Explorative investigation of manufacturing process effects on H2O2 catalytic beds performance

Nowadays the renewed interest arising for the aerospace field is strictly blended with the increasing demand for the reduction of environmental impacts pertaining spacecrafts and space vehicles manufacturing processes and operations. Hydrogen Peroxide represents one of the most promising liquid propellants for these purposes, being able to generate high temperature, non-harmful gases upon catalytic or thermal decomposition. International projects are currently financing experimental researches meant to optimize Hydrogen Peroxide catalytic decomposition and improve its performances. In particular, the adoption of Manganese Oxide-based catalysts supported onto ceramic substrates is acquiring higher and higher interest among researchers. Within this scope, the main goal of this Master Thesis is to provide a global insight onto the effects of several manufacturing parameters, involving both architectures and materials adopted for the supports and active phase deposition techniques. This is achieved by accurately identifying and selecting several impregnation methodologies, applied onto different chosen substrates, with the introduction and investigation of some innovative aspects, such as new geometries for monolithic supports or the adoption of particular treatments on pellet-based substrates. Produced batches were analysed and compared in terms of several parameters of merit, monitored via different characterization techniques and catalytic activity assessment tests involving the design and construction of a suitable constant volume reactor. Catalyst loading data, samples observation and analysis of pressure and temperature evolution inside the reactor in terms of peak value and rising slope enabled to assess both the quality of the active phase deposition process and the ability of the samples to catalytically trigger and complete Hydrogen Peroxide decomposition. The experimental research endings can be taken as a starting point for further analyses and allowed to shed light on the remarkable effect of some manufacturing parameters on the impregnation process outcomes, such as the influence of storage time between drying and calcination on the type of Manganese Oxide deposed on the substrate surface, or the outcomes obtained adopting different materials for the support, and to assess the effectiveness of specific treatments, such as the application of a wash-coating layer, on pellet-based catalytic bed performance enhancement.

Al giorno d’oggi il rinnovato interesse per il settore aerospaziale si fonde strettamente con la crescente richiesta di riduzione dell’impatto ambientale relativo ai processi di produzione e alle operazioni dei veicoli spaziali. L’acqua ossigenata rappresenta uno dei propellenti liquidi più promettenti, essendo in grado, a seguito di decomposizione termica o catalitica, di generare gas non nocivi ad alta temperatura. Progetti internazionali stanno attualmente finanziando ricerche sperimentali per ottimizzare la decomposizione catalitica dell’acqua ossigenata e migliorarne le prestazioni. In particolare, l’adozione di catalizzatori a base di Ossidi di Manganese supportati su substrati ceramici sta acquisendo un interesse sempre maggiore tra i ricercatori. In quest’ottica, l’obiettivo principale di questa Tesi Magistrale è quello di fornire una visione globale degli effetti di diversi parametri di produzione, che coinvolgono sia le architetture e i materiali adottati per il supporto del letto catalitico sia le tecniche di deposizione della fase attiva. Questo obiettivo è raggiunto identificando e selezionando accuratamente diverse tecniche di impregnazione, applicate a diversi substrati, con l’introduzione e l’approfondimento di alcuni aspetti innovativi, come nuove geometrie per i supporti monolitici o l’adozione di particolari trattamenti su substrati basati sull’utilizzo di pellet. I lotti prodotti sono stati analizzati e confrontati attraverso svariati parametri di merito, monitorati mediante diverse tecniche di caratterizzazione e attraverso test che, tramite la progettazione e la costruzione di un apposito reattore a volume costante, hanno permesso di valutarne l’attività catalitica. I dati di catalyst loading, l’osservazione dei campioni e l’analisi dell’evoluzione della pressione e della temperatura all’interno del reattore in termini di valore di picco e di pendenza hanno permesso di valutare sia la qualità del processo di deposizione della fase attiva, sia la capacità dei campioni di innescare cataliticamente e portare a compimento la decomposizione dell’acqua ossigenata. Le conclusioni della ricerca sperimentale possono essere prese come punto di partenza per ulteriori analisi e hanno permesso di far luce sul notevole effetto di alcuni parametri di produzione sui risultati del processo di impregnazione, come l’influenza del tempo intercorso tra i processi di asciugatura e calcinazione sul tipo di Ossido di Manganese depositato sulla superficie del substrato, o i risultati ottenuti adottando diversi materiali per il supporto, e di valutare l’efficacia di specifici trattamenti, come l’applicazione di uno strato di wash-coating, sul miglioramento delle prestazioni di letti catalitici basati sull’utilizzo di pellet.