Sviluppi di catalizzatori per l'abbattimento di NOx in presenza di ossigeno

Il traffico veicolare è la principale fonte antropogenica di NOx, idrocarburi (HC) e CO e, dato che la sostituzione dei motori a combustione interna con sistemi alternativi appare ancora lontana nel tempo, lo sviluppo di sistemi in grado di limitare al massimo le emissioni di questi mezzi di trasporto riveste un’importanza fondamentale. Sfortunatamente non esiste un rapporto ottimale aria/combustibile che permetta di avere basse emissioni, mentre la massima potenza ottenibile dal motore corrisponde alle condizioni di elevata formazione di CO e HC. Gli attuali sistemi di abbattimento permettono il controllo delle emissioni da sorgenti mobili tramite una centralina che collega il sistema di iniezione del motore e la concentrazione di ossigeno del sistema catalitico (posto nella marmitta) in modo da controllare il rapporto aria/combustibile (Fig. 1). Le marmitte catalitiche per motori a benzina utilizzano catalizzatori “three way” a base di Pt/Rh supportati su ossidi (allumina, zirconia e ceria), che, dovendo operare con un rapporto quasi stechiometrico combustibile/comburente, comportano una minore efficienza del motore e consumi maggiori del 20-30% rispetto alla combustione in eccesso di ossigeno. Inoltre, questa tecnologia non può essere utilizzata nei motori diesel, che lavorano in eccesso di ossigeno ed utilizzano carburanti con un tenore di zolfo relativamente elevato. In questi ultimi anni è cresciuto l’interesse per il controllo delle emissioni di NOx da fonti veicolari, con particolare attenzione alla riduzione catalitica in presenza di un eccesso di ossigeno, cioè in condizioni di combustione magra. Uno sviluppo recente è rappresentato dai catalizzatori tipo “Toyota” che sono basati sul concetto di accumulo e riduzione (storage/reduction), nei quali l’NO viene ossidato ed accumulato sul catalizzatore come nitrato in condizioni di eccesso di ossigeno. Modificando poi per brevi periodi di tempo le condizioni di alimentazione da ossidanti (aria/combustibile > 14,7 p/p) a riducenti (aria/combustibile < 14,7 p/p) il nitrato immagazzinato viene ridotto a N2 e H2O. Questi catalizzatori sono però molto sensibili alla presenza di zolfo e non possono essere utilizzati con i carburanti diesel attualmente in commercio. Obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di ottimizzare e migliorare la comprensione del meccanismo di reazione dei catalizzatori “storage-reduction” per l’abbattimento degli NOx nelle emissioni di autoveicoli in presenza di un eccesso di ossigeno. In particolare lo studio è stato focalizzato dapprima sulle proprietà del Pt, fase attiva nei processi di storage-reduction, in funzione del tipo di precursore e sulle proprietà e composizione della fase di accumulo (Ba, Mg ed una loro miscela equimolare) e del supporto (γ-Al2O3 o Mg(Al)O). Lo studio è stato inizialmente focalizzato sulle proprietà dei precursori del Pt, fase attiva nei processi di storage-reduction, sulla composizione della fase di accumulo (Ba, Mg ed una loro miscela equimolare) e del supporto (γ-Al2O3 o Mg(Al)O). E’ stata effettuata una dettagliata caratterizzazione chimico-fisica dei materiali preparati tramite analisi a raggi X (XRD), area superficiale, porosimetria, analisi di dispersione metallica, analisi in riduzione e/o ossidazione in programmata di temperatura (TPR-O), che ha permesso una migliore comprensione delle proprietà dei catalizzatori. Vista la complessità delle miscele gassose reali, sono state utilizzate, nelle prove catalitiche di laboratorio, alcune miscele più semplici, che tuttavia potessero rappresentare in maniera significativa le condizioni reali di esercizio. Il comportamento dei catalizzatori è stato studiato utilizzando differenti miscele sintetiche, con composizioni che permettessero di comprendere meglio il meccanismo. L’intervallo di temperatura in cui si è operato è compreso tra 200-450°C. Al fine di migliorare i catalizzatori, per aumentarne la resistenza alla disattivazione da zolfo, sono state effettuate prove alimentando in continuo SO2 per verificare la resistenza alla disattivazione in funzione della composizione del catalizzatore. I principali risultati conseguiti possono essere così