acqua di lavaggio può essere impiegato nel settore della cosmetica o, in
maniera innovativa, come proposto in uno degli studi presentati, nel settore dell’energia, in
particolare per la desolforazione dei fumi del processo di combustione.
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Miscelazione e tintura
In tale fase si ha il miscelamento meccanico dei vari lotti di lana con la finalità di :
• uniformare la lunghezza ed il diametro delle varie fibre;
• realizzare la fase di tintura o colorazione.
Cardatura
Il processo di cardatura è caratterizzato dal passaggio della lana, asciutta e pulita, in dei rulli che
permettono di raddrizzare le fibre e rimuovere eventuali residui rimasti. I rulli hanno differenti
diametri e velocità di rotazione in modo da formare sottili nastri di fibre allineate.
Filatura e tessitura
Attraverso la filatura si ha la formazione di filato adatto alla successiva fase di tessitura dove,
mediante opportuni rulli, si ha un’ulteriore estensione delle fibre di lana che successivamente
subiscono una fase di torcitura, ovvero di torsione, in funzione della quale si ottengono filati di
differenti caratteristiche soprattutto in termini di dimensioni e di resistenza a trazione.
Intrecciando ad angolo retto, mediante opportuni macchinari, due gruppi di filato si ha la
produzione delle stoffe o tessuti.
Controllo qualità
Il controllo qualità è una parte della fase finale della produzione dei tessuti ed ha come
obiettivo quello di identificare le imperfezioni quali fili spezzati, distribuzione non uniforme del
colore ed altri difetti che devono essere rimossi.
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Ulteriori operazioni
Ulteriori operazioni che caratterizzano la lavorazione dei tessuti ottenuti, consistono nella:
• follatura: processo di restringimento del tessuto mediante il quale, con la variazione
delle condizioni di umidità e calore, si riduce, della quantità voluta, la lunghezza e
larghezza del tessuto;
• finitura: processo di perfezionamento della superficie del tessuto che può essere
effettuato attraverso tecniche di taglio o bruciatura nel caso si voglia ottenere una
superficie del tessuto liscia;
• fissaggio e torsione del tessuto;
• spugnatura, per rendere il tessuto meno contratto.
A valle delle suddette operazioni vi è quella di finitura chimica con l’obiettivo di migliorare le
caratteristiche del prodotto. In particolare la lana può essere tratta chimicamente per renderla
resistente alle tarme, all’umidità, al fuoco o per qualsiasi altra necessità.
Caratteristiche della lana
La fibra di lana è un materiale dotato di diverse, ed allo stesso tempo importanti, caratteristiche
che ne permettono l’uso in molteplici campi e settori. Tra le principali proprietà di cui è dotata
la lana vi è: la resilienza, elasticità e flessibilità, la capacità di assorbire umidità e la non
infiammabilità.
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Immagine di un batuffolo di lana
Durata e resilienza
Ogni fibra di lana, a livello molecolare possiede la forma di una molla elicoidale, ciò rende la
fibra notevolmente elastica. In particolar modo le fibre di lana, se umide, possono estendersi
sino al 50% della loro lunghezza originaria mentre in condizioni asciutte fino al 30%. In entrambi
i casi, se si rimane all’interno dei menzionati allungamenti percentuali, una volta che viene
rimosso il carico che determina l’estensione, le fibre tornano nella condizione iniziale senza
subire deformazioni permanenti. Bisogna altresì ricordare che, in condizioni bagnate, il
recupero della forma iniziale è più rapido ma la fibra è più debole.
La flessibilità della fibra di lana rende tale materiale anche più durevole: una fibra di lana
può essere ripiegata su se stessa più di 20.000 volte, senza giungere a rottura, rispetto
alle 3000 volte per le fibre di cotone e alle 2000 volte per quelle di seta.
L'elasticità naturale della lana rende i tessuti da essa ottenuti resistenti allo strappo. Inoltre, la
superficie esterna della fibra agisce da pellicola protettiva che determina la capacità della lana
di resistere all'abrasione.
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Assorbimento
La lana è una fibra igroscopica, ovvero ha un’elevata capacità di assorbire le molecole d’acqua
dell’ambiente circostante, ciò è dovuto ai minuscoli pori presenti sulla fibra stessa. La lana può
assorbire facilmente fino al 30% del suo peso in termini di umidità senza significative
modificazioni delle sue proprietà. Tale capacità di assorbimento ne permette l’uso come
elemento "regolatore di umidità”.
Infeltrimento
La struttura della superficie della fibra di lana, come si evince dalla sottostante figura, è
costituita da squame e ciò fornisce alla lana, se sottoposta ad operazioni di compressione e
sfregamento, la caratteristica di infittire la propria massa, diventando in tal modo meno
permeabile all’aria. Tale caratteristica ha la proprietà di essere irreversibile: una volta che la
lana ha subito il suddetto fenomeno, non può ritornare alle condizioni precedenti
l’infeltrimento.
Struttura squamosa della superficie della fibra di lana
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Resistenza alla fiamma
La lana è un materiale che è in grado di trattenere, naturalmente, in ogni fibra, un certo
contenuto di umidità con il vantaggio di possedere, quindi, un’importante resistenza alla
fiamma senza che sia necessario alcun trattamento chimico: il contatto della lana con il fuoco
non propaga la fiamma ma genera una lenta carbonizzazione, ostacolando il processo di
combustione. Per lo spegnimento di piccoli incendi, possono infatti essere impiegate coperte di
lana.
Struttura chimica
La lana è una fibra proteica naturale che cresce dai follicoli presenti sulla pelle delle pecore. E’
costituita da fibre aventi una struttura chimica, che analogamente a quella dei capelli umani, si
basa sulla proteina della cheratina i cui elementi caratteristici sono carbonio, idrogeno,
ossigeno, azoto e zolfo. Tali elementi sono combinati in amminoacidi legati in catene
polipeptidiche.
Struttura molecolare della fibra di lana
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Campi di impiego della lana
Dallo studio delle caratteristiche della lana, si può evincere che, oltre alla produzione di tessuti
per il settore dell’abbigliamento, tale materiale può essere efficacemente impiegato anche in
altri campi. Come verrà mostrato in questa relazione, esistono studi per l’applicazione della
lana in diversi settori:
• in campo agricolo: soprattutto come elemento nutriente per colture e ammendante per il
terreno;
• in campo ingegneristico: per la realizzazione di nano materiali, nelle tecnologie per la
produzione di energia nella fase di trattamento dei gas di scarto, nella realizzazione di
materiali da costruzione e nell’isolamento acustico degli edifici;
• nel campo del risparmio energetico, in particolar modo per l’isolamento termico degli edifici
e conseguente riduzione dei consumi energetici.
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La lana nel comparto agricolo come ammendante
Relativamente all’impiego della lana nel comparto agricolo, le ricerche sono orientate all’uso
del suddetto materiale fibroso come ammendante per il terreno ed elemento nutriente per le
colture.
Introduzione
Lo studio [2] dell’impiego delle fibre di lana di scarto per usi nel settore agricolo, si innesta nella
più ampia questione della sostenibilità economica ed ambientale dei sistemi agricoli che
dipende fortemente dall’attenzione nella selezione degli input del sistema, tra cui la scelta dei
fertilizzanti organici o inorganici. Fino ad ora sono stati utilizzati diversi tipi di “rifiuti” come
fonte nutriente per le colture agricole o come ammendanti per il terreno, tra questi ritroviamo i
fanghi di depurazione, il compost da rifiuti solidi urbani, i concimi di origine animale ed altre
tipologie. Mentre c’è un forte settore di ricerca riguardo a i nutrienti di origine organica, vi è
ancora una ricerca limitata sull’uso, nell’ambito dei nutrienti per le colture e come
ammendante per il terreno, degli scarti di origine organica quali la lana di pecora e i rifiuti
costituiti dalle fibre di capelli di provenienza umana. Le produzioni associate agli allevamenti di
pecore e l’industria della lavorazione della lana generano un’elevata quantità di materiale di
scarto quale i fanghi prodotti durante il setacciamento delle fibre di lana ed altri prodotti
inutilizzati che devono quindi essere gestiti in discarica. Per aiutare il mercato della lana ed
evitare la creazione di problemi ambientali legati agli scarti di produzione da inviare in discarica,
con relativo impatto economico sul settore della lana, è quindi auspicabile cercare di
trasformare i suddetti scarti, ricchi in proteine, da problema a risorsa da poter reinserire in altri
settori quale quello agricolo. In questa situazione è importante considerare anche l’elevata
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quantità di rifiuti prodotti dalle attività di taglio dei capelli, dove, anche in questo caso, le fibre
di capelli sono trattate come rifiuti da smaltire in discarica, producendo quindi problemi di
natura ambientale ed economica anziché essere visti come risorsa da associare alle fibre di lana
che, avendo caratteristiche simili agli scarti piliferi, possono essere impiegate insieme ad essi
per le stesse finalità e senza i problemi di “coesistenza” che si avrebbero se fossero impiegati
differenti prodotti. La gestione dei due tipi di scarti menzionati in termini di rifiuti da inviare in
discarica, induce anche il problema della lisciviazione dei nitrati nel sottosuolo con possibile
inquinamento di falde acquifere. Ovviamente tale problema permane anche nel caso di un loro
impiego come ammendante, ma in questa situazione il contenuto di azoto sarebbe impiegato
come nutriente per le colture sia in campo che in serra e per il condizionamento del suolo.
Caratteristiche chimiche Fibre di lana Fibre di capelli Unità di misura
C 283 413 g/kg
H2O 72 71 g/kg
C/N 3,65 2,98 g/kg
N 1,08 1,38 g/kg
Ca 1,09 2,45 g/kg
S 51,3 89,6 g/kg
Mg 335 78 mg/kg
K 32980 72 mg/kg
Na 1168 187 mg/kg
Fe 234 39 mg/kg
Cu 8 19 mg/kg
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Mn 21 2 mg/kg
Zn 501 217 mg/kg
P 805 104 mg/kg
B 5 6 mg/kg
Al 119 19 mg/kg
Caratteristiche delle fibre di lana e di capello umano
Attualmente sono scarse le ricerche in merito all’uso delle fibre di lana come elemento per il
compostaggio, o per il controllo delle infestanti o come risorsa di azoto per le piante. In campi
sperimentali, è stato rilevato che l’aggiunta di 0,2 mg di rifiuto di cotone e di 0,22 mg all’ettaro
di scarti di fibre di lana ha provocato un incremento nel rendimento di produzione della coltura
del sorgo da granella. Un altro studio ha dimostrato che l’impiego della polvere di lana in
frutteti di mele per il controllo delle infestanti ha provocato cambiamenti nelle caratteristiche
del suolo in termini di PH e temperatura. Tuttavia non sono stati elaborati studi approfonditi
sulla possibilità di utilizzazione della lana di scarto non compostata come ammendante per il
terreno ed elemento nutriente per le piante sia per colture in vaso che in campo.
