Sviluppo di un sistema di adsorbimento e riduzione della CO2 per la produzione di metano sintetico = Development of a CO2 adsorption and reduction system for synthetic methane production

Le tecnologie di cattura e di utilizzo dell’anidride carbonica (CCU – Carbon Capture and Utilisation) sono considerate strumenti indispensabili per la mitigazione del cambiamento climatico e per ridurre gradualmente la dipendenza dalle fonti fossili. Lo sviluppo di tecnologie per la conversione della CO2 verso prodotti di interesse è un argomento di ricerca di grande attualità ed è strettamente correlato alle problematiche di stoccaggio e trasporto di idrogeno verde. In particolare, la generazione di metano da CO2 catturata possiede i vantaggi dell’infrastruttura di trasporto già esistente e del suo diretto impiego come combustibile. All’interno di questo scenario, questo studio mira alla ricerca di un materiale in grado di adsorbire la CO2 da un fumo industriale, per poi convertirla a CH4 utilizzando una corrente di H2 derivante da fonti rinnovabili. I materiali e il processo presentati in questo lavoro presentano il vantaggio di poter essere utilizzati sia per convertire la CO2 e produrre CH4, che semplicemente per catturare CO2 e stoccarla nei periodi di carenza di idrogeno verde. Le condizioni di lavoro indagate sono state di 250°C sia per la fase di adsorbimento, sia per quella di metanazione, recuperando il calore dal gas esausto, pressione atmosferica e una concentrazione di CO2 realistica per un fumo industriale, ossia del 5%. È stata altresì indagata la presenza di umidità all’interno del fumo ricco di CO2. Svariati materiali a base di ossido di magnesio e impregnati con rutenio (Ru) sono stati testati in fase di adsorbimento e di metanazione, cercando di stabilire correlazioni tra funzionamento e caratterizzazioni fisico-chimiche. I principali adsorbenti-catalizzatori studiati sono stati 2Ru/CeO2-MgO, 2Ru/MgO, 2Ru/LDO e 2Ru/K20LDO, in cui “LDO” (Layered Double Oxide) indica una forma altamente dispersa di Al2O3 ed MgO derivante da un precursore idrotalcite Mg-Al. Per la ricerca di un ottimo tra CO2 chemisorbita e CH4 da essa prodotto, la forza di legame e la basicità delle specie carbonato formatesi sulla superficie dei materiali è stata indagata finemente attraverso stadi di adsorbimento e metanazione condotti in un impianto catalitico su scala laboratoriale. I risultati di adsorbimento migliorano in presenza di acqua e con l’utilizzo di LDOs, raggiungendo valori di capacità rispettivamente di 239 μmolCO2/gmat, 140 μmolCO2/gmat, 252 μmolCO2/gmat e 482 μmolCO2/gmat. La selettività chimica è stata riscontrata come massima verso CH4 per quasi ogni campione e con una resa sempre superiore al 70%, tranne nel caso del catalizzatore 2Ru/K20LDO che, data la superficie eccessivamente basica e l’alta forza di legame, non permette una soddisfacente metanazione della CO2 a 250°C e inoltre rilascia CO durante questa fase. I campioni hanno dimostrato notevole stabilità durante tutte le prove condotte in serie, sia in presenza che in assenza di umidità nella corrente inquinante. La caratterizzazione dei sorbenti e dei catalizzatori è stata effettuata mediante tecniche quali XRD, fisisorbimento di azoto a 77K, CO2-TPD, H2-TPR, FESEM, EDX e ICP-MS.