riassunti: A. Caratteristiche Fisiche. Dall’analisi XRD si osserva che l’impregnazione con Pt(NH3)2(NO2)2 o con la sospensione nanoparticellare in DEG, non modifica le proprietà chimico-fisiche del supporto, con l’eccezione del campione con sospensione nanoparticellare impregnata su ossido misto per il quale si è osservata sia la segregazione del Pt, sia la presenza di composti carboniosi sulla superficie. Viceversa l’impregnazione con Ba porta ad una significativa diminuzione dell’area superficiale e della porosità. B. Caratteristiche Chimiche. L’analisi di dispersione metallica, tramite il chemiassorbimento di H2, mostra per i catalizzatori impregnati con Pt nanoparticellare, una bassa dispersione metallica e di conseguenza elevate dimensioni delle particelle di Pt. I campioni impregnati con Pt(NH3)2(NO2)2 presentano una migliore dispersione. Infine dalle analisi TPR-O si è osservato che: Maggiore è la dispersione del metallo nobile maggiore è la sua interazione con il supporto, L’aumento della temperatura di riduzione del PtOx è proporzionale alla quantità dei metalli alcalino terrosi, C. Precursore Metallo Nobile. Nelle prove di attività catalitica, con cicli ossidanti e riducenti continui in presenza ed in assenza di CO2, i catalizzatori con Pt nanoparticellare mostrano una minore attività catalitica, specie in presenza di un competitore come la CO2. Al contrario i catalizzatori ottenuti per impregnazione con la soluzione acquosa di Pt(NH3)2(NO2)2 presentano un’ottima attività catalitica, stabile nel tempo, e sono meno influenzabili dalla presenza di CO2. D. Resistenza all’avvelenamento da SO2. Il catalizzatore di riferimento, 17Ba1Pt/γAl2O3, mostra un effetto di avvelenamento con formazione di solfati più stabili che sul sistema Ba-Mg; difatti il campione non recupera i valori iniziali di attività se non dopo molti cicli di rigenerazione e temperature superiori ai 300°C. Per questi catalizzatori l’avvelenamento da SO2 sembra essere di tipo reversibile, anche se a temperature e condizioni più favorevoli per il 1.5Mg8.5Ba-1Pt/γAl2O3. E. Capacità di Accumulo e Rigenerabilità. Tramite questo tipo di prova è stato possibile ipotizzare e verificare il meccanismo della riduzione. I catalizzatori ottenuti per impregnazione con la soluzione acquosa di Pt(NH3)2(NO2)2 hanno mostrato un’elevata capacità di accumulo. Questa è maggiore per il campione bimetallico (Ba-Mg) a T < 300°C, mentre per il riferimento è maggiore per T > 300°C. Per ambedue i catalizzatori è evidente la formazione di ammoniaca, che potrebbe essere utilizzata come un indice che la riduzione dei nitrati accumulati è arrivata al termine e che il tempo ottimale per la riduzione è stato raggiunto o superato. Per evitare la formazione di NH3, sul catalizzatore di riferimento, è stata variata la concentrazione del riducente e la temperatura in modo da permettere alle specie adsorbite sulla superficie e nel bulk di poter raggiungere il Pt prima che l’ambiente diventi troppo riducente e quindi meno selettivo. La presenza di CO2 riduce fortemente la formazione di NH3; probabilmente perché la CO2, occupando i siti degli elementi alcalino-terrosi lontani dal Pt, impedisce ai nitriti/nitrati o all’H2 attivato di percorrere “elevate” distanze prima di reagire, aumentando così le possibilità di una riduzione più breve e più selettiva. F. Tempo di Riduzione. Si è migliorata la comprensione del ruolo svolto dalla concentrazione dell’agente riducente e dell’effetto della durata della fase riducente. Una durata troppo breve porta, nel lungo periodo, alla saturazione dei siti attivi, un eccesso alla formazione di NH3 Attraverso queste ultime prove è stato possibile formulare un meccanismo di reazione, in particolare della fase riducente. G. Meccanismo di Riduzione. La mobilità dei reagenti, nitriti/nitrati o H2 attivato è un elemento fondamentale nel meccanismo della riduzione. La vicinanza tra i siti di accumulo e quelli redox è determinante per il tipo di prodotti che si possono ottenere. La diminuzione della concentrazione del riducente o l’aumento della temperatura concede maggiore tempo o energia alle specie adsorbite sulla superficie o nel bulk per migrare e reagire prima che l’ambiente diventi troppo riducente e quindi meno selettivo.

