Sviluppo di nuovi catalizzatori per la reazione di water gas shift a media temperatura

L’idrogeno è un elemento di elevato interesse economico, con una produzione industriale che supera i 55 x 1010 m3/anno e notevoli prospettive di sviluppo delle sue applicazioni. Attualmente l’idrogeno è prodotto principalmente in impianti di larga scala (circa 1000 m3/h) da combustibili fossili attraverso processi di steam reforming ed ossidazione parziale catalitica. Per aumentare la produzione di idrogeno un ruolo fondamentale è svolto dalla reazione di water gas shift (WGS) che abbatte il contenuto di CO, massimizzando la produzione di idrogeno. La reazione è condotta industrialmente in due stadi, operanti ad alta temperatura (HTS, circa 350 °C) e bassa temperatura (LTS, circa 250 °C), utilizzando rispettivamente catalizzatori a base di ferro o rame. Tuttavia, è evidente l’interesse per nuove formulazioni in grado di operare in un unico stadio a temperatura intermedia (MTS), mantenendo le caratteristiche ottimali di attività e stabilità. In questo lavoro di tesi, condotto in collaborazione con AIR LIQUIDE (F), è stato affrontato uno studio della reazione di WGS finalizzato allo sviluppo di nuove formulazioni attive e stabili nell’MTS. In particolare, sono stati sintetizzati precursori idrotalcitici Cu/Zn/Al (contenenti carbonati o silicati), con bassi contenuti di rame (diversamente da quanto riportato in letteratura), modulandone le proprietà chimico-fisiche, l’attività catalitica e la stabilità con il tempo di reazione. Si è osservato come i catalizzatori con minori contenuti di rame ed ottenuti da precursori contenenti carbonati mostrassero un’elevata attività e selettività nell’MTS, raggiungendo valori di conversione del CO analoghi a quelli all’equilibrio termodinamico già a 300 °C, indipendentemente dai valori del rapporto S/DG e del tempo di contatto. Tutti i catalizzatori mostrano un’elevata stabilità con il tempo di reazione, con incrementi del quantitativo del CO in uscita dopo 100h di circa lo 0,7 % v/v. I catalizzatori scaricati dopo le prove catalitiche evidenziano gli effetti dei processi di sinterizzazione (diminuzione dell’area superficiale ed incremento delle dimensioni dei cristalliti), la cui entità diminuisce al diminuire del contenuto di rame. Infine, confrontando l’attività dei migliori catalizzatori preparati in questo lavoro di tesi con quella di uno dei più utilizzati catalizzatori commerciali per la reazione di WGS a bassa temperatura, si sono osservati valori di attività analoghi, raggiungendo quelli di equilibrio per temperature  300°C, ma con una attività significativamente superiore nelle condizioni LTS, soprattutto considerando il valore del tempo di contatto inferiore a quelli comunemente utilizzati negli impianti industriali.

