Metanazione della CO2 con catalizzatori a basso contenuto di Rutenio = CO2 methanation over low content Ru-based catalysts

Per il processo Power-To-Methane (PtM), in cui si ottiene CH4 tramite metanazione dell’anidride carbonica con idrogeno green da elettrolisi dell’acqua, uno dei limiti tecnologici ad oggi più importanti è la necessità di catalizzatori performanti ed economici. Le reazioni di Sabatier, pur favorite termodinamicamente, presentano infatti delle forti limitazioni cinetiche, che impediscono un’applicazione concreta senza adeguata catalisi. Allo scopo di comprendere meglio la cinetica di queste reazioni e di sostenere lo sviluppo di catalizzatori competitivi ed economicamente vantaggiosi, questo studio ha indagato sistemi catalitici a base rutenio con tenori molto bassi (0.25%peso), su cinque diversi materiali standard di supporto: TiO2, Al2O3, CeO2, ZrO2, MgO. Sulle cinque alternative, caratterizzate con diverse tecniche (BET, BJH, TPDR, XRD, FESEM), sono stati condotti studi cinetici standardizzati volti a confrontarne le performance (conversione, selettività e resa) e a rintracciare una correlazione fra le caratteristiche del supporto e l’attività espressa; dallo studio comparativo risulta, in ordine decrescente di attività (conversione) e selettività a metano: TiO2 > Al2O3 ≈ CeO2 > ZrO2 > MgO per conversione e TiO2 > Al2O3 >>> CeO2 ≈ ZrO2 per selettività a CH4. Il sistema migliore, Ru/TiO2, è stato ulteriormente studiato, con apposite prove DRIFT per determinare la popolazione di specie presenti sulla superficie, in condizioni di reazione. Parallelamente, si è condotta una campagna sperimentale finalizzata a ricavare una legge cinetica descrittiva della reazione. In Matlab®, si è modellato il reattore e si è operata la regressione non lineare dei parametri cinetici di 6 modelli studiati, tramite minimizzazione dei residui e successiva analisi delle distanze di Cook, per scartare gli outliers. In contrapposizione con i risultati della letteratura consultata, il sistema analizzato ha espresso disattivazione e questa è stata trattata con un apposito modello. Delle equazioni cinetiche valutate, un’equazione di tipo power-law con effetto di inibizione dell’acqua, presente in letteratura, si è riscontrata essere la più accurata a seguito della correzione per disattivazione qui proposta. I risultati così ottenuti consolidano le informazioni su questo processo e forniscono un utile riferimento rispetto alle future prospettive di ottimizzazione di questi catalizzatori. Con selettività a metano mantenutesi ben sopra l’85%, il sistema 0.25%peso Ru/TiO2 sembra essere un promettente catalizzatore per il processo di metanazione, economico ma performante nonostante il basso tenore di metallo attivo.