Biomass Gasification - Process analysis and dimensioning aspects for downdraft units and gas cleaning lines

In such territories where food production is mostly scattered in several small / medium size or even domestic farms, a lot of heterogeneous residues are produced yearly, since farmers usually carry out different activities in their properties. The amount and composition of farm residues, therefore, widely change during year, according to the single production process periodically achieved. Coupling high efficiency micro-cogeneration energy units with easy handling biomass conversion equipments, suitable to treat different materials, would provide many important advantages to the farmers and to the community as well, so that the increase in feedstock flexibility of gasification units is nowadays seen as a further paramount step towards their wide spreading in rural areas and as a real necessity for their utilization at small scale. Two main research topics were thought to be of main concern at this purpose, and they were therefore discussed in this work: the investigation of fuels properties impact on gasification process development and the technical feasibility of small scale gasification units integration with cogeneration systems. According to these two main aspects, the present work was thus divided in two main parts. The first one is focused on the biomass gasification process, that was investigated in its theoretical aspects and then analytically modelled in order to simulate thermo-chemical conversion of different biomass fuels, such as wood (park waste wood and softwood), wheat straw, sewage sludge and refuse derived fuels. The main idea is to correlate the results of reactor design procedures with the physical properties of biomasses and the corresponding working conditions of gasifiers (temperature profile, above all), in order to point out the main differences which prevent the use of the same conversion unit for different materials. At this scope, a gasification kinetic free model was initially developed in Excel sheets, considering different values of air to biomass ratio and the downdraft gasification technology as particular examined application. The differences in syngas production and working conditions (process temperatures, above all) among the considered fuels were tried to be connected to some biomass properties, such elementary composition, ash and water contents. The novelty of this analytical approach was the use of kinetic constants ratio in order to determine oxygen distribution among the different oxidation reactions (regarding volatile matter only) while equilibrium of water gas shift reaction was considered in gasification zone, by which the energy and mass balances involved in the process algorithm were linked together, as well. Moreover, the main advantage of this analytical tool is the easiness by which the input data corresponding to the particular biomass materials can be inserted into the model, so that a rapid evaluation on their own thermo-chemical conversion properties is possible to be obtained, mainly based on their chemical composition A good conformity of the model results with the other literature and experimental data was detected for almost all the considered materials (except for refuse derived fuels, because of their unfitting chemical composition with the model assumptions). Successively, a dimensioning procedure for open core downdraft gasifiers was set up, by the analysis on the fundamental thermo-physical and thermo-chemical mechanisms which are supposed to regulate the main solid conversion steps involved in the gasification process. Gasification units were schematically subdivided in four reaction zones, respectively corresponding to biomass heating, solids drying, pyrolysis and char gasification processes, and the time required for the full development of each of these steps was correlated to the kinetics rates (for pyrolysis and char gasification processes only) and to the heat and mass transfer phenomena from gas to solid phase. On the basis of this analysis and according to the kinetic free model results and biomass physical properties (particles size, above all) it was achieved that for all the considered materials char gasification step is kinetically limited and therefore temperature is the main working parameter controlling this step. Solids drying is mainly regulated by heat transfer from bulk gas to the inner layers of particles and the corresponding time especially depends on particle size. Biomass heating is almost totally