New catalysts for the water gas shift reaction at middle-temperature

H2 demand is continuously increasing since its many relevant applications, for example, in the ammonia production, refinery processes or fuel cells. The Water Gas Shift (WGS) reaction (CO + H2O = CO2 + H2 DeltaH = -41.1 kJ.mol-1) is a step in the H2 production, reducing significantly the CO content and increasing the H2 one in the gas mixtures obtained from steam reforming. Industrially, the reaction is carried out in two stages with different temperature: the first stage operates at high temperature (350-450 °C) using Fe-based catalysts, while the second one is performed at lower temperature (190-250 °C) over Cu-based catalysts. However, recently, an increasing interest emerges to develop new catalytic formulations, operating in a single-stage at middle temperature (MTS), while maintaining optimum characteristics of activity and stability. These formulations may be obtained by improving activity and selectivity of Fe-based catalysts or increasing thermal stability of Cu-based catalysts. In the present work, Cu-based catalysts (Cu/ZnO/Al2O3) prepared starting from hydrotalcite-type precursors show good homogeneity and very interesting physical properties, which worsen by increasing the Cu content. Among the catalysts with different Cu contents, the catalyst with 20 wt.% of Cu represents the best compromise to obtain high catalytic activity and stability. On these bases, the catalytic performances seem to depend on both metallic Cu surface area and synergetic interactions between Cu and ZnO. The increase of the Al content enhances the homogeneity of the precursors, leading to a higher Cu dispersion and consequent better catalytic performances. The catalyst with 20 wt.% of Cu and a molar ratio M(II)/M(III) of 2 shows a high activity also at 250 °C and a good stability at middle temperature. Thus, it may be considered an optimum catalyst for the WGS reaction at middle temperature (about 300 °C). Finally, by replacing 50 % (as at. ratio) of Zn by Mg (which is not active in the WGS reaction), better physical properties were observed, although associate with poor catalytic performances. This result confirms the important role of ZnO on the catalytic performances, favoring synergetic interactions with metallic Cu.

Assemblaggio e caratterizzazione delle prestazioni di un nuovo rilassometro nmr con bobina a radiofrequenza di 8 cm di diametro

Lo scopo di questa tesi è l'installazione di un Rilassometro ottenuto a partire da un magnete permanente situato nel Dipartimento di Fisica e Astronomia (DIFA - via Irnerio, 46), al fine di eseguire misure attendibili di Rilassometria in mezzi porosi su campioni del diametro di alcuni centimetri. Attualmente nel Dipartimento è gia presente un elettromagnete adibito a misure di questo tipo; tuttavia, questo strumento permette lo studio di campioni di piccole dimensioni (circa 220mm3) e si rivela insuffciente per lo studio di rocce, coralli e altre strutture porose di più grande dimensione senza la frantumazione del campione stesso; per questa ragione si è presentata la necessità dell'istallazione di una nuova strumentazione. Parte della strumentazione utilizzata è in disuso da parecchi anni e le caratteristiche devono essere verificate. Dopo l'assemblaggio della strumentazione (magnete, console, probe), sono state determinate le migliori condizioni in cui effettuare le misure, ovvero i parametri fondamentali dell'elettronica (frequenza di risonanza, TATT, tempo morto del probe, tempo di applicazione dell'impulso 90°) e la zona di maggiore uniformità del campo magnetico. Quindi, sono state effettuate misure di T1 e T2 su campioni bulk e su un campione di roccia saturata d'acqua, confrontando i risultati con valori di riferimento ottenuti tramite elettromagnete. I risultati ottenuti risultano consistenti con i valori attesi, con scarti - inevitabili a causa della grande differenza di volume dei campioni - molto ridotti, pertanto l'installazione del nuovo Rilassometro risulta essere completata con successo.

13C NMR of a single molecule magnet: analysis of pseudocontact shifts and residual dipolar couplings

Paramagnetic triple decker complexes of lanthanides are promising Single Molecule Magnets (SMMs), with many potential uses. Some of them show preferable relaxation behavior, which enables the recording of well resolved NMR spectra. These axially symmetric complexes are also strongly magnetically anisotropic, and this property can be described with the axial component of the magnetic susceptibility tensor, χa. For triple decker complexes with phthalocyanine based ligands, the Fermi˗contact contribution is small. Hence, together with the axial symmetry, the experimental chemical shifts in 1H and 13C NMR spectra can be modeled easily by considering pseudocontact and orbital shifts alone. This results in the determination of the χa value, which is also responsible for molecular alignment and consequently for the observation of residual dipolar couplings (RDCs). A detailed analysis of the experimental 1H-13C and 1H-1H couplings revealed that contributions from RDCs (positive and negative) and from dynamic frequency shifts (negative for all observed couplings) have to be considered. Whilst the pseudocontact shifts depend on the average positions of 1H and 13C nuclei relative to the lanthanide ions, the RDCs are related to the mobility of nuclei they correspond to. This phenomenon allows for the measurement of the internal mobility of the various groups in the SMMs.