L’obiettivo dello studio proposto [2] è quindi quello di analizzare la possibilità di impiegare la
lana di scarto, in combinazione con rifiuti piliferi, come elementi nutrienti per le colture,
cercando quindi di valutare la loro potenzialità nell’ambito del miglioramento delle proprietà
biologiche e chimiche del terreno. Per questa ricerca sono stati condotti esperimenti, sia in
campo sia in laboratorio all’interno di opportuni contenitori. Sono state prese in esame le
colture del basilico, dello stramonio, della mente piperita e della salvia come rappresentanti
delle specie vegetali con elevato valore aromatico e medicinale, in questo settore le suddette
colture sono ormai dei punti fermi, soprattutto da quando la loro produzione è stata porta da
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una condizione annuale, biennale ad una perenne. Il basilico e la menta piperita sono coltivate
per successivi usi culinari, per la realizzazione di bevande o per la produzione di oli essenziali. Lo
stramonio è una pianta che contiene alcaloidi ed è stata coltivata sia in campo che in serra. La
salvia è una coltura perenne impiegata, anche in forma essiccata, per la realizzazione di cibi o
per bevande o oli essenziali.
Materiali impiegati e metodi applicati nella ricerca
La conduzione dell’esperimento è stata quindi caratterizzata dall’impiego e dall’applicazione dei
seguenti materiali e metodi:
• materiale di scarto quale fibre di lana e di capelli;
• esperimenti in contenitori e in campo;
• analisi per la valutazione degli elementi nutrienti, di quelli oligominerali, della biomassa
microbica e delle micorrize;
• analisi riguardanti gli oli essenziali e gli alcaloidi ;
• l’uso del microscopio a scansione elettronica (SEM) ed analisi ai raggi X.
Materiale di scarto
Relativamente al materiale di scarto, sono stati impiegati i residui piliferi ottenuti dalle attività
di taglio dei capelli e provenienti da persone di differente sesso ed età mentre le fibre di lana
sono campionate ad opera del Nova Scotia Agricultural College avendo cura di non sottoporre i
suddetti campioni di lana a nessun tipo di trattamento e lavaggio. Gli ovini dai quali sono state
prelevate le fibre di lana hanno un’età che arriva ai 10 anni e la zona di provenienza è la Nova
Scotia (Canada). Le pecore sono state allevate all’aperto e l’operazione di tosatura è stata
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condotta nel periodo di Maggio, conservando la lana in sacchi di tela. La lana è stata quindi
rimescolata prima di prelevare i campioni da impiegare negli esperimenti in campo e al chiuso
in contenitori: tale rimescolamento è stato necessario per garantire la rappresentatività dei
campioni.
Esperimento in vaso
Gli esperimenti sono stati condotti nelle serre del Nova Scotia Agricultural College. All’interno
dei contenitori sono state introdotte diverse quantità di scarti di lana e di capelli. In particolare,
relativamente alle fibre di lana, è stata effettuata l’aggiunta di 0, 40, 80 e 120 grammi di queste
a 6 kg di terreno. Per quanto riguarda gli scarti piliferi umani sono state considerate le quantità
di 0, 20, 40 e 80 grammi in aggiunta, anche in questo caso, a 6 kg di terreno. Per entrambi gli
esperimenti, quello relativo all’impiego delle fibre di lana e quello con gli scarti piliferi, sono
stati effettuati dei controlli in assenza di colture con la finalità di valutare gli effetti della
presenza di piante sulla disponibilità di nutrienti nel terreno. Le colture del basilico e dello
stramonio sono state impiegate per il primo esperimento, quello nei contenitori con fibre di
lana, il secondo esperimento ha invece riguardato la menta piperita. I contenitori impiegati per
gli esperimenti sono di plastica e sono stati riempiti con 6 kg di terreno, piatti di plastica sono
stati posizionati alla base di ogni contenitore per evitare la lisciviazione dei nutrienti.
In merito al basilico e allo stramonio, sono stati impiegati i loro semi da cui poi far sviluppare le
rispettive piante, mentre per la menta piperita si è partiti dal rizoma. All’emergere delle
piantine, il loro numero all’interno dei contenitori è stato ridotto a 2 per contenitore. Le colture
sono state fatte crescere per 14 settimane con un fotoperiodo di 14 ore di giorno e 10 ore di
notte e ad una temperatura media di 28°C. Le piante sono state irrigate attentamente e
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uniformemente una volta al giorno con una quantità d’acqua sufficiente a garantire la
necessaria umidità del suolo, evitandone però la fuoriuscita dal piatto di plastica alla base del
contenitore. Le piante sono state raccolte tutte nello stesso momento, ovvero alla fioritura che
rappresenta la maturità tecnica delle colture di basilico, mente piperita e salvia, mediante un
taglio dello stelo effettuato ad un’altezza di 4 cm dalla superficie del terreno. La menta piperita
e la salvia sono state distillate immediatamente, subito dopo la loro raccolta mentre metà del
raccolto del basilico e dello stramonio è stato essiccato all’aria per le analisi dei metaboliti
secondari e l’altra metà è stata essiccata a ad una temperatura di 70°C, per una durata di 72
ore, per le analisi relative ai minerali e alle tracce di elementi.
E’ da sottolineare che studi preliminari dimostrano che le colture non riescono a crescere in
maniera ottimale in contenitori con terreni argillosi e con il solo sostentamento di lana di scarto
senza che siano aggiunti fertilizzanti chimici o compost. Ciò è probabilmente da attribuire al
fatto che sia i capelli che la lana, entrambi materiali a base di cheratina, sono molto resistenti
alla degradazione con conseguente lentezza nel rilascio di sostanze nutrienti. E’ stato quindi
aggiunto ad ogni contenitore, relativamente al primo esperimento, ovvero quello riguardante
l’uso di fibre di lana, 300 grammi di compost MSW essiccato all’aria. Di seguito sono riportate le
caratteristiche principali del compost MSW in condizioni non secche, quindi con riferimento al
peso in condizioni umide del campione:
Caratteristica Valore Unità di misura
Umidità 618 g/kg
C 83 g/kg
N 12,4 g/kg
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C/N 6,7 ‐
pH 7,2 ‐
Conducibilità elettrica 2,4 dS/m
Caratteristiche del compost MSW
Gli elementi presenti nel compost, impiegato in aggiunta alle fibre di lana, sono stati ottenuti a
seguito di una digestione del campione in una soluzione contenente acido nitrico e sono di
seguito riportati:
Elemento Valore Unità di misura
Ca 12,3 g/kg
P 3,3 g/kg
Na 2,24 g/kg
K 4,72 g/kg
Mg 2,13 g/kg
Fe 3207 mg/kg
Mn 484 mg/kg
Zn 90,8 mg/kg
B 14,5 mg/kg
Cu 11 mg/kg
Elementi contenuti nel compost MSW
Si porta in evidenza il fatto che il compost MSW in esame soddisfa le linee guida del governo
canadese relative alla qualità dei compost.
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Esperimento in campo
Per l’esperimento in campo è stata impiegata la salvia. In particolare a 60 giorni di età le piante
di salvia sono state trapiantate in campo, operazione compiuta nella prima metà di Giugno. Per
il trattamento del terreno sono state impiegate quantità crescenti di fibre di lana, da 0 a 15,8 a
31,7 mg/ha. L’applicazione del trattamento mediante scarti di lana è cominciato a metà
Ottobre. Le fibre di lana sono state depositate in solchi aperti tra le file delle piante per poi
essere coperti con uno strato di terreno di spessore dai 12 ai 15 cm. La raccolta è stata
effettuata due volte, a Luglio e Ottobre, nei due successivi anni mediante il taglio dei germogli
verdi con foglie ed infiorescenza completamente sviluppate.
Analisi relative ai nutrienti, agli elementi, alla biomassa microbica e alle micorrize
Prima di poter effettuare le analisi sui campioni di colture prelevati, questi sono stati
opportunamente trattati. In particolare metà del raccolto di basilico, stramonio e salvia è stato
sottoposto al trattamento di essiccamento in forno a 70°C per 72 ore, registrando
successivamente il peso secco dei campioni che infine sono stati sminuzzati in un mulino Wiley
e fatti passare in un setaccio con fori di 1 mm. L’altra metà del raccolto del basilico, stramonio e
salvia assieme al raccolto delle altre colture, è stato conservato fresco all’interno di contenitori
frigoriferi alla temperatura di 4°C allo scopo di poter effettuare analisi sulla biomassa microbica
e sui composti dell’azoto. Sono stati prelevati, durante la raccolta delle colture, anche campioni
di suolo per effettuarne analisi relative alla determinazione dei nutrienti e degli elementi
contenuti. La preparazione dei suddetti campioni di terreno è consistita nel loro essiccamento
all’aria, ad una temperatura media di 20°C, e successivamente nella loro polverizzazione, per
mezzo di in un mortaio, e setacciatura attraverso un vaglio con di 2 mm.
20
Relativamente alla caratterizzazione degli elementi, nei campioni di terreno e di piante, è stato
impiegato uno spettrometro al plasma ad accoppiamento induttivo ICAP con l’obiettivo di
ottenere informazioni sul contenuto di rame, manganese, zinco, calcio, ferro, potassio,
magnesio, fosforo, zolfo, boro, cadmio, cobalto, cromo, molibdeno, sodio e nichel. Le analisi
relative alla determinazione del contenuto di NH4‐N e NO3‐N sono state condotte mediante
l’impiego dell’auto‐analizzatore TRAACS 800.
La valutazione della biomassa microbica del terreno è stata effettuata in quanto indicatore di
potenziale tossicità, verso i microorganismi presenti nel suolo, indotta dall’aggiunta nel terreno
delle fibre di lana. Tale valutazione è stata effettuata impiegando la procedura di fumigazione‐
incubazione a base di cloroformio, in particolare il campione di terreno è stato fumigato con
cloroformio bollente in un essiccatore a 40°C e successivamente incubato al buio per 24 ore a
25°C. Per ottenere infine il valore di biomassa microbica è necessario conoscere la quantità di
CO2 liberata durante la fase di incubazione e ciò viene ottenuto rilevando la CO2 mediante la
tecnica della gascromatografia. In conclusione si ha la biomassa in termini di carbonio, indicata
come biomassa C, e fornita in termini di milligrammi di biomassa microbica C per grammo di
terreno.
Le analisi sulle micorrize, che sono delle associazioni simbiotiche tra un fungo e l’apparato
radicale delle piante, sono state condotte per valutare l’impatto che ha, sulla loro presenza,
l’aggiunta nel terreno degli scarti piliferi e lanosi. Per effettuare le suddette analisi, l’apparato
radicale delle piante è stato estratto dal suolo, lavato e ne sono state asportate le sottili radici
secondarie che sono state conservate in una soluzione contenente etanolo al 50%. Attraverso
successivi trattamenti caratterizzati da temperature sino ai 90°C e dall’impiego di soluzioni
21
acide e stato possibile determinare la percentuale di radice, relativamente alla sua lunghezza,
che risulta essere colonizzata dalle micorrize.
Estrazione ed analisi degli oli essenziali e degli alcaloidi
Relativamente ai campioni freschi di menta piperita e salvia e a quelli di essiccati di basilico,
l’estrazione degli oli è stata effettuata mediante distillazione a mezzo di vapore mentre gli
alcaloidi dello stramonio sono stati estratti impiegando l’etanolo. Le analisi sugli oli essenziali e
sugli alcaloidi sono state eseguite mediante la tecnica della gascromatografia.
Analisi con microscopio a scansione elettronica (SEM) e con raggi X (EDX)
Le analisi mediante microscopio elettronico e con raggi X hanno l’obiettivo di valutare l’entità
della degradazione nel tempo degli scarti piliferi e lanosi ovvero la loro velocità di
decomposizione oltre a determinare la distribuzione spaziale nel suolo dei nutrienti. Queste
analisi sono state realizzate mediante l’osservazione dei campioni di suolo e degli scarti piliferi e
lanosi attraverso il microscopio a scansione elettronica Hitachi 3000N e lo spettrometro INCA
350 a raggi X.