achieved by the radiative heat transfer from the hot walls of reactor to the bed of material. For pyrolysis, instead, working temperature, particles size and the same nature of biomass (through its own pyrolysis heat) have all comparable weights on the process development, so that the corresponding time can be differently depending on one of these factors according to the particular fuel is gasified and the particular conditions are established inside the gasifier. The same analysis also led to the estimation of reaction zone volumes for each biomass fuel, so as a comparison among the dimensions of the differently fed gasification units was finally accomplished. Each biomass material showed a different volumes distribution, so that any dimensioned gasification unit does not seem to be suitable for more than one biomass species. Nevertheless, since reactors diameters were found out quite similar for all the examined materials, it could be envisaged to design a single units for all of them by adopting the largest diameter and by combining together the maximum heights of each reaction zone, as they were calculated for the different biomasses. A total height of gasifier as around 2400mm would be obtained in this case. Besides, by arranging air injecting nozzles at different levels along the reactor, gasification zone could be properly set up according to the particular material is in turn gasified. Finally, since gasification and pyrolysis times were found to considerably change according to even short temperature variations, it could be also envisaged to regulate air feeding rate for each gasified material (which process temperatures depend on), so as the available reactor volumes would be suitable for the complete development of solid conversion in each case, without even changing fluid dynamics behaviour of the unit as well as air/biomass ratio in noticeable measure. The second part of this work dealt with the gas cleaning systems to be adopted downstream the gasifiers in order to run high efficiency CHP units (i.e. internal engines and micro-turbines). Especially in the case multi–fuel gasifiers are assumed to be used, weightier gas cleaning lines need to be envisaged in order to reach the standard gas quality degree required to fuel cogeneration units. Indeed, as the more heterogeneous feed to the gasification unit, several contaminant species can simultaneously be present in the exit gas stream and, as a consequence, suitable gas cleaning systems have to be designed. In this work, an overall study on gas cleaning lines assessment is carried out. Differently from the other research efforts carried out in the same field, the main scope is to define general arrangements for gas cleaning lines suitable to remove several contaminants from the gas stream, independently on the feedstock material and the energy plant size The gas contaminant species taken into account in this analysis were: particulate, tars, sulphur (in H2S form), alkali metals, nitrogen (in NH3 form) and acid gases (in HCl form). For each of these species, alternative cleaning devices were designed according to three different plant sizes, respectively corresponding with 8Nm3/h, 125Nm3/h and 350Nm3/h gas flows. Their performances were examined on the basis of their optimal working conditions (efficiency, temperature and pressure drops, above all) and their own consumption of energy and materials. Successively, the designed units were combined together in different overall gas cleaning line arrangements, paths, by following some technical constraints which were mainly determined from the same performance analysis on the cleaning units and from the presumable synergic effects by contaminants on the right working of some of them (filters clogging, catalysts deactivation, etc.). One of the main issues to be stated in paths design accomplishment was the tars removal from the gas stream, preventing filters plugging and/or line pipes clogging At this scope, a catalytic tars cracking unit was envisaged as the only solution to be adopted, and, therefore, a catalytic material which is able to work at relatively low temperatures was chosen. Nevertheless, a rapid drop in tars cracking efficiency was also estimated for this same material, so that an high frequency of catalysts regeneration and a consequent relevant air consumption for this operation were calculated in all of the cases. Other difficulties had to be overcome in the abatement of alkali metals, which condense at temperatures lower than tars, but they also need to be removed in the first