Sviluppo di sistemi catalitici ibridi per l’idrogenazione catalitica diretta di CO2 ad olefine leggere = Development of hybrid catalytic systems for direct catalytic hydrogenation of CO2 to light olefins

Questo lavoro di Tesi per il conseguimento della Laurea Magistrale in Ingegneria Chimica e dei Processi Sostenibili è stato svolto presso il CNR-ITAE “Nicola Giordano” di Messina. La finalità del lavoro sperimentale è stata quella di studiare sistemi catalitici e metodi sperimentali adeguati alla sintesi di olefine leggere quali mattoni indispensabili per la produzione di biopolimeri, usando come materia prima la CO2. È noto, infatti, che l’anidride carbonica rappresenta l’ultimo prodotto di ossidazione generato in ogni processo di combustione e la sua trasformazione in un prodotto a più alto valore aggiunto rappresenta una tematica di ricerca di grande interesse da un punto di vista energetico, economico e ambientale. In particolare, nel presente lavoro di Tesi, sono stati preparati quattro catalizzatori ternari, coprecipitando in soluzione ammoniacale, assieme ai precursori di ferro e rame, un terzo precursore di alluminio, cerio, zinco o manganese, al fine di studiarne l’influenza sul comportamento catalitico nella reazione di idrogenazione diretta della CO2 ad olefine. Una volta calcinati ed attivati, il comportamento catalitico di questi quattro sistemi è stato confrontato con quello di un catalizzatore commerciale GTL (prodotto dalla SASOL) e convenzionalmente utilizzato nella sintesi di Fischer-Tropsch via gas di sintesi (miscele CO/H2) per la produzione di idrocarburi. La reazione è stata condotta in un reattore a letto fisso, alimentando H2 e CO2 in fase gassosa con un rapporto volumetrico 3:1. I catalizzatori sono stati caratterizzati mediante diverse tecniche chimico-fisiche, al fine di determinarne le proprietà analitiche, morfologiche, strutturali e superficiali. L’attività sperimentale svolta ha dimostrato come il metodo di coprecipitazione consenta di ottenere una buona sinergia tra i tre ossidi metallici presi in considerazione. Lo studio delle proprietà superficiali dei catalizzatori ha evidenziato che la conversione di CO2 dipende dall’entità della riduzione della fase attiva e dal chemisorbimento dei reagenti. Complessivamente, l’analisi della distribuzione idrocarburica dei vari sistemi ha evidenziato come l’introduzione di MnO2 nel sistema Fe-Cu consenta il raggiungimento di produttività specifiche ad olefine più elevate sia in termini di unità di massa (64.9 g/gcat/h) che in termini di unità di superficie (1.0 g/m2/h) del catalizzatore., in quanto la promozione del sistema catalitico con manganese può effettivamente facilitare l'adsorbimento di CO2 e l'attivazione dei legami C=O, massimizzando la formazione primaria di olefine e limitando la loro idrogenazione secondaria a paraffine. I test di durata hanno dimostrato, infine, per tutti i sistemi investigati una sostanziale stabilità catalitica nel tempo per oltre 5000 min, a fronte di una variabile tempo iniziale di costituzione della fase cataliticamente attiva. In ogni caso, nelle condizioni sperimentali adottate solo i catalizzatori Fe-Cu-Zn e Fe-Cu-Mn hanno mantenuto la produttività a idrocarburi più elevata nel tempo, con un valore pressoché costante e prossimo a 2.8 mmol/gcat/h.