Risultati e discussione
I risultati con relativa discussione riguardano:
• le analisi chimiche sul suolo impiegato per gli esperimenti e sugli scarti impiegati come
ammendante;
• le analisi chimiche condotte per entrambe le tipologie di esperimento, in contenitore e
in campo;
• le analisi mediante SEM ed EDX relativamente alla degradazione degli scarti.
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Analisi del suolo e degli scarti
Il terreno impiegato per gli esperimenti è caratterizzato dalla presenza di argilla con la
differenza che quello per l’esperimento in campo ha migliori proprietà drenanti rispetto a
quello presente nei contenitori. Entrambi i terreni sono rappresentativi dei suoli agricoli della
zona Atlantica del Canada e sono caratterizzati da una non equilibrata distribuzione delle
quantità di argilla, sabbia e limo. Gli scarti presi in considerazione come ammendanti, per questi
tipi di terreni, hanno composizione chimica differente: quelli piliferi di provenienza umana
contengono una maggiore quantità di azoto, zolfo, calcio, e rame rispetto agli scarti lanosi,
quest’ultimi hanno invece una maggiore quantità di potassio, sodio, ferro e fosforo rispetto ai
residui piliferi. Dalle analisi sugli scarti si deduce che l’impiego di fibre di lana necessita, rispetto
agli scarti piliferi, di una maggiore integrazione con fertilizzante organico.
Caratteristica Terreno nel contenitore Terreno in campo Unità di misura
pH 6,6 6,8 ‐
Materiale Organico 34 28 g/kg
Sabbia 284 671 g/kg
Limo 633 78 g/kg
Argilla 83 252 g/kg
N 1,26 1,37 g/kg
P2O5 414 1160 kg/ha
K2O 246 332 kg/ha
Ca 3892 4044 kg/ha
Mg 531 247 kg/ha
23
S 115 46 kg/ha
Na 35 43 kg/ha
Fe 375 229 mg/kg
Mn 88 39 mg/kg
Cu 1,55 21,5 mg/kg
Zn 2,5 5,9 mg/kg
B 0,7 0,69 mg/kg
Caratteristiche dei terreni impiegati negli esperimenti
Risultati dell’esperimento in vaso
L’aggiunta di scarti piliferi e lanosi nel terreno determina un incremento del contenuto di NH4‐N
e NO3‐N all’interno del suolo, una maggiore produzione nelle colture del basilico, stramonio e
mente piperita e un maggiore assorbimento di azoto rispetto al caso di un terreno non
ammendato. I risultati suggeriscono che gran parte dell’NO3‐N presente nel terreno è dovuto
alla mineralizzazione dell’azoto presente nella lana e negli scarti piliferi piuttosto che alla
mineralizzazione dell’azoto del suolo. Altra considerazione che si ottiene dall’analisi dei risultati
è che la presenza di piante non genera effetti significativi sulla degradazione dei suddetti scarti.
Dai risultati si evince che l’uso di scarti piliferi e di fibre di lana come ammendante per il terreno
e nutrienti per le piante genera un incremento del contenuto di azoto e di proteine nel tessuto
vegetale, ciò influisce positivamente soprattutto per le colture della menta piperita e del
basilico relativamente al loro impiego per la produzione di oli essenziali e di sottoprodotti da
impiegare nella produzione di mangime animale.
24
Di seguito vengono proposti i risultati delle analisi effettuate per le colture in vaso. Tali risultati
comprendono valutazioni relative sia alla presenza di composti dell’azoto nel terreno sia al
contenuto di azoto, alcaloidi e oli essenziali nelle piante. Per facilitare la lettura delle seguenti
tabelle si ricorda che i risultati relativi al trattamento con fibre di lana fa riferimento alle
quantità di 0, 40, 80,120 grammi per contenitore e alle colture del basilico e stramonio mentre i
risultati relativi al trattamento con scarti piliferi fa riferimento alle quantità di 0, 20, 40, 80
grammi per contenitore e alla coltura della menta piperita.
Coltura Quantità di scarto
[g/vaso]
NH4‐N
[mg/kg]
NO3‐N
[mg/kg]
Terreno privo di coltura e trattato con
fibre di lana
0 0 86,7
40 0,14 304,3
80 0,19 672,7
120 12,7 552,8
Basilico con trattamento del terreno a
base di fibre di lana
0 0 73,9
40 0,03 210,5
80 0,20 236,2
120 0,11 173,9
Stramonio con trattamento del terreno a
base di fibre di lana
0 0,01 59,6
40 0,19 82,0
80 0,13 217,2
120 0,45 236,9
25
Menta con trattamento del terreno a base
di fibre di lana
0 0,02 2,8
20 0,022 5,2
40 3,6 77,5
80 169,3 169,3
Terreno privo di coltura e trattato con
scarti piliferi
0 0,29 14,1
20 1,6 137,0
40 3,7 127,5
80 19,4 276,6
Risultati delle analisi condotte sui campioni di terreno in vaso
Coltura Quantità
di scarto
[g/vaso]
Peso al
raccolto
[g/vaso]
Contenuto
di N nel
tessuto
vegetale
[g/kg]
Contenuto di oli
essenziali/alcalodi
[g/kg]
Produzione di oli
essenziali/alcalodi
[ml/vaso]
Basilico con
trattamento
del terreno a
base di fibre
di lana
0 227 10,2 1,3 0,36
40 348 12,9 3,3 1,15
80 494 18,7 4,6 2,27
120 318 23,4 4,0 1,27
26
Stramonio
con
trattamento
del terreno a
base di fibre
di lana
0 337 19,5 2,79 0,94
40 510 24,8 3,18 1,62
80 531 30,9 3,16 1,68
120 743 44,3 3,18 2,36
Menta con
trattamento
del terreno a
base di fibre
di lana
0 40 13,2 6,4 0,17
20 161 22,5 5,7 0,71
40 169 28,4 5,2 0,68
80 180 30,3 5,3 0,78
Risultati delle analisi condotte sui campioni di coltura in vaso
Di seguito vengono riportati i risultati riguardanti sia la biomassa microbica presente nel suolo,
nel caso basilico e stramonio, sia il fenomeno della colonizzazione dell’apparato radicale ad
opera delle micorrize, per lo stramonio e la menta piperita. Le analisi sono state effettuate nel
caso di trattamento con fibre di lana per il basilico e lo stramonio mentre per la menta piperita
il suolo è stato ammendato con gli scarti piliferi
Coltura Quantità di lana di
scarto [g/vaso]
Biomassa microbica
[μg/g suolo]
Radice colonizzata da micorrize
[% in lunghezza]
Assente 0 7,01 ‐
40 6,21 ‐
80 6,03 ‐
27
120 5,99 ‐
Basilico 0 7,53 ‐
40 9,68 ‐
80 30,50 ‐
120 18,84 ‐
Stramonio 0 12,89 16,5
40 17,60 11,0
80 28,31 8,0
120 33,36 5,1
Risultati delle analisi condotte sulla biomassa microbica e le micorrize nel trattamento in vaso con fibre di lana
Coltura Quantità di scarti piliferi
[g/vaso]
Radice colonizzata da micorrize
[% in lunghezza]
Menta piperita 0 49
20 73
40 76
80 61
Risultati delle analisi condotte sulle micorrize nel trattamento in vaso con scarti piliferi
I risultati mostrano come la risposta al trattamento in termini di biomassa microbica presente
nel dipende fortemente dal tipo di coltura considerata. Si può inoltre notare come vi sia una
diretta proporzionalità tra l’aggiunta di fibre di lana come ammendante nel terreno e lo
sviluppo di biomassa microbica, ciò è probabilmente dovuto all’incremento nel suolo della
concentrazione di azoto che stimola la crescita dei microbi. Dai risultati si evince anche che la
28
biomassa microbica mostra uno sviluppo migliore nel caso di terreni con coltura rispetto al caso
di suolo privo di coltura, in particolare le evidenze suggeriscono che la presenza di basilico e
stramonio stimolano la crescita della biomassa microbica, probabilmente legata al fenomeno di
trasudamento dell’apparato radicale. Da ciò è possibile comprendere le differenze di
incremento della biomassa microbica tra il terreno contenente la coltura del basilico e dello
stramonio: tali differenti sviluppi di biomassa sono associabili alla diversa tipologia
dell’apparato radicale del basilico rispetto a quello dello stramonio e quindi del differente
fenomeno di trasudamento tra i due apparati radicali.
Risultati dell’esperimento in campo
I risultati relativi all’esperimento in campo, riguardano la coltura della salvia. Tali risultati
tengono conto del fatto che è stato impiegato come ammendante la fibra di lana in due
differenti quantitativi (15,8 e 31,7 mg/ha) e la raccolta è avvenuta, due volte all’anno, sia nel
primo anno successivo a quello di trapianto della coltura in campo, sia nel secondo anno. I
risultati riportati sono media dei dati ottenuti sul totale dei raccolti effettuati.
Parametro rilevato Assenza di
ammendante
Aggiunta di
ammendante pari a
15,8 mg/ha
Aggiunta di
ammendante pari a
15,8 mg/ha
Quantità di salvia
raccolta [kg/ha]
1295 2174 3141
Contenuto di N nel
tessuto vegetale [g/kg]
16,2 25,3 25,9
29
Assorbimento di N
nella coltura [kg/ha]
20,9 55 81
Contenuto di oli
essenziali [g/kg]
4,9 3,6 2,7
Produzione di oli
essenziali [kg/ha]
39,4 45,5 26,0
Risultati delle analisi condotte sulla salvia nel trattamento in campo con scarti lanosi
Dai risultati relativi ai quattro raccolti di salvia si evince che il contenuto di oli essenziali nella
coltura è significativamente influenzato dall’uso delle fibre di lana come ammendante. In
particolar modo si può notare come nell’appezzamento privo di ammendante sia maggiore il
contenuto di oli essenziali suggerendo quindi che l’uso di fibra di lana altera in senso negativo il
quantitativo di tale elemento nella coltura della salvia.
Osservazioni dalle analisi SEM e EDX
Le analisi realizzate mediante il microscopio a scansione elettronica e mediante lo spettrometro
a raggi X sono state effettuate sulle fibre di lana usate per l’esperimento in campo con la
coltura della salvia. In particolare le fibre sono state prelevate dal terreno dopo un periodo di
circa quattro anni per poterne valutare lo stato di decomposizione e quindi la loro capacità di
rilasciare nutrienti nel terreno. Alcune fibre sono risultate ancora in buono stato, come quella
riportata nella figura sottostante, mentre altre erano significativamente decomposte.
30
Immagine ottenuta mediante SEM di una fibra di lana dopo quattro anni
Sul campione di terreno interessato dalla presenza della precedente fibra di lana è stata
condotta l’analisi EDX che mostra, come si può vedere dalla figura sottostante, la presenza degli
elementi di carbonio, ossigeno, zolfo e azoto.
Spettro del campione di terreno
Relativamente alle analisi sulle fibre di lana si osserva che la mappatura mediante la tecnica di
analisi a raggi X mostra un forte segnale associato allo zolfo che comunque risulta essere,
31
sempre dalla stessa analisi, significativamente inferiore rispetto al contenuto di azoto, fosforo o
potassio.