sections of gas cleaning line in order to avoid corrosion of materials. In this case a dry scrubber technology was envisaged, by using the same fine particles filter units and by choosing for them corrosion resistant materials, like ceramic ones. Besides these two solutions which seem to be unavoidable in gas cleaning line design, high temperature gas cleaning lines were not possible to be achieved for the two larger plant sizes, as well. Indeed, as the use of temperature control devices was precluded in the adopted design procedure, ammonia partial oxidation units (as the only considered methods for the abatement of ammonia at high temperature) were not suitable for the large scale units, because of the high increase of reactors temperature by the exothermic reactions involved in the process. In spite of these limitations, yet, overall arrangements for each considered plant size were finally designed, so that the possibility to clean the gas up to the required standard degree was technically demonstrated, even in the case several contaminants are simultaneously present in the gas stream. Moreover, all the possible paths defined for the different plant sizes were compared each others on the basis of some defined operational parameters, among which total pressure drops, total energy losses, number of units and secondary materials consumption. On the basis of this analysis, dry gas cleaning methods proved preferable to the ones including water scrubber technology in al of the cases, especially because of the high water consumption provided by water scrubber units in ammonia adsorption process. This result is yet connected to the possibility to use activated carbon units for ammonia removal and Nahcolite adsorber for chloride acid. The very high efficiency of this latter material is also remarkable. Finally, as an estimation of the overall energy loss pertaining the gas cleaning process, the total enthalpy losses estimated for the three plant sizes were compared with the respective gas streams energy contents, these latter obtained on the basis of low heating value of gas only. This overall study on gas cleaning systems is thus proposed as an analytical tool by which different gas cleaning line configurations can be evaluated, according to the particular practical application they are adopted for and the size of cogeneration unit they are connected to.

Determinazione di radicali OH: sintesi di materiali per la modifica di elettrodi di platino e carbone vetroso

Questa tesi descrive lo sviluppo di un elettrodo modificato con un polimero isolante per la determinazione indiretta del radicale OH. I polimeri testati sono stati polifenolo, polipirrolo e polipirrolo sovraoossidato ed il primo è risultato quello con le migliori prestazioni. Il film di modificante è stato depositato per elettropolimerizzazione del fenolo in ambiente acido, su un elettrodo di carbone vetroso (GC) ed è risultato isolante e perfettamente adeso al GC, impedendo il trasferimento di carica alle più comuni sonde redox. L’attacco dei radicali OH, generati dalla reazione di Fenton o dalla fotolisi di H2O2, rimuove parzialmente il polimero dal GC, ripristinando parzialmente il comportamento conduttore dell’elettrodo. L’entità della degradazione del film polifenolico è stata valutata sfruttando la corrente relativa alla sonda redox Ru(NH3)63+, che rappresenta il segnale analitico per la determinazione del radicale OH. L’elettrodo è stato impiegato per stimare le prestazioni di foto catalizzatori a base di nanoparticelle di TiO2, ottenendo risultati correlati a quelli ricavati da un metodo HPLC. Inoltre esso è stato usato per sviluppare una nuova procedura per la determinazione della capacità di scavenging verso i radicali OH, che è stata applicata all’analisi di composti puri e campioni reali. I risultati erano confrontabili con quelli determinati con metodiche standardizzate, comunemente impiegate per la determinazione della capacità antiossidante. Inoltre è stato condotto uno studio riguardante la modifica di un elettrodo di platino con un idrossido misto a strati a base di cobalto e alluminio (LDH). In particolare si sono valutati gli effetti di diversi pretrattamenti del Pt sulle caratteristiche e prestazioni elettrocatalitiche del film di LDH nei confronti dell’ossidazione di anilina, fenolo e acido salicilico. Questi composti possono essere impiegati come molecole sonda per la determinazione del radicale OH e rivestono interesse da un punto di vista elettroanalitico perché portano facilmente alla passivazione della superficie di Pt.