Analisi ed ottimizzazione del processo di pirolisi catalitica del metano su biochar e catalizzatori al carbonio ad elevata superficie specifica = Analysis and optimization of methane catalytic pyrolysis process on biochar and high specific surface area carbon catalysts

Al giorno d’oggi le fonti fossili, quali petrolio, carbone e gas naturale, rivestono ancora il ruolo di protagoniste nella fornitura energetica globale, nonostante le problematiche ad esse associate. Infatti, i costi di estrazione di fonti fossili sono sempre maggiori, le loro riserve stanno via via esaurendosi ed i gas serra derivanti dalla loro combustione impattano pesantemente sull’ambiente. Esistono soluzioni più sostenibili costituite da fonti energetiche rinnovabili che, tuttavia, peccano di intermittenza e di forte dipendenza dalle condizioni climatiche. Si evince, perciò, la necessità di trovare e sviluppare soluzioni che permettano una fornitura stabile di energia. Alla luce di ciò, ricopre un interesse assai rilevante l’impiego di idrogeno, vettore energetico a basso impatto ambientale. Attualmente, numerose sono le tecnologie che permettono di produrre idrogeno. Tra esse spicca lo Steam Methane Reforming (SMR) per la sua economicità; tuttavia, esso comporta emissione di gas climalteranti. Tra le tecnologie più pulite per la produzione di idrogeno vi è sicuramente l’Elettrolisi dell’acqua che, di contro, presenta dei costi molto elevati. Una soluzione alternativa è costituita dalla Decomposizione Termica del Metano (TMD), i cui prodotti di reazione sono solamente idrogeno gassoso e carbonio solido ma che, nonostante la maggiore efficienza dal punto di vista energetico rispetto alla SMR, risulta ancora economicamente svantaggiosa rispetto ad essa. L’obiettivo di questa tesi è, quindi, analizzare e valutare l’efficacia di biochar e di catalizzatori carboniosi ad alta area superficiale contenenti nanoparticelle al ferro nel promuovere la reazione di Pirolisi del Metano, cercando di rendere il processo competitivo. Il lavoro di ricerca sperimentale è stato preceduto da un’intensa fase di ricerca bibliografica al fine di apprendere quante più informazioni possibili sui catalizzatori d’interesse. Sono state studiate le loro prestazioni nell’ambito della Pirolisi del Metano e la dipendenza di esse dal materiale d’origine e dai vari processi di upgrading effettuati. In primis, si è effettuata una caratterizzazione della struttura dei materiali investigati tramite analisi BET. Per i catalizzatori al ferro su carbonio ad elevata area superficiale, inoltre, sono state svolte ulteriori caratterizzazioni, ovvero: analisi XRD, per investigarne la struttura, TPR e analisi al FESEM per determinarne, rispettivamente, la riducibilità delle particelle di ferro presenti sulla superficie e la morfologia. Successivamente, per analizzare l’andamento delle conversioni nel tempo dei vari materiali, sono state condotte delle prove catalitiche in rampa di temperatura e in time on stream (TOS). In tal modo è stato possibile effettuare un confronto tra le attività e le stabilità dei catalizzatori investigati, cercando di discernere le cause dei loro differenti comportamenti. Infine, sono state svolte prove cinetiche al fine di estrapolare il fattore pre-esponenziale, energia di attivazione e l’ordine di reazione dei materiali, parametri fondamentali per comprendere come effettivamente avviene la promozione della reazione sui differenti catalizzatori. Con tale lavoro, quindi, si vuole contribuire alla ricerca di catalizzatori maggiormente efficienti, prestando particolare attenzione all’impatto ambientale del processo, nel contesto più ampio della transizione ecologica.