Osservazioni conclusive
Lo ricerca realizzata, attraverso esperimenti condotti in campo e in vaso, ha studiato la
possibilità di impiegare sia fibre di lana sia scarti piliferi come sostanze ammendanti per il
terreno e nutrienti per le colture, valutando anche il miglioramento in termini di proprietà
biologiche e chimiche del terreno. Come si evince dalla trattazione, l’impiego di questi scarti,
non sottoposti ad alcun tipo di trattamento, ha indotto nel complesso un miglioramento nella
produzione di tutte le colture esaminate: basilico, stramonio, menta piperita e salvia. Durante
gli esperimenti si sono stati in particolare riscontrati anche incrementi relativi al contenuto di
NH4‐N e NO3‐N nel terreno, al contenuto di azoto e proteine all’interno del tessuto vegetale
delle piante e nella biomassa microbica del suolo. Dai risultati ottenuti si nota anche una
riduzione delle micorrize relativamente all’apparato radicale dello stramonio. L’aggiunta dei
suddetti scarti ha anche leggermente alterato il contenuto e la composizione di metaboliti
secondari delle piante quali oli essenziali e alcaloidi che comunque dimostrano rimanere
all’interno del intervallo tipico per le rispettive colture.
Le analisi effettuate mediante tecnica di scansione elettronica SEM (Scanning Electron
Microscopy) e quella a raggi X EDX (Energy Dispersive X‐ray) hanno mostrato, sia nelle
condizioni in vaso che in campo, una lenta decomposizione del rifiuto in esame, con relativo
rilascio di composti contenenti zolfo, azoto, fosforo e potassio. E’ da osservare che il lento
rilascio di sostanze nutrienti nel terreno può essere un problema per lo sviluppo delle colture.
32
I risultati ottenuti, assieme con i valori di concentrazione dei composti dell’azoto nel terreno al
momento del raccolto, hanno suggerito che un impiego di circa 3,3 g degli scarti di lana e piliferi
per ogni kg di terreno permettono di supportare dai 2 ai 5 raccolti in serra e dalle 2 alle 4
stagioni in campo con un miglioramento delle caratteristiche bio‐chimiche del terreno.
Nell’ottica di un impiego a livello di mercato dei suddetti scarti nell’ambito della produzione
agricola, il parametro principale sul quale dovranno essere effettuate ulteriori ricerche è
sicuramente la quantità da impiegare in relazione al tipo di coltura in questione e la
problematica connessa alla lisciviazione dei nitrati in falda acquifera con conseguente
inquinamento della stessa.
33
La lana nel comparto ingegneristico per la desolforazione
dei fumi del processo di combustione
La combustione di combustibili fossili è alla base dell’attuale sistema di produzione dell’energia,
una delle maggiori problematiche connesse a tale processo è l’inquinamento prodotto dai fumi
di combustione che devono quindi essere trattati prima della loro emissione in atmosfera. Tra i
principali trattamenti, vi è quello della eliminazione dei composti dello zolfo che ad oggi viene
effettuato per mezzo del calcio contenuto nei calcari. In questa ottica è stato svolto uno studio
[3] dove si propone, come alternativa ai calcari per il processo della desolforazione, l’impiego
della lanolina ottenuta dalla lavorazione della lana.
Questa sostanza mostra un importante contenuto di calcio, di conseguenza, può essere
effettivamente una reale alternativa per la desolforazione dei prodotti della combustione,
potendo quindi ottenere una significativa riduzione degli ossidi di zolfo presenti nei fumi, prima
della loro immissione in atmosfera.
Introduzione
Per desolforazione a secco dei prodotti di combustione originati nei combustori di combustibili
fossili, nella pratica attuale viene impiegato il calcare o i suoi prodotti di conversione, vale a dire
ossido o idrossido di calcio che a temperature di circa 850°C reagiscono con il biossido di zolfo.
Al giorno d’oggi, l’uso di prodotti alternativi al calcare quali quelli contenenti calcio, provenienti
dalla lavorazione di materiali organici, non ha ancora trovato un effettivo impiego.
34
Tra le sostanze alternative, maggiormente promettenti vi è la lanolina, ottenuta dalla
purificazione della lana, che attualmente è per lo più impiegata nell’industria della cosmetica,
nel settore della produzione dell’energia e per la produzione di biogas .
Nella presente ricerca viene proposto un impiego di tale sostanza per la desolforazione dei
prodotti ottenuti dalla combustione in combustori a letto fluidizzato, i cui fumi in uscita
contengono concentrazioni di anidride solforosa compresi tra i 5200 ed i 14400 mg/m3.
Andamento delle emissioni di SO2
Processo della desolforazione
Attualmente il problema della rimozione di ossidi di zolfo dai prodotti della combustione può
essere risolto mediante un processo di rimozione ad umido, secco o semisecco.
35
Il metodo a umido consiste nel lavaggio dei fumi di combustione, contenti ossidi di zolfo, con
una soluzione contenente idrossido di calcio o calcare, mediante la quale, a temperature di
60°C all’interno di torri di assorbimento, si ha la seguente reazione:
• 2CaCO3 + 2SO2 + O2 + 4H2O → 2CaSO4∙2H2O + 2CO2
Le principali problematiche connesse a tale tecnica sono:
• la resistenza alla diffusione in fase liquida del calcare, ovvero la sua velocità di
scioglimento nella soluzione assorbente;
• l’elevato volume di liquido di assorbimento richiesto;
• la riduzione della temperatura a cui devono essere sottoposti i fumi da trattare e che,
successivamente al trattamento, dovranno essere nuovamente riscaldati per
permetterne la dispersione attraverso il camino e quindi in atmosfera.
Il metodo di rimozione a secco permette di rimuovere i composti delle zolfo mediante calcare o
carbonati ad alte temperature. Il calcare, preventivamente macinato, può essere direttamente
immesso nel combustore assieme al carbone e, all’interno del reattore, si sviluppa il suddetto
processo di rimozione.
In particolare la calcinazione del calcare avviene a temperature superiori agli 800°C mentre la
reazione tra CaO e SO2 ha una cinetica interessante nel range di temperature comprese tra i
600°C fino ai 1100°C.
• CaCO3 → CaO + CO2
• CaO + SO2 + 0,5O2 → CaSO4
Per temperature superiori ai 600°C, avviene anche la seguente reazione:
36
• 4CaSO3 → CaSO4 + CaS
In conclusione nel processo di rimozione a secco, a differenza di quello ad umido, si ha la di
rimozione dello zolfo mediante una reazione eterogenea tra il gas e la fase solida dell’elemento
assorbente, da ciò il motivo per cui si parla di rimozione a secco. Dal suddetto processo si
ottiene un materiale di scarto allo stato secco e perciò più facilmente smaltibile rispetto al
residuo fangoso dei sistemi ad umido, per contro l’efficienza di rimozione del sistema a secco è
inferiore rispetto a quella del sistema ad umido. Bisogna poi considerare anche il costo in
termini energetici connesso alla necessità di portare il calcare alle temperature di calcinazione.
Apparato sperimentale
La parte principale della struttura in esame è il reattore, suddiviso in una porzione superiore ed
una inferiore, collegate tra loro mediante un giunto sferico. La parte inferiore del reattore è
stata riempita con pietrisco di quarzo frantumato delle dimensioni di 5‐7 mm. La parte
superiore del reattore è costituita da un tubo.
La struttura consta di una parte esterna del reattore (4) ed una interna (5). All’interno del
reattore vi è un filtro di quarzo (6), il campione (7) e lo strato fluido necessario per ottenere le
condizioni di letto fluido (9). Il gas, in uscita dal reattore, viene convogliato in un dispositivo di
lavaggio (10), quindi in un analizzatore di fumi (11) e successivamente inviato (8) verso la
camera‐fumi. Il reattore è posto all’interno di un forno (3) riscaldato elettricamente mentre la
parte superiore del reattore, che si estende oltre il forno, è riscaldata da una resistenza a
spirale sino alla temperatura di 105°C.
37
Schema dell’apparato sperimentale
Il flusso di gas diretto verso la zona di ingresso (2) al reattore è regolato mediante una valvola
elettrica (1) impiegata per regolare sia il flusso del suddetto gas contenente anidride solforosa,
da sottoporre alla prova di desolforazione, sia il flusso di gas di azoto nel caso di situazioni di
emergenza.
Caratteristiche della lanolina e della lignite
Nella seguente tabella sono riportate le caratteristiche della lanolina impiegata per la
sperimentazione.
Parametro Valore Unità di misura
Contenuto H2O 9,80 % massa
Contenuto ceneri 57,76 % massa
C 13,03 % massa
38
H 3,26 % massa
Potere calorifico 5,8 Mj/kg
Caratteristiche della lanolina di scarto
Dai dati si nota che il contenuto d’acqua della lanolina è molto basso e comparabile con quello
della lignite utilizzata per il processo di combustione mentre il contenuto delle ceneri nei rifiuti
di lanolina è maggiore rispetto a quello del carbone. E’ importante sottolineare l’assenza di
zolfo nella lanolina, ciò significa che il suo impiego non determina un incremento della quantità
di composti di zolfo nei fumi. Si può anche notare come il potere calorifico della lanolina sia
paragonabile a quello della lignite.
Sulle ceneri della lanolina sono poi state condotte analisi a raggi X, i cui risultati sono riportati
nella seguente tabella.
Ossidi Contenuto Unità di misura
Al2O3 1,12 % massa
SiO2 2,03 % massa
SO3 0,38 % massa
CaO 87,72 % massa
Fe2O3 0,54 % massa
K2O 5,53 % massa
Na2O 0,81 % massa
MgO 0,66 % massa
P2O5 0,10 % massa
Distribuzione degli ossidi nelle ceneri di lanolina
39
Tra i dati ottenuti è importante notare la presenza dell’ossido di calcio: l’elemento
fondamentale per il processo di desolforazione. La lanolina è stata anche confrontata,
relativamente al contenuto di ossido di calcio, con due calcari di provenienza dalla Repubblica
Ceca e normalmente impiegati per i processi di desolforazione. Dalla seguente tabella si evince
come il contenuto di ossido di calcio della lanolina sia paragonabile a quello dei due calcari
considerati.
Campione Contenuto di CaCO3 [% in massa] Contenuto di CaO [% in massa]
Lanolina ‐ 50,67
Calcare Čížkovice 73,57 41,20
Calcare Certovy schody 97,72 54,72
Contenuto di ossido di calcio
Per la fase di sperimentazione, relativamente al combustibile da impiegare, è stato preso in
esame il carbone proveniente dalle miniere di Bílina, località della Repubblica Ceca. Tale
carbone mostra un’umidità media del 22% in massa ed un contenuto di ceneri del 15% in
massa. Di seguito è riportata la composizione chimica del combustibile.
Elemento Contenuto [% in massa]
C 48,42
H 5,32
N 0,64
S 1,12
Composizione chimica del carbone impiegato nella sperimentazione
40
Per l’obiettivo della ricerca è importante il contenuto di zolfo del combustibile che sarà causa,
durante il processo di combustione, della formazione di quei composti di zolfo da rimuovere
per mezzo del processo di desolforazione basato sull’uso di lanolina. Di seguito è anche
riportata la composizione delle ceneri del carbone in questione.
Ossidi Contenuto Unità di misura
SiO2 43,87 % massa
Al2O3 34,44 % massa
Fe2O3 6,32 % massa
SO3 4,47 % massa
CaO 4,21 % massa
TiO2 2,09 % massa
MgO 1,67 % massa
Na2O 1,05 % massa
K2O 1,03 % massa
Composizione delle ceneri del carbone
Dalle analisi delle ceneri si evince la predominanza degli ossidi del silicio e alluminio che insieme
a quelli del ferro possono avere effetti negativi sul processo di desolforazione.
