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Distinguere il bioetanolo dall’etanolo di petrolio

Dott. Murry Tamers, fondatore e Presidente di Beta Analytic
Articolo estratto dall’Ethanol Producer Magazine pubblicato il 1 giugno 2006.

Una grande parte dell’etanolo prodotto nel mondo deriva dal petrolio. L’etanolo si ottiene facilmente attraverso l’idrolisi dell’etilene, un importante prodotto dell’industria petrolchimica. Ogni anno, vengono prodotte due milioni di tonnellate di etanolo derivato dal petrolio. I principali fornitori si trovano in Sudafrica e Arabia Saudita, ma esistono grandi impianti anche negli Stati Uniti, in Europa e in Giappone. L’etanolo sintetico (derivato dal petrolio) è ampiamente utilizzato come solvente industriale e ha numerose altre applicazioni.

Le nuove detrazioni fiscali per l’etanolo nella benzina (Energy Policy Act del 2005, H.R. 6) si applicano al “bioetanolo” o all’”etanolo rinnovabile” e non all’etanolo derivato dal petrolio. La concessione di queste detrazioni fiscali richiederà che l’etanolo sia certificato come proveniente da fonti rinnovabili. Il test scientifico riconosciuto è il metodo ASTM D6866-05. Questa analisi rende possibile distinguere quantitativamente, in modo inequivocabile, tra i materiali derivati da combustibili fossili, come il petrolio, e quelli derivati da biomassa moderna. ASTM D6866-05 protegge gli interessi dei produttori di biomassa e degli investitori che investono nella produzione del bioetanolo. È infatti di estrema importanza per il successo dell’industria nazionale del bioetanolo.

Il bioetanolo e l’etanolo sintetico sono chimicamente indistinguibili – sono infatti lo stesso composto di formula C2H5OH. L’unica differenza tra le due sostanze è la composizione isotopica degli atomi di carbonio. L’etanolo sintetico deriva da materie prime fossili, mentre il bioetanolo deriva da materiali contemporanei. Il metodo ASTM D6866-05 applica una procedura utilizzata per studiare i fossili: si tratta della tecnica della datazione al radiocarbonio, conosciuta per il suo utilizzo in archeologia e in altri ambiti di ricerca. La datazione al radiocarbonio misura la quantità di un isotopo naturale, il carbonio-14, presente nei campioni studiati e la mette a confronto con quella presente nei materiali contemporanei.

ASTM D6866-05 sfrutta la stessa tecnica della datazione al radiocarbonio. La biomassa consiste di materiali contemporanei che contengono carbonio-14, mentre i materiali fossili non contengono questo isotopo, che è decaduto completamente con il passare del tempo. Misurare la concentrazione di carbonio-14 in un campione di etanolo indicherà se questo è stato prodotto a partire da fonti rinnovabili o fossili. In alcuni casi, evidenzierà la presenza di bioetanolo e materiali fossili in miscela. ASTM D6866-05 determina, in questi casi, la percentuale di bioetanolo, in modo che possano essere applicate le detrazioni fiscali appropriate. Allo stesso modo, ASTM D6866-05 potrebbe essere utilizzato per i lotti di benzina contenenti quantità variabili di bioetanolo. Il test indicherebbe la quantità di materiale rinnovabile sul totale del liquido. Tuttavia, è necessario assicurarsi che la benzina sia ben miscelata in modo che il piccolo campione prelevato sia rappresentativo dell’intera cisterna. Questo è un accorgimento importante per tutte le analisi di materiali di quantità elevata.

La datazione al radiocarbonio, sviluppata nel 1947, fa affidamento sulla produzione continua di un isotopo radioattivo, il carbonio-14 o radiocarbonio, da parte dei raggi cosmici nell’alta atmosfera. Questo isotopo si combina con l’ossigeno per formare anidride carbonica, che raggiunge la biosfera. Viene quindi assorbita dalle piante, che vengono poi mangiate dagli animali. Il carbonio-14 scompare continuamente per decadimento radioattivo, ma l’equilibrio viene ristabilito dalla continua produzione di questo isotopo ad opera dei raggi cosmici.

Tutti gli esseri viventi, piante e animali, presentano la stessa concentrazione di carbonio-14. Tuttavia, quando la pianta o l’animale muore, il loro carbonio-14 non viene più sostituito dall’atmosfera. La quantità di questo isotopo nei resti o nei fossili diminuisce gradualmente fino al punto in cui si esaurisce, dopo circa 50000 anni. Le procedure utilizzate nella datazione al radiocarbonio misurano in modo accurato il carbonio-14 presente in diversi materiali, da cui è poi possibile calcolare il momento della morte della pianta o dell’animale. Il sistema di datazione è uno strumento indispensabile per l’archeologia, così come per diversi ambiti della geologia e di altre scienze della terra.

