Coating di materiali catalitici su supporti a geometria complessa : schiume ceramiche e monoliti

Structured catalysts and reactors for process intensification have received large interest due to their peculiar characteristics. In particular, monoliths and open cell foams have been proposed for syngas production in steam reforming process. In case of structured reactors, supports and active phase are commonly deposited onto the geometrical substrates via a washcoating process. Washcoating requires support pretreatment and deposition of the catalyst via different techniques. Among others, dip-coating from a sol or a slurry phase is the most cost-effective and the simplest one to be used in the practice. Washcoats loading, thickness and adhesion, depend primarily on the physico-chemical and rheological properties of the powders. Slurry rheology is governed by many parameters, such as the nature of the solid, particle dimensions of the powder, powder loading, dispersant concentration, temperature, viscosity modulators. In case of high surface area catalysts, solid particle dispersion can be obtained via surface charging with acidic solution. Unfortunately, this route is not effective in case of non-chargeable low surface area powders or acid-sensitive surfaces. In this work, the development of acid-free stable oxide dispersions has been studied to obtain thin oxide layers onto substrates of complex geometry. Commercial cerium oxide (3 m2/g) and low surface area zirconium oxide both with cobalt and nickel oxide active phases were selected as model catalyst powders and dip-coating as deposition technique. Indeed, results extension to high surface area catalysts was performed. Ceramic monoliths and open cell foams were used as structured supports (diameter 1 cm, length 1.5 cm). Results were evaluated in terms of coating load and adhesion performance. On both substrates, a good coating management was obtained performing multiple depositions. Washcoat layers were found to be quite homogeneous and well adherent, especially on monoliths surface.

Monoliti e schiume a pori aperti rivestono un grande interesse a livello industriale come catalizzatori strutturati poiché ben si prestano alla produzione di syngas nei processi di reforming. Il supporto e la fase attiva sono normalmente depositati sulla superficie del supporto geometrico attraverso la tecnica di “washcoating”. La tecnica dip-coating risulta la più semplice e meno costosa tra le tecniche di deposizione e necessita della produzione di uno slurry in cui immergere il supporto da rivestire. Il carico ottenuto, lo spessore deposto e la sua adesione dipendono dalle proprietà chimico-fisiche e dalle caratteristiche reologiche della dispersione. La reologia dello slurry è determinata da diversi parametri: la natura della fase da disperdere, le dimensioni dei grani, la quantità di polvere, la concentrazione di disperdente, la temperatura e la quantità di modulatori di viscosità. Nel caso di catalizzatori ad alta area superficiale, i grani possono essere dispersi sfruttando il fenomeno del caricamento superficiale ottenuto con l’aggiunta di un elettrolita (acido). Tale via non è perseguibile nel caso in cui si utilizzino particelle solide a bassa area superficiale caratterizzate da una bassa tendenza al caricamento. In questo lavoro si è sviluppata una tecnica disperdente, che sfrutta il principio di stabilizzazione per effetto sterico per la deposizione di un sottile strato di ossido ceramico sulla superficie del supporto geometrico complesso. CeO2 e ZrO2 sono state utilizzate come modello di polveri catalitiche da depositare attraverso tecnica dip-coating, considerando per entrambe l’aggiunta della fase attiva (Ni o Co). Si è inoltre esteso l’utilizzo della tecnica disperdente anche a supporti ad alta area superficiale. Monoliti e schiume ceramici sono stati utilizzati come supporti geometrici strutturati. I risultati sono stati espressi in termini di carico depositato e capacità di adesione. Su entrambi i supporti una buona gestione del carico depositato è stata ottenuta con l’utilizzo di deposizioni multiple. Lo strato di washcoat è risultato essere abbastanza omogeneo e con ottime proprietà di adesione soprattutto nel caso di utilizzo dei monoliti.