Fase di sperimentazione
Per la sperimentazione, alla lanolina sono state aggiunte due differenti quantità di ossido di
calcio pari al 20% in massa per il campione 1 e al 25% in massa per il campione 2. I suddetti
campioni sono stati poi miscelati sia con il calcare proveniente dalla cava di Čertovy schody, sia
con la lignite proveniente dalla zona di Bílina in rapporto di 10:1. Il materiale è stato poi
41
calcinato alla temperatura di 850°C all’interno del forno a muffola e successivamente inserito
nel reattore al quarzo per la fase di sperimentazione. Di seguito sono proposte le caratteristiche
dei campioni impiegati per la prova di desolforazione.
Campione Quantità di CaO aggiunta [%
in massa]
Contenuto di Ca [% in
massa]
Contenuto di CaO [% in
massa]
1 lanolina + 20% 46,0 64,4
2 lanolina + 25% 45,7 64,0
Composizione dei campioni di lanolina inseriti nel reattore di sperimentazione
La fase di sperimentazione ha avuto luogo nel reattore dove, alla temperatura di 850°C, è stato
inserito il gas da purificare. Di seguito sono definite le condizioni sotto le quali è avvenuta la
prova di desolforazione.
Parametri Valore Unità di misura
Temperatura reattore 850 °C
Portata gas di prova 0,06 m3/ora
Pressione gas di prova 101325 Pa
Temperatura gas di prova 25 °C
Contenuto SO2 del gas di prova 8340 mg/m3
Condizioni di prova
Il gas in uscita dal reattore di desolforazione è stato raffreddato ed analizzato in continuo
mediante il Servomex Xentra 4900: un rivelatore a raggi infrarossi che permette la
determinazione del contenuto di biossido di zolfo all’interno del gas. La rilevazione della
42
concentrazione di SO2 è stata effettuata sia per il gas da purificare in ingresso al reattore, sia
per il gas purificato in uscita dal reattore.
Risultati
I risultati della prova di desolforazione hanno permesso di confrontare l’efficacia di
desolforazione della lanolina rispetto a quella dei calcari di Čertovy schody. Di seguito sono
proposte le curve di assorbimento in funzione del flusso di massa di biossido di zolfo entrante
nel reattore e della concentrazione di SO2 presente nei fumi in uscita. Il limite di emissione
considerato è di 400 mg/m3 (linea gialla) mentre la concentrazione di SO2 in ingresso è di 8340
mg/m3 (linea verde).
Confronto della capacità di rimozione dell’ SO2
Dai risultati si evince quindi che è possibile sia la sostituzione del calcare con la lanolina, sia la
sua integrazione col calcare nell’ambito del processo di desolforazione, soprattutto se
43
consideriamo che il contenuto di CaO nella lanolina è superiore a quello dei calcari di Čížkovice
e simile a quello di Čertovy schody.
Osservazioni conclusive
Dallo studio effettuato è evidente che l'uso della lanolina ottenuta, come scarto della
purificazione della lana, è tecnicamente possibile nel settore della desolforazione dei fumi
prodotti dalla combustione in letto fluido. La lanolina, oltre ad essere paragonabile ai calcari
relativamente al contenuto di ossido di calcio: elemento base per la desolforazione, ha anche
un contenuto energetico paragonabile alla lignite, ovvero il carbone normalmente impiegato in
questi processi di combustione. Ciò vuol dire che assolve ad un doppio compito: oltre alla
pulizia dei fumi è in grado di contribuire attivamente al processo di combustione.
Se quindi da un lato il potenziale della lanolina è evidente, bisogna però sottolineare che
l’impiego a livello industriale della stessa, necessita di ulteriori studi, in particolar modo
relativamente alla possibile presenza di sostanze indesiderate come i metalli pesanti.
44
La lana nel comparto ingegneristico nella realizzazione
di compositi per l’edilizia
L’industria dell’edilizia è uno dei settori di maggiore impatto dal punto di vista ambientale in
termini sia di consumo di risorse energetiche sia di impiego di materiali non ecologici ed
inquinanti. Da questo punto di vista è stato effettuato uno studio [5] sull’impiego delle fibre di
lana per la realizzazione di materiali compositi sostenibili e non tossici in ambito edilizio.
Introduzione
Uno degli obiettivi dell’umanità è quello di dirigersi verso uno sviluppo di tipo sostenibile e
quindi verso una riduzione del consumo di risorse non rinnovabili, cercando di preservare
l’ambiente e riducendo al minimo l’impatto che su di esso hanno le attività di natura antropica.
Tra queste attività di maggior impatto ricade il settore dell’edilizia ed in particolar modo quello
relativo alla realizzazione di materiale da costruzione. In questo ambito è stato svolto uno
studio relativamente alla possibilità di impiegare materiali, quali polimeri e fibre naturali,
ecologici e non tossici per la stabilizzazione di compositi a base di terre. Attualmente, a livello
industriale, il processo di stabilizzazione, il cui obiettivo è quello di migliorare la resistenza e le
prestazioni meccaniche del composito, è ancora in gran parte effettuato impiegando prodotti
artificiali quali cemento e calce.
Obiettivi della ricerca
Lo studio proposto ha come obiettivo quello di valutare le caratteristiche di elementi compositi
da ottenere impiegando materiali di uso tradizionale nell’ambito dell’edilizia e materiali di
45
carattere innovativo. In particolare la ricerca si basa sullo studio delle proprietà di compositi a
base di argilla con aggiunta di alginati, polimeri naturali provenienti dalle alghe, come leganti e
l’uso di fibre di lana per il miglioramento della resistenza a compressione ed una maggiore
protezione dal fenomeno di erosione delle acque. E’ da sottolineare che la presenza di acqua è
comunque un problema significativo per il composito in esame in quanto è a base di argilla,
quindi il suo impiego è sconsigliato per climi umidi.
Materiali
I materiali presi in esame nella presente ricerca, per la realizzazione del composito sono tre:
• la miscela di terre, che costituisce l’elemento base del composito;
• le fibre di lana;
• gli alginati.
Miscela di terre a base del composito
Ogni terreno è una miscela di particelle solide, sostanzialmente minerali, aria e acqua ed è
caratterizzato da parametri definiti dai limiti di Atterberg, dal contenuto in argilla e dalle analisi
chimiche. Il terreno oggetto di studio è fornito dalla Brick Company Errol (sede a Perth, Scozia,
UK).
Elemento Contenuto [%]
SiO2 54,70
TiO2 0,97
Al2O3 19,70
46
Fe2O3 8,63
CaO 0,93
MgO 3,55
K2O 3,90
Na2O 1,78
Pe2O5 0,17
Cr2O3 0,02
Mn3O4 0,12
ZrO2 0,03
ZnO 0,03
Ossido di Bario 0,08
Perdita alla combustione a 1025°C 5,04
Composizione della terra a campione essiccato a 110°C
Tipo di terra Quantità [%]
Sabbia 22,50
Limo 45,00
Argilla 32,00
Classificazione: Argilla
Distribuzione delle terre nella miscela
47
Caratteristiche chimico/fisiche Valore Unità di misura
Limite liquido 34,8 %
Limite plastico 19,1 %
Plasticità 15,7 %
Contenuto di materiale organico 0 %
Contenuto di sali solubili 0,43 %
Contenuto di solfato solubile (SO3) 0 %
Contenuto di calce (CaSO4*2H2O) 0 %
pH 8,0 ‐
Contenuto di carbonato (CaCO3) 12,4 %
Contenuto di cloruro solubile (Cl‐) 0,027 %
Conduttività elettrica 554,00 μS/cm
Solidi totali disciolti 355,00 mg/l
Caratteristiche chimico‐fisiche della miscela di terre
Fibre naturali
Per la realizzazione dei compositi, nel settore edilizio, è sempre più forte la spinta verso
l’impiego di fibre naturali quali la juta, il cotone e la sisal e quelle ottenute dalla pianta del
cocco, della palma o da altre colture. L’aggiunta di fibre di cocco e sisal hanno mostrato un
miglioramento nel comportamento del composito in termini di riduzione delle incrinature e
maggiore duttilità. L’uso della paglia riduce l’entità del ritiro nel composito appena realizzato e
il tempo di indurimento. Ne migliora la resistenza a compressione e permette un’omogenea
essiccazione del materiale. Si può quindi dedurre come attualmente la letteratura sia
principalmente concentrata verso l’uso di fibre naturali di provenienza vegetale nell’ambito
48
della realizzazione di compositi per il settore edilizio, ciò è dovuto essenzialmente al fatto che le
fibre proteiche di origine animale mostrano una scarsa resistenza agli alcali e questo è un
problema nel caso di impiego del cemento ovvero uno dei principali elementi impiegati nel
comparto delle costruzioni. Relativamente all’impiego di fibre proteiche, a base di cheratina, vi
sono studi sulle fibre ottenute dalle piume di animali del comparto avicolo che mostrano una
buona resilienza ed elasticità, oltre ad un migliore comportamento nei confronti dell’umidità
rispetto alle fibre di provenienza vegetale.
Per la ricerca in esame sono state impiegate le fibre di lana in un composito a base di argilla. I
campioni sono stati realizzati con differenti quantitativi dei vari elementi, in particolare con
l’aggiunta dello 0,25% e dello 0,5% di fibre di lana sul peso complessivo. La lana impiegata è di
appartenenza del settore ovino scozzese e non è stata sottoposta ad alcun tipo di trattamento
di pulizia, in particolare non contiene sostanze quali detergenti, resine, oli o alcun altro tipo di
additivo.
Nella realizzazione del campione di composito, al fine di migliorarne la lavorabilità, è stata
aggiunta una resina: il lignum, ottenuta dalla corteccia dell’albero appartenente al genere
Guaiacum.
Alginati
Per la realizzazione dei provini è stato impiegato l’alginato di sodio: C5H7O4COONa, un polimero
biologico che si ottiene dalle pareti cellulari delle alghe brune e il cui compito è quello di
impedire l’essiccazione dell’organismo vegetale mantenendone l’integrità cellulare e fornendo
resistenza meccanica alla struttura dell’alga. Gli alginati sono utilizzati per una vasta gamma di
applicazioni, in particolare nell'industria alimentare e nel settore industriale e medico‐
49
farmaceutico, ciò è dovuto alla loro importante capacità di trattenere l’acqua e di elemento
stabilizzante. In ambito edilizio tale sostanza è stata utilizzata per realizzare materiali da
costruzione, con ottimi risultati nell'idratazione del cemento. L’alginato utilizzato per questa
ricerca è stato fornito dalla FMC BioPolymer (Girvan, UK).
Preparazione dei campioni e delle procedure di analisi
La preparazione dei campioni è stata eseguita facendo riferimento alle norme UNE‐EN 196‐1
del 2005, UNE‐EN 1015‐2 e UNE‐EN 12190 del 1998. In base a questi standard è stato usato, per
preparare il materiale, un agitatore meccanico a 5 litri. Il contenuto di umidità ottimale per la
miscela di terra è stato determinato sperimentalmente utilizzando il Proctor test. La miscela
ottenuta presenta una consistenza molto secca e risulta di difficile lavorabilità in conseguenza
dell’elevato indice di plasticità del terreno considerato per la ricerca.
