Study of Ru/Al2O3 catalysts for CO2 hydrogenation to methane

According to the climate law as part of the European Green Deal, net greenhouse gas emissions are to be reduced by 55% by 2030, to achieve climate neutrality by 2050. The decision to enact very binding laws is since the rise in the earth's temperature is solely attributable to anthropogenic reasons. As a result of industrialisation, there has been a continuous increase in the release of carbon dioxide into the atmosphere, which is responsible for about 15 per cent of the greenhouse effect to date. The following work is aimed at analysing in detail the development of one of the ways to reuse CO2: Power-To-Gas technology. The procedure involves the use of renewable electricity to produce a synthetic fuel in the gas phase, starting with carbon dioxide captured downstream from biogas, and hydrogen gas obtained from the hydrolysis of water. The technology allows a zero net CO2 emission, as H2 is no longer obtained from fossil sources, but from H2O, which generates O2 as a cleavage by-product. The key issue lies in converting the two reactants into an attractive synthetic product: methane, which is already widely used in many fields thanks to an existing distribution network. In the following study, tests on a selected sample will be carried out to highlight the influence of the presence of oxygen on the methanation reaction, so that it can be checked the stability of the catalyst in the case of impurities present in the biogas. Next, we are going to analyse the behaviour of ruthenium catalysts on Al2O3 support. More specifically, Ru loading on Ru/γ-Al2O3 catalysts and dimension pellet of 4% Ru/γ-Al2O3 effects will be tested and compared. Moreover, analysis on calcinated and passivated Ru-based catalyst are carried out. Subsequent tests will be conducted on catalysts activated through different procedures to delineate the best choice in terms of benefits and costs for a future industrial use. Performance will be judged in terms of conversion to methane and selectivity to CO and C2H6 byproducts. The last step is to carry out a kinetic analysis on a commercial catalyst to evaluate a model that can properly describe the behaviour of the catalytic material in different operational conditions such as temperature, percentage of inerts, H2/CO2 ratio and GHSV.

In base alla legge sul clima nel contesto del Green Deal europeo, le emissioni nette di gas serra devono essere ridotte del 55% entro il 2030, al fine di raggiungere la neutralità climatica entro il 2050. La decisione di emanare leggi molto vincolanti è dovuta al fatto che l'aumento della temperatura terrestre è attribuibile esclusivamente a cause antropogeniche. A causa dell'industrializzazione, vi è stato un continuo aumento delle emissioni di biossido di carbonio nell'atmosfera, responsabile di circa il 15% dell'effetto serra finora. Il seguente lavoro mira ad analizzare dettagliatamente lo sviluppo di uno dei modi per riutilizzare il CO2: la tecnologia Power-To-Gas. La procedura implica l'uso di elettricità da fonti rinnovabili per produrre un combustibile sintetico in fase gassosa, a partire dal biossido di carbonio catturato a valle del biogas e dall'idrogeno ottenuto dall'idrolisi dell'acqua. La tecnologia consente un'assenza netta di emissioni di CO2, poiché l'H2 non proviene più da fonti fossili, ma dall'H2O, che genera O2 come prodotto di scissione. La questione chiave consiste nella conversione dei due reagenti in un prodotto sintetico interessante: il metano, ampiamente utilizzato in molti settori grazie a una rete di distribuzione esistente. Nello studio seguente, saranno condotti test su un campione selezionato per evidenziare l'influenza della presenza di ossigeno sulla reazione di metanazione, al fine di verificare la stabilità del catalizzatore nel caso di impurità presenti nel biogas. Successivamente, analizzeremo il comportamento dei catalizzatori al rodio su supporto di Al2O3. In particolare, saranno testati e confrontati gli effetti del carico di rutenio sui catalizzatori Ru/γ-Al2O3 e delle dimensioni dei pellet al 4% Ru/γ-Al2O3. Inoltre, verranno condotte analisi sui catalizzatori a base di rutenio calcinati e passivati. Test successivi saranno condotti su catalizzatori attivati attraverso procedure diverse per delineare le migliori scelte in termini di vantaggi e costi per un futuro uso industriale. Le prestazioni saranno valutate in termini di conversione in metano e selettività verso i sottoprodotti CO e C2H6. L'ultimo passo è condurre un'analisi cinetica su un catalizzatore commerciale al fine di valutare un modello che possa descrivere adeguatamente il comportamento del materiale catalitico in diverse condizioni operative, come temperatura, percentuale di inerti, rapporto H2/CO2 e GHSV.