L'utilizzo della CO2 come fonte di combustibili e "chemicals" è un tema di crescente interesse sia dal punto di vista accademico che industriale. Di particolare interesse è la conversione della CO2 in combustibili liquidi o gassosi; è infatti possibile ottenere alcol metilico/etere dimetilico o metano quando la CO2 è sottoposta a idrogenazione [1-3]. La valorizzazione della CO2 rappresenta una interessante possibilità che integra processi di sequestro per il controllo delle emissioni atmosferiche di anidride carbonica con l'utilizzo del surplus di energia proveniente da fonti rinnovabili [4]. Recentemente l'attenzione si è spostata sulla produzione di gas naturale sintetico (SNG) e sull'integrazione di reattori di metanazione con dispositivi che producono idrogeno e/o syngas per via elettrolitica, in questo caso il SNG assume un nuovo ruolo legato all'accumulo di energia (Power to Gas) [5-6]. In particolare l'integrazione di reattori di metanazione con dispositivi SOEC che lavorano ad alta temperatura consente di raggiungere efficienze di processo elevate (>80% LHV) [7]. Il processo di metanazione è stato sviluppato agli inizi del secolo scorso da Sabatier e Senderens attraverso le reazioni di idrogenazione del biossido e del monossido di carbonio a metano su catalizzatore di Nichel, secondo le stechiometrie di seguito riportate: CO + 3H2 ? CH4 + H2O (?H° = -206,28 kJ/mol), CO2 + 4H2 ? CH4 + 2H2O (?H° = -41,16 kJ/mol) [8]. La reazione è caratterizzata da ostacoli non trascurabili dovuti alla presenza di limitazioni sia di tipo termodinamico che cinetico. Infatti, essendo la metanazione una reazione esotermica di equilibrio, si ha la necessità di operare a temperature inferiori a 200°C, a cui corrispondono velocità di reazione alquanto basse, seppure in presenza di specifici catalizzatori. D'altra parte, la conduzione della reazione in un reattore adiabatico, conduce ad un profilo di temperatura crescente lungo il letto catalitico, con una conseguente riduzione della massima conversione della CO2 e/o del CO da un punto di vista termodinamico. La metanazione catalitica è stata principalmente studiata in reattori a letto impaccato per motivi sopratutto economici [9]. Questo tipo di letto catalitico presenta alcuni problemi nella gestione di reazioni chimiche rapide e esotermiche, il calore sviluppato causa degli Hot Spot e la disattivazione del catalizzatore a causa del sintering delle particelle della fase attiva. Inoltre, ad alte velocità spaziali i reattori packed-bed mostrano un elevata caduta di pressione che può influenzare negativamente la distribuzione del flusso all'interno del letto catalitico determinando un tempo di contatto non uniforme [10-11]. Pertanto, in generale, sulla base di queste considerazioni l'attività è stata finalizzata allo sviluppo di catalizzatori strutturati per l'intensificazione del processo di metanazione in quanto permettono di lavorare con un adeguato controllo del trasferimento di massa e calore, basse cadute di pressione, basso tempo di contatto e elevata superficie di reazione esposta ai reagenti. In particolare, l'attività di ricerca che è stata svolta all'interno della task 2.1.3 è stata indirizzata inizialmente verso l'ottimizzazione di una metodologia di sintesi alternativa alla "wet-impregnetion", riproducibile e a basso costo per la preparazione in un unico step di catalizzatori a base di nickel supportato su Ceria-Doped-Gadolinia (GDC) per la reazione di metanazione della CO2 ad alta temperatura, parallelamente è stata investigata l'influenza della quantità di nichel sulle performance catalitiche. Il metodo che è stato applicato è la "Solution Combustion Synthesis" (SCS) [12], questo metodo ha consentito di sintetizzare simultaneamente e rapidamente la fase metallica attiva e il supporto partendo dai rispettivi precursori in soluzione acquosa. Successivamente l'attività è stata focalizzata sulla preparazione di catalizzatori strutturati utilizzando la SCS come metodo di coating per la deposizione della fase attiva su monoliti ceramici a base di cordierite.