Mediante stampi in acciaio sono stati ottenuti campioni con forma prismatica e dimensioni 40
mm x 40 mm x 160 mm. La colata della miscela e la sua deposizione sono state eseguite
secondo le norme e successivamente è stata effettuata una compattazione meccanica. Tutti i
campioni sono poi stati posti in un forno a 50°C per una periodo di 24 ore.
Per verificare l'influenza dell’aggiunta degli alginati e delle fibre di lana, sono state considerate
5 miscele con diverse proporzioni tra gli elementi costituenti, tali campioni sono stati nominati
ed elencati. Per ciascuna miscela considerata (da 01Errol a 05Errol) sono stati realizzati 7
esemplari. Di seguito è proposta la composizione delle 5 miscele.
50
Campione
Contenuto di
terreno ERROL
[%]
Contenuto di
alginati [%]
Contenuto di
lignum [%]
Contenuto di
fibre di lana
[%]
Contenuto
d’acqua [%]
01ERROL 80 ‐ 0,5 ‐ 19,5
02ERROL 79,5 19,75 0,5 ‐ 0,25
03ERROL 79,5 ‐ 0,5 0,25 19,75
04ERROL 79 19,5 0,5 0,5 0,5
05ERROL 79,5 19,5 0,5 0,25 0,25
Composizione dei campioni di composito
I test a cui sono stati sottoposti i campioni hanno come obiettivo quello di definire le proprietà
meccaniche dei provini di composito e sono:
• test per la determinazione della densità;
• test per la determinazione della resistenza a flessione;
• test per la determinazione della resistenza a compressione.
La resistenza a flessione è stata ottenuta secondo le specifiche della norma EN 83‐821‐925
mentre la resistenza a compressione è stata determinata in entrambe le metà del provino
prismatico, dopo la rottura a flessione, in conformità sempre alla EN 83‐821‐925.
La prova è stata eseguita impiegando l’MCO‐30/139 tester, riportato in figura, applicando,
secondo le procedure standard, un carico fino a 10 MPa ± 1,0% con una velocità di carico pari a
0,5 MPa/s.
51
MCO‐30/139 tester per le prove di resistenza
Risultati
Nella seguente tabella sono riportati i risultati ottenuti dalle prove di compressione e flessione.
Ogni valore rappresenta la media dei valori di campioni aventi stessa composizione.
Campione Densità
[g/cm3]
Resistenza a compressione
[MPa]
Resistenza a flessione
[MPa]
01ERROL 1,82 2,23 1,12
02ERROL 1,84 3,77 1,06
03ERROL 1,80 3,05 1,10
04ERROL 1,79 4,37 1,05
05ERROL 1,79 4,44 1,45
Risultati delle prove sui campioni di composito
Dall’analisi dei campioni sottoposti a prova si è potuto notare che uno degli effetti significativi
della inclusione di fibre naturali nella matrice del terreno è stata la prevenzione del fenomeno
52
di restringimento delle crepe dovute il processo di essiccazione. Nel caso di composito senza
fibre di lana, il suddetto fenomeno avveniva velocemente e quasi senza preavviso. Al contrario,
nel caso di materiale composito con presenza di fibre di lana, dopo il raggiungimento del carico
massimo, nei campioni deformati erano visibili, sulla superficie, solo piccole e sottili crepe.
Nelle seguenti figure sono riportate le curve sforzo‐deformazione per i diversi e numerosi
provini analizzati, ricadenti tutti in una delle 5 tipologie di composito Errol (da 01Errol a 05
Errol). L’impiego di più provini ha permesso di valutare la bontà delle prove realizzate. Dai
seguenti grafici infatti si evince l’omogeneità di comportamento per provini appartenenti alla
stessa tipologia di composito.
Di seguito sono proposti i risultati grafici dell’andamento della curva sforzo‐deformazione per la
prova di flessione.
Prova di resistenza a flessione per i provini del campione 01Errol
53
Prova di resistenza a flessione per i provini del campione 02Errol
Prova di resistenza a flessione per i provini del campione 03Errol
54
Prova di resistenza a flessione per i provini del campione 04Errol
Prova di resistenza a flessione per i provini del campione 05Errol
55
Di seguito sono proposti i risultati grafici dell’andamento della curva sforzo‐deformazione per la
prova di compressione.
Prova di resistenza a compressione per i provini del campione 01Errol
56
Prova di resistenza a compressione per i provini del campione 02Errol
Prova di resistenza a compressione per i provini del campione 03Errol
57
Prova di resistenza a compressione per i provini del campione 04Errol
Prova di resistenza a compressione per i provini del campione 05Errol
58
Dall’analisi delle curve sforzo‐deformazione si evince che l'aggiunta di fibre di lana, assieme alla
stabilizzazione indotta dall’alginato, determina un aumento della pendenza delle suddette
curve e quindi del valore del modulo di Young.
Il rapporto tra sforzo e deformazione rimane lineare in tutte le prove fino al raggiungimento del
carico massimo. Relativamente ai campioni di terreno Errol, senza aggiunta, né di fibre né di
alginato, si verifica il collasso immediatamente dopo il raggiungimento del carico massimo.
Dalle prove realizzate su compositi contenenti fibre si può notare come ci sia una ridistribuzione
di forze interne sulle fibre di lana che quindi fungono da rinforzo per la matrice del composito.
Durante le prove, si è anche potuto notare che, una volta raggiunto il carico di rottura, i
campioni di composito contenenti fibre non si sono disintegrati al contrario dei compositi senza
fibre.
Relativamente alla densità, si nota che il composito costituito solamente dalla miscela di terre
mostra una densità maggiore rispetto ai campioni contenenti alginato e fibre di lana, la
presenza dei quali determina una riduzione, ma non significativa, della densità.
I test hanno dimostrato che l'aggiunta di alginato aumenta la resistenza a compressione di
quasi il 70% mentre l’aggiunta di fibre di lana, senza alginato, determina un minore aumento
della resistenza a compressione, pari a circa il 37%. Ciò può essere imputabile alla difficile
lavorabilità delle fibre di lana. E’ invece di rilevante importanza notare come l’aggiunta
combinata delle fibre e dell’alginato contribuiscano a migliorare la resistenza a compressione
del 100% rispetto a quella di un composito di sole terre.
59
Dalle analisi effettuate si evince che i migliori risultati, in termini di resistenza a compressione,
si ottengono con l’impiego di un basso quantitativo di fibre di lana: pari allo 0,25% in peso. Nel
caso della prova di flessione si può notare come la presenza delle fibre di lana e dell’alginato
influiscano sul valore di resistenza a flessione migliorandolo ma in maniera meno incisiva
rispetto al caso della compressione
Osservazioni conclusive
Dalla ricerca effettuata si può quindi dedurre che è possibile stabilizzare terre con polimeri e
fibre naturali ottenendo un composito con proprietà meccaniche adatte all’impiego in ambito
edilizio, realizzato con l’impiego di elementi ecologici e non tossici.
L’esperienza presa in esame è consistita nello studio di un composito a base di argilla per la
realizzazione di mattoni da costruzione. Come legante del composito è stato impiegato
l’alginato, ovvero un polimero naturale ottenuto dalla parte cellulare di alghe brune, mentre
per il rinforzo è stata utilizzata lana di pecora. Dai risultati ottenuti è stato dimostrato che
l’impiego di alginato e fibre di lana permette un significativo miglioramento delle proprietà
meccaniche del composito, soprattutto per quanto riguarda la resistenza a compressione. In
particolar modo la stabilizzazione del composito dipende dalla combinazione tra le quantità
dell’alginato e della fibra di lana, in particolare la migliori caratteristiche meccaniche si sono
riscontrate per una percentuale di fibra contenuta pari allo 0,25%. La presenza dei due
stabilizzatori ha permesso un incremento della resistenza a compressione sino al valore di 4,44
MPa ovvero doppio rispetto a quello del composito senza aggiunte.
Le potenzialità dell’alginato, nella stabilizzazione di compositi costituiti da terre, sono notevoli
comparate a quelle della calce e cemento. Considerando anche il fatto che la disponibilità di
60
alghe e quindi di alginato è enorme, vi è la reale possibilità di una sua convenienza d’impiego
nel campo delle costruzioni per quanto riguarda la stabilizzazione dei compositi a base di terre,
andando in tal modo a sostituire il cemento e proponendo quindi uno sviluppo più sostenibile
del settore edilizio.
Le fibre di lana impiegate per lo studio hanno una lunghezza di 10 mm e sono state introdotte
nella matrice del composito in maniera casuale. Su questo aspetto può essere estremamente
interessante valutare le proprietà meccaniche del materiale in relazione a differenti lunghezze
delle fibre e ad orientamenti controllati.
Ulteriori campi di ricerca dovrebbero riguardare anche il legame tra le fibre di lana e la matrice
del composito, a livello di microstruttura, per determinare i fattori che influenzano tali legami.
Futuri ambiti di ricerca possono inoltre riguardare la conducibilità termica, la permeabilità
all’aria ed il comportamento in differenti condizioni di umidità.
61
La lana nel comparto ingegneristico per la produzione di
materiali isolanti per l’edilizia
Al giorno d’oggi per una corretta valutazione della sostenibilità ed efficienza energetica degli
edifici, oltre allo spessore dello strato di materiale usato per l’isolamento termico e alla
domanda di riscaldamento, è necessario considerare la domanda di energia primaria
complessiva richiesta dall’edificio, l’impatto della struttura e dei suoi consumi in termini di
emissioni di CO2 e le proprietà ecologiche e non tossiche dei materiali da costruzione. Tali
aspetti, necessari per la realizzazione di un edificio sostenibile, stanno generando nel settore
dell’edilizia una crescente domanda di materiali da costruzione isolanti a basso impatto
ambientale, ottenibili da risorse rinnovabili. Tuttavia attualmente sono ancora in prevalenza
utilizzati i tradizionali materiali caratterizzati da un maggior impatto ambientale.
Uno dei maggiori problemi che ostacola l’uso di materiali innovativi, ambientalmente
sostenibili, è la diffidenza dei maggiori costruttori verso la reale efficacia delle prestazioni dei
suddetti materiali e ciò rende difficile il reperimento di risorse necessarie per poter effettuare
studi e ricerche in tale ambito.
Lo studio proposto rappresenta un progetto comune tra l’University of Technology di Brno e
l’University of Technology di Vienna per la realizzazione di un materiale a base di lana di pecora
e dotato delle proprietà di isolante sia termico che acustico. Nella ricerca vengono proposte le
modalità costruttive del materiale in esame che è stato anche testato per ottenere valutazioni
in merito alla capacità di durata nel tempo.
62
Introduzione
Nell’approccio alla progettazione energeticamente efficiente e sostenibile non si ha come unico
obiettivo solo quello di realizzare un minor consumo energetico, ma anche quello di applicare
dei materiali da costruzione ecologici e locali, con il vantaggio di ridurre in tal modo i costi
connessi al trasporto e quindi i costi per la realizzazione dell’opera.
Nella Direttiva del Parlamento e del Consiglio europeo 2010/31/EU DIRETTIVA del 19 maggio
2010 relativa al rendimento energetico degli edifici viene affermato che l'attestato di
certificazione energetica deve fornire informazioni riguardanti:
• l'incidenza effettiva degli impianti di riscaldamento e raffreddamento sul fabbisogno
energetico dell'edificio;
• l’entità del consumo di energia primaria da parte dell’edificio;
• l’emissione di anidride carbonica connessa alla gestione dell’edificio.
