LA2.1.7 – Produzione di metano con catalizzatori a doppia funzione tramite processi integrati di conversione di idrogeno e cattura di CO2

Attività

La ricerca internazionale mira a fornire una risposta ai problemi del riscaldamento globale impostando nuovi processi per la cattura delle emissioni di CO₂ ed il successivo utilizzo (CCU) per produrre combustibili sintetici sostenibili (e-fuels) utilizzando fonti energetiche rinnovabili. L’innovazione tecnologica proposta in questa linea di ricerca consiste nel combinare la cattura della CO₂ per adsorbimento e la sua successiva conversione in metano con idrogeno verde, attraverso un processo integrato che alterna ciclicamente la modalità di cattura a quella di idrogenazione facendo uso di materiali “Dual Function” (sorbenti-catalizzatori).

I gruppi di ricerca del CNR presso gli istituti STEMS (Napoli) ed ITAE (Messina) hanno progettato e valutato nuovi materiali multifunzionali nano-ingegnerizzati e strutturati, in schemi di processo chemical-looping altamente efficienti, sviluppando al contempo specifici protocolli, metodi e reattori sperimentali per la preparazione e per la caratterizzazione funzionale in condizioni rappresentative.

Risultati

L’unità di ricerca CNR-STEMS ha sviluppato e caratterizzato varie generazioni di DFM basati sull’impiego di piccole quantità di Ru (max 1% in peso) altamente co-disperso su diverse tipologie di supporti (allumina, TiO₂, idrotalciti Mg-Al) insieme ad una fase sorbente a base di metalli alcalini e/o alcalino terrosi (Li, Na, K, Mg e loro combinazioni).

Le innovative formulazioni Li-Ru sviluppate da STEMS spiccano rispetto allo stato dell’arte come le uniche in cui l’attività catalitica del metallo nobile risulti potenziata dalla presenza della fase sorbente, contrariamente a quanto accade con Na e K.

Attraverso la realizzazione di un impianto sperimentale su scala di laboratorio a letto fisso per lo studio di processi ICCU con alimentazione alternata ed analisi on-line di tutte le principali specie gassose, l’unità STEMS ha ottimizzato le prestazioni e valutato la stabilità dei nuovi DFM in test di lunga durata. E’ stata dimostrata la possibilità di funzionamento con correnti gassose reali contenenti H₂O, O₂ e, per la prima volta nel panorama internazionale, impurezze di SO₂ che notoriamente avvelenano irreversibilmente i catalizzatori di metanazione tradizionali.

Lo studio dettagliato (in-situ, operando DRIFTS) ha svelato i meccanismi fondamentali di funzionamento in condizioni cicliche e l’origine della elevata resistenza all’avvelenamento da zolfo, suggerendo al contempo una semplice procedura per la rigenerazione dei DFM esausti.

L’unità di ricerca CNR-ITAE ha sviluppato e validato sistemi innovativi per la cattura e valorizzazione della CO₂ mediante processi integrati di adsorbimento e metanazione in reattori strutturati. Sono stati testati sia sistemi costituiti dall’accoppiamento fisico tra materiali adsorbenti (zeolite 13X) e catalizzatori (Ni-based e Ru-based) di metanazione, sia dual functional materials (DMF) con metalli alcalini (Li, K e Cs) come fase adsorbente (Figura 3).

Le campagne sperimentali condotte dall’ITAE sono state realizzate mediante un impianto dedicato per prove di adsorbimento–desorbimento–metanazione operante in condizioni pressurizzate, equipaggiato con alimentazione controllata dei gas e monitoraggio continuo della composizione mediante spettrometria di massa con analizzatore a quadrupolo e triplo filtro, consentendo il tracciamento in tempo reale delle principali specie gassose in uscita dal reattore.

I materiali più promettenti sono stati portati a scale superiori realizzando reattori strutturati di lunghezza crescente, verificando il mantenimento delle prestazioni di cattura e conversione durante il passaggio dalla scala laboratorio alla scala bench.

I risultati ottenuti dall’ITAE hanno permesso di definire relazioni tra formulazione del materiale, configurazione reattiva e prestazioni del processo, fornendo indicazioni utili per la progettazione di sistemi compatti ad elevata intensificazione e per il successivo trasferimento verso scale applicative più avanzate.

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