Idrogenazione della CO2 a combustibili gassosi = CO2 hydrogenation to gaseous fuels

In ottica di una realizzazione di un impianto Power to Fuel (PtF) è stato studiato un catalizzatore commerciale Ni/Al2O3, che promuove la metanazione della CO2. Il catalizzatore è stato caratterizzato mediante le analisi: Brunauer-Emmett-Teller (BET), Temperature Programmed Reduction (TPR), Temperature Programmed Desorbtion di CO2 (TPD-CO2) e Temperature Programmed Oxidation (TPO). Nel lavoro di tesi, sono state effettuate prove di cinetica e di disattivazione. Le prove di cinetica hanno l’obiettivo di comprenderne il meccanismo di reazione con la verifica della formazione di eventuali intermedi di reazione tra cui il monossido di carbonio tramite l’analizzatore e eventuali idrocarburi a catena corta con il gas cromatografo. Sono state condotte prove ad una portata variabile tra 30 – 60 Nl/h e a concentrazioni della miscela reagente stechiometriche, sotto stechiometriche e sovra stechiometriche rispetto alla reazione di metanazione di CO2. I test di attività sono stati svolti a pressioni nel range 5-15 bar e temperature tra 250 - 400 °C. L’unico intermedio la cui presenza è stata registrata è il CO. Per determinare i parametri cinetici è stato implementato un modello di reattore integrale su MATLAB. Sono stati testati diversi modelli: in una prima fase sono state eseguite simulazione con modelli power law per la reazione di metanazione che per la reverse-water-gas-shift (RWGS), poi analizzando i dati ottenuti e confrontandoli con studi di letteratura sono stati ipotizzati determinati intermedi per costruire un modello Langmuir-Hinshelwood (LH). Per trovare le equazioni cinetiche che meglio approssimano i dati sperimentali si è optato di minimizzare l’errore delle rese dei prodotti principali (CO e CH4). I risultati di fitting migliori sono stati ottenuti per il modello LH e power law che prevede il termine correttivo per l’adsorbimento di H2O. La disattivazione è stata studiata per verificarne la stabilità del catalizzatore e la sua resistenza agli shock termici. Si è optato di effettuare delle prove di durata di 100 h, e prove ON-OFF. Dalle prime è stata studiata la variazione dell’attività del catalizzatore nel corso della prova, con le seconde invece si è cercato di comprendere le cause della disattivazione, cercando di stabilire se brusche variazioni di temperatura hanno degli effetti sull’attività del catalizzatore. Dai risultati è emerso che la principale causa di disattivazione è la sinterizzazione del supporto. La perdita di attività registrata nelle prove ON-OFF è quasi raddoppiata rispetto alle prove effettuata in condizioni operative simili ma in stazionario. I risultati sono stati confermati dalla caratterizzazione BET prima e dopo le prove di durata. È emersa una consistente diminuzione di area superficiale con incremento della dimensione dei pori. I risultati della TPO non indicano presenza di atomi di carbonio nella forma di coke incombusto nel catalizzatore.