Tra le più diffuse certificazioni ambientali vi sono la BREEAM, LEED, DGNB, e Mark Green, per
poterle ottenere i costruttori stanno puntando sulla realizzazione di costruzioni a bassa
richiesta di energia primaria e a bassa emissione di CO2. E’ poi da sottolineare che uno dei
requisiti necessari richiesti dalle certificazioni sopraelencate è l'ecologia dei materiali da
costruzione, in tale ambito l’uso di materiali con fibre di lana di pecora soddisfa pienamente il
suddetto requisito.
Le ricerche relative alla sostenibilità dei manufatti edilizi puntano non solo sul risparmio
energetico ma anche su altri aspetti di non secondaria importanza quali:
63
• l’isolamento acustico delle strutture per prevenire l’inquinamento acustico degli
ambienti interni;
• il controllo dell’umidità all’interno degli spazi abitativi attraverso l’uso di materiali
organici che hanno la capacità di essere permeabili al vapore acqueo e di assorbire
l’umidità contenuta nell’aria ed in particolare sono in grado di assorbire, all’interno del
loro sistema poroso, l’umidità quando è in eccesso nell’aria circostante e di rilasciarla
quando l’ambiente è secco, potendo quindi regolarne il contenuto negli ambienti abitati
con notevoli vantaggi per la salute ed il benessere delle persone.
Ovviamente devono essere condotte sperimentazioni in tal senso, soprattutto per valutare la
durata di vita utile di tali materiali e l’eventuale decadimento delle loro proprietà con il passare
del tempo.
Tra i possibili materiali ecologici, provenienti da risorse rinnovabili, vi sono quelli da fonti
agricole quali la iuta, il lino e la canapa. E’ di altrettanto interesse l’impiego delle fibre di lana
data la loro importante capacità in ambito di isolamento termico e la loro possibilità di
intervenire efficacemente anche in ambito di isolamento acustico.
La ricerca in esame si è quindi concentrata sullo studio delle caratteristiche della lana di pecora
come elemento isolante da poter impiegare in ambito edilizio, ponendo l’attenzione anche sul
suo comportamento al variare delle condizioni al contorno, prima fra tutte l’umidità.
Fibre di lana di pecora
La lana di pecora è un materiale facilmente rinnovabile e riciclabile ed è costituita per circa il
60% da fibre di proteine animali, per il 15% da umidità, per il 10% da grasso, per il 10% da
64
prodotti contenuti nella sudorazione delle pecore e per il rimanente 5% da impurità. I vantaggi
della lana sono:
• la facilità di pulizia, la rinnovabilità della fonte, la riciclabilità del prodotto ed il suo
aspetto ecologico;
• la facilità di gestione e lavorazione del prodotto senza rischi per la salute umana;
• la sua caratteristica di non infiammabilità;
• il suo elevato valore igroscopico.
Applicazione della lana di pecora nelle opere di edilizia
L'uso di lana come elemento di isolamento termico isolamento è interessante soprattutto in
relazione al suo aspetto ecologico e sanitario. Di seguito è proposto un confronto tra gli impatti
ambientali di diversi materiali isolanti, in base alla loro capacità di contribuzione nella
produzione del gas serra CO2.
65
GWP di differenti materiali di uso tradizionale per l’isolamento termico
Preparazione dei campioni e definizione delle analisi
Nella conduzione delle analisi si è posta particolare attenzione al comportamento delle fibre di
lana al variare delle condizioni ambientali, in modo da poter correlare la variazione della loro
capacità di isolamento con le condizioni al contorno.
Le indagini effettuate in laboratorio hanno avuto come obiettivo quello di determinare:
• le caratteristiche in termini di peso, dimensioni lineari, spessore e densità;
• le proprietà acustiche mediante il coefficiente di assorbimento acustico;
• le proprietà termiche mediante la conducibilità termica.
In particolar modo, per la caratterizzazione della lana in termini di isolante termico, si è posta
l’attenzione sui seguenti aspetti:
• dipendenza della conducibilità termica dalla temperatura;
• dipendenza della conducibilità termica dal contenuto di umidità;
• dipendenza della conducibilità termica dalla densità;
66
• dipendenza della conducibilità termica dallo spessore.
Determinazione delle dimensioni lineari, dello spessore e della densità
La determinazione delle dimensioni lineari e dello spessore sono state effettuate in conformità
alle norme EN 822, EN 823 ed EN 12085. La densità è stata determinata come proporzione tra
peso e volume del campione di prova secondo la EN 1602. I test sono stati condotti secondo i
seguenti passaggi:
1. determinazione delle dimensioni lineari in accordo con le norme;
2. determinazione del peso mediante bilance con precisione dello 0,5%;
3. determinazione della densità come rapporto della massa sul volume del campione.
Determinazione del coefficiente di assorbimento acustico
Il coefficiente di assorbimento acustico è stato stabilito in conformità alla norma EN ISO 10534‐
1 ed è stato ottenuto producendo onde stazionarie in un tubo contenente il campione circolare
collegato all'estremità del tubo. Le misure di laboratorio sono state effettuate ad una
temperatura di 20 ± 2°C e con una pressione di 101,3 ± 2,7 kPa, impiegando frequenza
comprese nell’intervallo tra i 100 Hz e i 3150 Hz. I risultati ottenuti sono stati poi elaborati
secondo la EN ISO 11654.
Le misurazioni sono state realizzate mediante il Kunte’s Tube, riportato in figura, e costituito da
un generatore (1) per sviluppare la frequenza desiderata, un analizzatore (2), il tubo (3), un
porta‐campioni (4), una sonda (5), un microfono (6), un altoparlante (7), il campione (8), un
pistone (9) ed un cuscino d’aria (10).
67
Kunte’s Tube
Determinazione della rigidità dinamica
Rigidità dinamica è stata determinata in laboratorio usando il metodo di risonanza secondo la
norma EN 29052‐1. L'essenza del metodo consiste nello stabilizzare la frequenza base di
risonanza del sistema meccanico costituito dal campione di forma planare, con dimensioni di
200 mm x 200 mm, e una piastra di carico metallica. Durante la prova le vibrazioni sono
sviluppate in direzione verticale, perpendicolari al piano contenente il campione.
La frequenza di risonanza è stata identificata aumentando gradualmente la frequenza del
generatore di vibrazioni. Le misurazioni sono state eseguite tre volte per ogni campione e da
esse si è potuto ottenere la rigidità dinamica del suddetto campione. Lo strumento,riportato in
figura, impiegato per effettuare le misurazioni è costituito da una piastra di calcestruzzo (1) e
un piatto di acciaio (3) collegato ad un sensore (6) per rilevare le vibrazioni, il campione (2) è
inserito tra la piastra ed il piatto. Lo strumento è completato da un elemento (6) con un
magnete permanente ed una vite regolatrice e da un generatore (4) di vibrazioni.
68
Strumento per la misurazione della rigidità dinamica
Determinazione della conducibilità termica
La conducibilità termica λ [W/m K] è stata determinata con riferimento alla norma ISO 8301. Il
campione utilizzato ha dimensioni di 300 mm x 300 mm e lo strumento impiegato per le
misurazioni, mostrato nella seguente figura, è il dispositivo Lambda 2.300 della Holometrix
Micromet Inc., USA. Il coefficiente di conducibilità termica è stato determinato in funzione dei
seguenti parametri:
• temperatura: a 10°C, a 20°C, a 30°C e a 40°C;
• contenuto di umidità: nelle condizioni di idratazione normale del campione, nello stato
secco essiccato a 95°C e nello stato inumidito;
• densità di massa.
69
Dispositivo Lambda 2.300 per la determinazione della conducibilità termica
Risultati della sperimentazione
I risultati della sperimentazione hanno interessato la determinazione delle:
• dimensioni lineari, spessore e densità di massa del campione;
• coefficiente di assorbimento acustico;
• rigidità dinamica;
• conducibilità termica;
• caratteristiche igrotermiche del materiale.
Valutazione delle dimensioni lineari, dello spessore e della densità del campione
Lo spessore dei campioni è stato determinato sulla base la procedura citata nella EN 823. Le
misurazioni sono state effettuate relativamente a 5 pannelli di dimensione 300 mm x 300 mm
sotto una pressione nominale di 50 Pa e per ciascun campione sono stati determinati 4 valori di
spessore. La densità è stata determinata in accordo alla norma EN 1602. I risultati sono riportati
70
nella seguente tabella. Lo spessore medio risultante è di 80 mm mentre la densità si è attesta
attorno a valori di 20 kg/m3.
Campione Spessore [mm] Densità [kg/m3]
1 80,026 19,16
2 80,104 20,83
3 79,877 19,97
4 80,042 19,72
5 80,151 20,51
media 80,040 20,04
Risultati dello spessore e densità dei campioni di lana
Valutazione del coefficiente di assorbimento acustico
Il coefficiente di assorbimento acustico è stato determinato in laboratorio relativamente a
frequenze comprese tra i 100 e i 3150 Hz, utilizzando un interferometro acustico, il tubo di
Kunte, su provini circolari ed è stata studiata anche la dipendenza del coefficiente di
assorbimento acustico in funzione dello spessore del materiale.
Per la misurazione sono stati selezionati 4 campioni con spessori: 20, 30, 40 e 60 mm. Come è
evidente dai risultati riportati nella seguente tabella e figura, i maggiori valori di assorbimento
si hanno alle frequenze maggiori e, per ogni frequenza, si ha un assorbimento acustico
crescente con l’incremento dello spessore del campione.
71
Frequenza [Hz]Coefficiente di assorbimento
20 mm 30 mm 40 mm 60 mm
100 0,082 0,102 0,090 0,119
125 0,122 0,158 0,144 0,166
160 0,077 0,113 0,137 0,120
200 0,181 0,194 0,196 0,230
250 0,117 0,141 0,210 0,285
315 0,179 0,215 0,228 0,370
400 0,144 0,181 0,331 0,465
500 0,177 0,217 0,392 0,572
630 0,242 0,255 0,499 0,673
800 0,281 0,306 0,602 0,808
1000 0,331 0,415 0,732 0,916
1250 0,355 0,460 0,866 0,978
1600 0,521 0,575 0,916 0,995
2000 0,544 0,675 0,966 0,980
2500 0,601 0,718 0,968 0,966
3150 0,911 0,914 0,938 0,977
Andamento del coefficiente di assorbimento acustico per differenti spessori e frequenze
72
Grafico dell’andamento del coefficiente di assorbimento acustico per differenti spessori e frequenze
Valutazione della rigidità dinamica
La rigidità dinamica è stata determinata utilizzando il metodo della risonanza in conformità con
la ISO 9052. Le dimensioni dei campioni di lana sono di 200 mm x 200 mm ed hanno uno
spessore variabile da 40 a 175 mm. A causa della deformazione dei campioni dopo la prova,
sono stati registrati i valori dello spessore prima dell’applicazione del carico e a carico
applicato. La seguente tabella riassume i valori di rigidità dinamica misurati nelle condizioni di
carico e scarico.
Campione Spessore prima dell’applicazione
del carico [mm]
Spessore a carico
applicato [mm]
Rigidità dinamica
[MPa/m]
1 39,5 9,8 15,81
2 77,7 26,61 6,67
3 106,78 34,43 5,09
4 146,73 44,86 3,89
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Ccoe
fficiente di assorbimen
to acustico
Hz
20 mm
30 mm
40 mm
60 mm
73
5 175,2 53,9 3,29
Risultati della rigidità dinamica dei campioni di lana
Dalla seguente figura si evince come la rigidità dinamica si riduca con l’aumentare dello
spessore.