La datazione al radiocarbonio è un ramo della chimica e della fisica nucleare. Poiché le quantità di carbonio-14 sono molto piccole, è necessario utilizzare le tecniche più sensibili per queste misurazioni. Ci sono due procedure attualmente in uso: la datazione radiometrica e la spettrometria di massa con acceleratore. L’analisi radiometrica misura la radiazione prodotta dalla disintegrazione del carbonio-14; la spettrometria di massa con acceleratore misura la concentrazione di carbonio-14 in modo diretto.

Per entrambe le tecniche, il pretrattamento dei campioni può essere molto importante. La procedura di pretrattamento può variare a seconda del tipo di materiale da analizzare. I passaggi consistono in vari trattamenti fisici e chimici atti ad eliminare i materiali estranei. I trattamenti successivi sono diversi per le due tecniche, ma entrambe prevedono operazioni in condizioni di alto vuoto.

Per le misurazioni radiometriche, i campioni vengono bruciati in un sistema a vuoto specializzato per produrre anidride carbonica, che viene poi combinata con litio fuso per produrre carburo di litio. Dopo il raffreddamento, il carburo di litio viene fatto reagire con acqua per produrre acetilene. Questo gas viene quindi purificato e infine convertito in benzene in presenza di un catalizzatore silicoalluminato. Tutte queste procedure vengono effettuate in un sistema a vuoto in vetro. Il benzene, che è formato al 90% da carbonio, viene miscelato con sostanze chimiche scintillanti e posizionato in un contatore a scintillazione liquida per la misurazione delle radiazioni. In media, il campione resta in un contatore per due giorni, in modo da accumulare misurazioni sufficienti a fornire dati statistici affidabili. Anche i campioni moderni e di riferimento sono misurati negli stessi contatori.

I campioni destinati alla spettrometria di massa con acceleratore vengono bruciati per essere convertiti in anidride carbonica, che viene poi purificata. L’anidride carbonica viene fatta reagire con idrogeno per formare grafite, all’interno di una linea del vuoto in vetro specializzata. La grafite, composta al 100% da carbonio, viene inserita in un supporto in alluminio e posizionata nell’acceleratore di particelle per la misurazione. L’analisi richiede circa 30 minuti. Come nella tecnica radiometrica, i campioni moderni e di sfondo sono misurati allo stesso modo.

Inoltre, per tutti i campioni viene analizzato l’isotopo stabile carbonio-13. Questo è essenziale per la correzione dei valori di carbonio-14 misurati. La misurazione del carbonio-13 è parte integrante della datazione al radiocarbonio. In alcuni casi è un modo di verificare la fonte della biomassa utilizzata per la produzione dell’etanolo. Il carbonio-13 da solo non può distinguere con precisione il contenuto rinnovabile di una miscela da quello fossile. Anche se il petrolio e il mais, ad esempio, presentano concentrazioni di carbonio-13 differenti, il carbonio-13 di altri materiali naturali ha valori variabili. Alcuni materiali adatti alla produzione di bioetanolo – ad esempio la barbabietola da zucchero, la patata dolce, l’uva e altri frutti – presentano un contenuto di carbonio-13 spesso indistinguibile da quello del petrolio. Per questo motivo, l’analisi del carbonio-13 potrebbe restituire risultati ambigui se il bioetanolo fosse diluito con il 10 o il 20% di etanolo sintetico. La datazione al radiocarbonio, al contrario, evidenzierebbe chiaramente questa diluizione.

Per un laboratorio di datazione al radiocarbonio è necessaria una grande quantità di sostanze chimiche e di strumentazione elettronica. La strumentazione di Beta Analytic Inc. include 53 contatori a scintillazione liquida, acceleratori di particelle con fonti ioniche, spettrometri di massa per il carbonio-13 con analizzatori elementari, 11 linee del vuoto per la sintesi del benzene, 12 linee del vuoto per la grafitizzazione, forni per il pretrattamento e la combustione e altri materiali.

Le importanti detrazioni fiscali per il bioetanolo nella benzina costituiranno una tentazione per individui senza scrupoli, che potrebbero richiederle per l’etanolo sintetico (di petrolio). Si prevede che il problema più frequente sarà la diluizione del bioetanolo con etanolo sintetico con la speranza che quest’ultimo non venga individuato. Tuttavia, ASTM D6866-05 è una tecnica quantitativa in grado di segnalare qualsiasi diluizione significativa. ASTM D6866-05 proteggerà l’industria biobased scoraggiando questo comportamento. Una certificazione ASTM D6866-05 dovrebbe essere un requisito obbligatorio per ogni lotto di bioetanolo per cui viene richiesta la detrazione dalle tasse.

Aggiornamento di ASTM D6866

Dall’11 maggio 2012, ASTM D6866-12 è la versione attualmente attiva dello standard.

Beta Analytic non utilizza più i contatori a scintillazione liquida per l’analisi ASTM D6866.

Ultimo aggiornamento: 7 gennaio 2015