Cyclic CO2 capture and methanation on Ru-Na/Al2O3 : effects of Na precursor and process conditions

It is widely recognised by the scientific community that an important contribution to the increase of the levels of CO2, the major greenhouse gas, is due to the utilization of fossil fuels for human activity. Considerable efforts are made to push to the use of renewables and to the improvement of CO2 capture techniques. One possible way to reduce CO2 emissions in atmosphere and add value to it is the conversion into methane, known as Synthetic Natural Gas (SNG) through the Sabatier reaction. A considerable improvement in energy efficiency is achievable by the use of Dual Functional Materials (DFM) in cyclic conditions, which allow capture and hydrogenation on a single catalyst composed by a sorbent for CO2 capture and an active metal for hydrogenation. In this thesis work, the performances of Ru-Na based catalysts supported on γ-alumina are analysed in cyclic conditions, also in presence of water and oxygen, simulating real flue gas conditions. The first part of the work contains a study of the effect of the precursor salt used for sodium for 3%Na/1%Ru/Al2O3, in which Na2CO3 is identified as a better precursor with respect to CH3COONa. Then, an in-depth study of an optimized catalyst formulation with Na2CO3 precursor supplied by Columbia University is reported: 4.3%Na/0.5%Ru/Al2O3. Studying the effect of water and oxygen, water seems to compete with CO2 for adsorption, while oxygen is held responsible for the sintering of ruthenium, causing agglomeration and reduction of active surface area. Then, a study on purge time is performed, which seems not affecting the kinetics of methanation and the amount of methane produced. What comes out from these last tests is a deactivation of the catalyst.

È ormai largamente riconosciuto dalla comunità scientifica che un importante contributo all’incremento dei livelli di CO2, il più importante gas serra, è causato dall’uso di combustibili fossili per attività umane. Sforzi considerevoli sono fatti per spingere all’uso di fonti rinnovabili e migliorare le tecniche di cattura della CO2. Una possibilità che consente di ridurre le emissioni di CO2 in atmosfera e aggiungere valore alla CO2 è quella di catturarla e trasformarla in metano, che prende il nome di Gas Naturale Sintetico (SNG), tramite la reazione di Sabatier. Un significativo miglioramento dell’efficienza energetica è ottenibile usando materiali bifunzionali (DFM) in condizioni cicliche, che permettono cattura e idrogenazione su un singolo catalizzatore composto da un materiale adsorbente per la cattura della CO2 e un metallo attivo nell’idrogenazione. In questo lavoro di tesi si analizzano le performance di catalizzatori a base di Ru e Na supportati su γ-allumina in condizioni cicliche, anche in presenza di acqua e ossigeno per simulare le condizioni reali di gas combusti. La prima parte contiene uno studio dell’effetto del sale precursore usato per 3%Na/1%Ru/Al2O3, in cui Na2CO3 è identificato come migliore precursore rispetto a CH3COONa. In seguito è riportato uno studio approfondito di un catalizzatore con formulazione ottimizzata da precursore Na2CO3 fornito dall’Università Columbia: 4.3%Na/0.5%Ru/Al2O3. Studiando gli effetti di acqua e ossigeno, la prima sembra competere con CO2 per l’adsorbimento, mentre il secondo è ritenuto responsabile della sinterizzazione del rutenio, che causa agglomerazione e riduzione dell’area superficiale attiva. In seguito è stato eseguito uno studio sulla variazione del tempo di purga, che sembra non avere effetto sulla cinetica della reazione e sulla quantità di metano prodotta. Da questi ultimi test emerge una disattivazione del catalizzatore.