Andamento della rigidità dinamica con lo spessore
Valutazione della conducibilità termica
Il coefficiente di conducibilità termica è stato determinato utilizzando il dispositivo 2300
Lambda, i campioni esaminati sono costituiti da uno strato di lana e conservati in laboratorio ad
una temperatura di 23 ± 2°C ed un’umidità relativa del 50 ± 3%. I campioni analizzati hanno
dimensioni di 300 mm x 300 mm ed i coefficienti di conducibilità termica sono stati determinati
per 4 differenti temperature medie: 10°C, 20°C, 30°C e 40°C. Il gradiente di temperatura per
tutti i casi esaminati è pari a 10 K. Le analisi sono state condotte per diversi valori di spessore: a
40mm, 50mm, 60mm,70mm e 80mm e quindi diversi valori di densità. Di seguito sono riportati
in tabella i risultati ottenuti.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 10 20 30 40 50 60
Rigidità dinam
ica [M
Pa/m
]
Spessore [mm]
74
N°campione Spessore
[mm]
Densità
[kg/m3]
Conducibilità
[W/mK]
Temperatura media
[°C]
1 40 40 0,034
10
2 50 32 0,035
3 60 27 0,037
4 70 23 0,038
5 80 20 0,040
1 40 40 0,036
20
2 50 32 0,038
3 60 27 0,040
4 70 23 0,042
5 80 20 0,044
1 40 40 0,038
30
2 50 32 0,040
3 60 27 0,042
4 70 23 0,045
5 80 20 0,048
1 40 40 0,039
40
2 50 32 0,041
3 60 27 0,043
4 70 23 0,046
5 80 20 0,050
Influenza della densità e spessore del materiale e della temperatura sulla conducibilità termica
75
Di seguito sono proposti gli andamenti del coefficiente di conducibilità termica, per i dati
spessori, in relazione alla temperatura media considerata e del coefficiente, per le date
temperature media, in relazione alla densità.
Variazione del coefficiente conducibilità termica con la temperatura media
Variazione del coefficiente conducibilità termica con la densità
0,03
0,035
0,04
0,045
0,05
0,055
10 15 20 25 30 35 40
Coeff.cond
ucibilità te
rmica [W
/mk]
T media [°C]
40 mm
50 mm
60 mm
70 mm
80 mm
0,03
0,035
0,04
0,045
0,05
0,055
20 25 30 35 40
Coef.con
ducibilà te
rmica [W
/mk]
Densità [kg/mc]
10°C
20°C
30°C
40°C
76
Dalle analisi si evince che un incremento della densità genera una riduzione del coefficiente di
conducibilità termica mentre un aumento della temperatura media determina un incremento
del suddetto coefficiente. E’ importante sottolineare come ad un incremento della temperatura
media da 10°C a 40°C corrisponda un incremento maggiore della conducibilità termica nel caso
del campione a minore densità, pari al 25%, rispetto all’aumento del coefficiente, di circa il
16%, nel caso del provino a maggiore densità.
Il fatto che il maggiore incremento sia stato misurato per il campione con la minore densità di
massa è dovuto alla maggiore porosità che lo caratterizza rispetto ai campioni con maggiore
densità, infatti l’intensità del flusso d'aria incrementa all’aumentare della porosità ovvero al
ridursi della densità.
Valutazione delle caratteristiche igrotermiche
Una delle proprietà fondamentali della lana di pecora è la sua elevata igroscopicità che può
giungere fino al 30% in condizioni normali, la lana è in grado di assorbire grandi quantità di
acqua e vapore acqueo senza significative variazioni sia termiche che delle proprietà fisiche.
I campioni di lana, prima di essere sottoposti alla misurazione della loro conducibilità termica,
sono stati essiccati in forno a 105°C e successivamente condizionati a 23°C in aree con umidità
relativa compresa tra il 15 e il 95%. Dopo la suddetta fase di stabilizzazione è stata effettuata la
misurazione della conducibilità termica.
Le misurazioni sono state effettuate, a varie temperature medie, per campioni con uno
spessore di 80 mm ed i risultati sono riportati nella seguente tabella.
77
Conducibilità [W/mK] Umidità [%]
0,036 0
0,041 20
0,047 30
0,070 52
0,081 70
Valori coefficiente di conduzione termica al variare dell’umidità per un campione di spessore pari a 80 mm
Dalla seguente figura si evince chiaramente che fino al 20% di umidità, l’incremento di peso
causato dal contenuto d’acqua non influisce significativamente sul coefficiente di conducibilità
termica, al contrario per valori di contenuto d’acqua superiori al 20%, si ha un rilevante
aumento del suddetto coefficiente.
Andamento del coefficiente di conducibilità termica al variare dell’umidità del campione
Le misurazioni effettuate sono state impiegate anche per definire, come riportato nella
seguente figura, l’isoterma di assorbimento del campione di lana a 23°C.
78
Isoterma di assorbimento per il campione di lana a 23°C
Osservazioni conclusive
Gli attuali obiettivi di sviluppo e le relative strategie politiche sono incentrati verso la
realizzazione di uno sviluppo di tipo sostenibile, ovvero che contempli:
• la riduzione dei consumi di energia primaria e di emissioni di CO2;
• l’uso, nelle attività antropiche, di materiali ecologici, riciclabili e non tossici.
Ciò sta determinando una forte crescita della domanda dei suddetti materiali nell’ambito del
settore delle costruzioni, soprattutto per quanto concerne la richiesta di materiali isolanti
derivanti da materie prime rinnovabili.
Questa ricerca ha avuto come finalità quella di valutare la possibilità di impiego della lana di
pecora come elemento per l’isolamento termico, acustico e regolatore delle condizioni degli
ambienti interni. Dai risultati ottenuti si può affermare che la lana è un eccellente materiale per
79
l’isolamento acustico ed in tale ambito mostra importanti vantaggi rispetto ai materiali di uso
tradizionale, vantaggi che vanno dalla facilità di impiego, al ridotto impatto ambientale,
dall’assenza di effetti negativi sulla salute alle importanti prestazioni ambientali.
Oltre i suddetti vantaggi, una peculiarità della lana di pecora è l’elevata igroscopicità, che arriva
fino al 35%: l'elevata capacità di assorbire l'umidità impedisce la formazione di condensa, regola
l'umidità degli ambienti creando una piacevole atmosfera interna. Un altro aspetto rilevante è
costituito della sua capacità di resistenza al fuoco.
80
La lana nel comparto ingegneristico per la produzione di
nanomateriali
Un ulteriore applicazione [4] delle fibre di lana è il loro impiego come componenti di base per la
fabbricazione di nanomateriali. E’ infatti possibile immobilizzare sia sulla superficie che
all’interno delle suddette fibre, nanoparticelle metalliche.
Introduzione
I tentativi di immobilizzazione di nanoparticelle a base di metalli, su diversi tipi di micro
supporti, è un settore di ricerca, sui nanomateriali, in rapida crescita. l vantaggi connessi
all’impiego di microgranuli sferoidali come supporti di nanoparticelle sono ben noti. Per quanto
riguarda invece supporti monodimensionali, le ricerche si sono da sempre concentrate
esclusivamente sull’impiego di nanotubi a base di carbonio. Nell’ambito monodimensionale,
possono però essere considerate anche altre tipologie di supporto, oltre ai suddetti nanotubi. In
particolar modo le proteine presenti nelle fibre di lana, caratterizzate da strutture lineari che, a
differenza dei nanotubi di carbonio, sono reperibili molto più facilmente. Ciononostante vi è
ancora un numero abbastanza esiguo di studi sulla stabilizzazione di nanoparticelle all'interno o
sulla superficie delle fibre di lana.
Le fibre di lana mostrano un diametro compreso tra 10 e 300 μm, la parte interna della fibra è
costituita principalmente da un elemento insolubile che è l’α‐cheratina.
81
Struttura di una fibra di lana
Lo strato esterno della fibra, denominato cuticola, si compone a sua volta di più strati, come
rappresentato nella seguente figura.
Struttura della cuticola
Le nanoparticelle di maggiore interesse sono quelle di argento. La scelta di questo elemento è
dovuta alle sue buone proprietà antibatteriche e di elevata conducibilità sia elettrica che
termica, che ne permetteno l’applicazione nell’industria cosmetica, medica ed elettronica. In
questo contesto il ruolo delle fibre di lana è fondamentale in quanto possono fungere da bio‐
supporto per le suddette nanoparticelle.
82
Sperimentazione e risultati
La sperimentazione si è basata sull’uso di nanoparticelle d’argento, sintetizzate a partire da
nitrato di argento AgNO3. Il secondo passo è stato quello di applicare le nanoparticelle alla
superficie delle fibre. I campioni sono stati analizzati mediante la microscopia elettronica a
trasmissione (TEM) e quella a scansione elettronica (SEM). I risultati mostrano che le
nanoparticelle hanno aderito sulla superficie del supporto, formando agglomerati ridotti
caratterizzati da particelle di dimensioni medie pari a 8,5nm.
Disposizione delle particelle sulla superficie del bio‐supporto
Mediante le analisi SEM si è potuto notare, a seguito della deposizione delle nanoparticelle, una
morfologia più liscia della superficie del bio‐supporto.
83
Morfologia della superficie dopo la deposizione delle nanoparticelle
E’ stata sperimentata anche la possibilità di immobilizzare nanoparticelle all’interno della massa
delle fibre di lana, come riportato nella seguente figura.
Fibre di lana contenti nanoparticelle di argento al proprio interno
Dalla sperimentazione effettuata si è potuto osservare che, in seguito alla rottura dei legami (S‐
S) tra gli atomi di zolfo presenti sulla superficie del bio‐supporto, le nanoparticelle si sono
84
ancorate sulla suddetta superficie, formando esse stesse legami con gli atomi di zolfo, come
mostrato in figura.
Schematizzazione della immobilizzazione delle nanoparticelle di argento
Osservazioni conclusive
I presenti risultati dimostrano la possibilità di immobilizzare, sulle fibre di lana, le nanoparticelle
in varie disposizioni, sia sulla superficie che all’interno della fibra. La compatibilità mostrata da
parte delle suddette fibre nei confronti delle nanoparticelle di argento è un importante spinta
verso ulteriori ricerche che dovranno essere condotte principalmente in merito alla possibilità
di impiegare altre tipologie di nanoparticelle da associare al bio‐supporto sperimentato.
85
Siti internet
[1] American Sheep Industry Association, http://www.sheepusa.org/Wool_Information
Riferimenti bibliografici
[2] Valtcho D.Zheljazkov, 2005, Assessment of Wool Waste and Hair Waste as Soil
Amendment and Nutrient Source, Journal of Environmental Quality.
[3] T.Hlincik, P.Buryan, 2011, Use of technical lanoline from adjustment of sheep wool in
desulfurization of fluidized‐bed combustors, Fuel Processing Technology, Elsevier.
[4] A.A.Arshakuni, S.P.Gubin, 2010, Nanomaterials Based on Natural Protein Fibers,
Neorganicheskie Materialy.
[5] C.Galàn‐Marìn, C.Rivera‐Gomez, J.Petric, 2010, Clay‐based composite stabilized with
natural polymer and fibre, Construction and Building Materials, Elsevier.
[6] Jirì Zach, Azra Korjenic, Vit Petrànek, Jitka Hroudovà, Thomas Bednar, 2012,
Performance evaluation and research of alternative thermal insulations based on sheep wool,
Energy and Buildings, Elsevier.