Experimental insights into Ru/Al2O3 catalyst for the production of Synthetic Natural Gas from CO2

In recent years the effect of human activities on our planet has become evident: climate change is the result of atmospheric emissions of greenhouse gases which lead to a hotter environment. Carbon dioxide is considered the most impacting factor in global warming; it is released mostly by the combustion of fossil fuels that have been the primary source of energy so far. Different future scenarios are possible depending on the effort put in limiting CO2 emissions: UN reports indicate that we should keep the global temperature rise within 1.5°C to avoid the worst climate impacts and maintain a livable climate but this goal is hard to achieve as we are already approaching a temperature anomaly of 1.1°C. In this context the scientific community is striving to find a solution for this problem which will consist in the integration of different approaches. One branch of research is focusing on carbon capture and utilization (CCU): carbon dioxide is removed from potentially polluting streams and then it is used as a raw material to produce other useful chemicals. One possible application is the reaction of carbon dioxide with hydrogen to produce methane: power-to-methane processes couple carbon capture with hydrogen produced using renewable sources to make methane through Sabatier reaction. This is a strongly exothermic reaction thermodynamically favored at low temperature; unfortunately, in those conditions it is too slow and that’s why a catalyst is necessary to boost kinetics. In our work we evaluated performances of Ru-based catalysts supported on Al2O3. Ru is a noble metal known to be highly active and selective in CO2 methanation. A 4% Ru/Al2O3 formulation was tested in a lab-scale experimental setup. At first we analyzed the effect of catalytic particles’ size, ranging from 100 to 800 μm in diameter: temperature and pressure were varied to understand the behavior of the catalyst and to identify the best operating conditions. Secondly, a new catalytic support provided by Saint-Gobain was tested: it differed from the others because of calcination pre-treatment. At last we studied the effect of sulphur poisoning on Ru active sites, a problem concerning several applications at the industrial scale: data collected from experiments with variable amount of sulphur adsorbed on the catalyst were used to develop a kinetic model of deactivation.

Negli ultimi anni l’effetto delle attività umane sul pianeta è diventato innegabile. Il diossido di carbonio (CO2) è riconosciuto come principale responsabile dell’aumento della temperatura globale: viene prodotto in grandi quantità dall’uso dei combustibili fossili che finora ha rappresentato la nostra principale fonte di energia. Nell’ottica di mitigare le emissioni di CO2, si delineano diversi scenari futuri. Report delle Nazioni Unite mettono in luce la necessità di limitare l’aumento della temperatura globale a meno di 1.5°C per evitare conseguenze catastrofiche. Tuttavia, raggiungere questo obiettivo si dimostra una sfida complessa, considerando che un incremento di 1.1°C è già avvenuto. La comunità scientifica sta cercando di trovare una soluzione al problema, la quale consisterà nell’integrazione di diversi approcci. Un ramo della ricerca si concentra sulla cattura e l’utilizzo del carbonio (CCU): la CO2 viene rimossa dai flussi potenzialmente inquinanti ed è poi utilizzata come materia prima per produrre altre sostanze chimiche utili. Una possibile applicazione è la reazione tra CO2 e idrogeno per produrre metano: la tecnologia "power-to-methane" accoppia la cattura della CO2 con H2 prodotto mediante fonti rinnovabili per generare CH4 attraverso la reazione di Sabatier. Questa è una reazione fortemente esotermica e perciò favorita termodinamicamente a basse temperature. In tali condizioni l’impiego di un catalizzatore è essenziale per velocizzare la reazione. In questa tesi sono state valutate le prestazioni di catalizzatori a base di Ru supportato su Al2O3. Il Ru è un metallo nobile noto per essere molto attivo e selettivo nella metanazione della CO2. Una formulazione al 4% di Ru/Al2O3 è stata testata in un impianto in scala di laboratorio. Inizialmente abbiamo analizzato l’effetto della dimensione delle particelle catalitiche (diametro: 100 - 800 μm) al variare di temperatura e pressione. In secondo luogo è stato testato un nuovo supporto catalitico fornito da Saint-Gobain, differente dagli altri a causa di un pretrattamento di calcinazione. Infine, abbiamo studiato l’effetto dell’avvelenamento da zolfo sui siti attivi del Ru, un problema che interessa diverse applicazioni su scala industriale: i dati raccolti a quantità variabile di S adsorbito sul catalizzatore sono stati utilizzati per sviluppare un modello cinetico di disattivazione.