Catalizzatori strutturati per l'intensificazione del processo di metanazione della CO2 - Rapp. Est. 21/2018
A Vita;C Italiano;M Laganà;L Pino;M Ferraro;V Antonucci
2018
Abstract
L'utilizzo della CO2 come fonte di combustibili e "chemicals" è un tema di crescente interesse sia dal punto di vista accademico che industriale. Di particolare interesse è la conversione della CO2 in combustibili liquidi o gassosi; è infatti possibile ottenere alcol metilico/etere dimetilico o metano quando la CO2 è sottoposta a idrogenazione [1-3]. La valorizzazione della CO2 rappresenta una interessante possibilità che integra processi di sequestro per il controllo delle emissioni atmosferiche di anidride carbonica con l'utilizzo del surplus di energia proveniente da fonti rinnovabili [4]. Recentemente l'attenzione si è spostata sulla produzione di gas naturale sintetico (SNG) e sull'integrazione di reattori di metanazione con dispositivi che producono idrogeno e/o syngas per via elettrolitica, in questo caso il SNG assume un nuovo ruolo legato all'accumulo di energia (Power to Gas) [5-6]. In particolare l'integrazione di reattori di metanazione con dispositivi SOEC che lavorano ad alta temperatura consente di raggiungere efficienze di processo elevate (>80% LHV) [7]. Il processo di metanazione è stato sviluppato agli inizi del secolo scorso da Sabatier e Senderens attraverso le reazioni di idrogenazione del biossido e del monossido di carbonio a metano su catalizzatore di Nichel, secondo le stechiometrie di seguito riportate: CO + 3H2 ? CH4 + H2O (?H° = -206,28 kJ/mol), CO2 + 4H2 ? CH4 + 2H2O (?H° = -41,16 kJ/mol) [8]. La reazione è caratterizzata da ostacoli non trascurabili dovuti alla presenza di limitazioni sia di tipo termodinamico che cinetico. Infatti, essendo la metanazione una reazione esotermica di equilibrio, si ha la necessità di operare a temperature inferiori a 200°C, a cui corrispondono velocità di reazione alquanto basse, seppure in presenza di specifici catalizzatori. D'altra parte, la conduzione della reazione in un reattore adiabatico, conduce ad un profilo di temperatura crescente lungo il letto catalitico, con una conseguente riduzione della massima conversione della CO2 e/o del CO da un punto di vista termodinamico. La metanazione catalitica è stata principalmente studiata in reattori a letto impaccato per motivi sopratutto economici [9]. Questo tipo di letto catalitico presenta alcuni problemi nella gestione di reazioni chimiche rapide e esotermiche, il calore sviluppato causa degli Hot Spot e la disattivazione del catalizzatore a causa del sintering delle particelle della fase attiva. Inoltre, ad alte velocità spaziali i reattori packed-bed mostrano un elevata caduta di pressione che può influenzare negativamente la distribuzione del flusso all'interno del letto catalitico determinando un tempo di contatto non uniforme [10-11]. Pertanto, in generale, sulla base di queste considerazioni l'attività è stata finalizzata allo sviluppo di catalizzatori strutturati per l'intensificazione del processo di metanazione in quanto permettono di lavorare con un adeguato controllo del trasferimento di massa e calore, basse cadute di pressione, basso tempo di contatto e elevata superficie di reazione esposta ai reagenti. In particolare, l'attività di ricerca che è stata svolta all'interno della task 2.1.3 è stata indirizzata inizialmente verso l'ottimizzazione di una metodologia di sintesi alternativa alla "wet-impregnetion", riproducibile e a basso costo per la preparazione in un unico step di catalizzatori a base di nickel supportato su Ceria-Doped-Gadolinia (GDC) per la reazione di metanazione della CO2 ad alta temperatura, parallelamente è stata investigata l'influenza della quantità di nichel sulle performance catalitiche. Il metodo che è stato applicato è la "Solution Combustion Synthesis" (SCS) [12], questo metodo ha consentito di sintetizzare simultaneamente e rapidamente la fase metallica attiva e il supporto partendo dai rispettivi precursori in soluzione acquosa. Successivamente l'attività è stata focalizzata sulla preparazione di catalizzatori strutturati utilizzando la SCS come metodo di coating per la deposizione della fase attiva su monoliti ceramici a base di cordierite.I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