Sistemi catalitici per la reazione di water - gas shift a media temperatura

Negli ultimi anni l’interesse nei confronti dell’H2 è cresciuto notevolmente per l’aumento della richiesta energetica mondiale. Uno dei processi più importanti per la produzione di H2 utilizza la reazione di Water-Gas Shift (WGS) per il trattamento delle correnti in uscita dai processi di steam reforming o di ossidazione parziale catalitica. CO + H2O  CO2 + H2 ∆H0298 = -41,2 KJ/mol Sono quindi stati sviluppati sistemi catalitici attivi nella reazione di WGS a media temperatura (circa 300 °C). Partendo da sistemi catalitici a base di Cu/Zn/Al, ottenuti da precursori idrotalcitici e sviluppati in lavori di tesi precedenti, sono state effettuate modifiche nella composizione al fine di aumentarne l’attività e la stabilità. L’aggiunta di piccole quantità di Mg ha un effetto positivo sull’attività dei sistemi catalitici, con effetti più evidenti a 250 °C. Tuttavia, l’aumento del contenuto di Mg, sebbene migliori le proprietà fisiche del catalizzatore (area superficiale e dispersione del Cu) sia del campione calcinato che di quello scaricato dopo reazione, peggiora drasticamente l’attività catalitica. L’aggiunta di piccole quantità di Mg sembra portare alla stabilizzazione della specie attiva Cu+ e promuovere un meccanismo redox superficiale (Cu0 e Cu+). E’ possibile correlare la conversione del CO con il rapporto ZnO/Cu, confermando il ruolo nella reazione di WGS dell’interazione Cu0/ZnO libero. La sostituzione di Mg con Ba comporta un miglioramento delle prestazioni catalitiche, in particolare nelle condizioni MTS (300 °C), suggerendo una più facile dissociazione dell’acqua legata alla stabilizzazione degli ossidrili da parte dei siti basici. È però accompagnato da una diminuzione della stabilità nelle condizioni di reazione. L’aggiunta di piccole quantità di La, Ce o Zr (con un rapporto Al/R = 50 mol/mol) incrementa la stabilità termica, sia in termini di proprietà fisiche che di attività catalitica. A seguito dei cicli termici di invecchiamento accelerato, infatti, non si riscontrano importanti diminuzioni di attività catalitica, evidenziando un’elevata stabilità della fase attiva.

Studio del comportamento catalitico nella reazione di Water Gas Shift a media ed alta temperatura

Per massimizzare la quantità di H2 nel gas di sintesi ottenuto dal processo di Steam Reforming (SR) si utilizza la reazione di Water Gas Shift (WGS): CO + H2O ⇆ CO2 + H2 ∆H0298 = - 41,2 KJ/mol Sulla base di sistemi catalitici Cu/Zn/Al si è cercato di modificarne la composizione per ottenere catalizzatori attivi e stabili in un intervallo di temperatura tra 350-450 °C, (High Temperature Shift o HTS), al fine di sostituire i tradizionali sistemi a base di Fe/Cr, in relazione alle limitazioni ambientali all’utilizzo del Cr e per poter operare con valori inferiori del rapporto S/DG. Si sono inoltre studiate le caratteristiche dei catalizzatori e le condizioni di reazione che favoriscono la produzione di metilammine ed alcoli nel processo a temperature intermedie, tra 300-350 °C (Middle Temperature Shift o MTS), in relazione alla disattivazione che questi composti comportano nel processo di SR a seguito del riciclo della fase acquosa dal reattore di WGS.

Integrazione di misure NMR e microscopiche per la descrizione quantitativa degli effetti di stress esterni su colture cellulari

La tesi si occupa dell’integrazione di misure NMR e microscopiche per la descrizione quantitativa degli effetti di stress esterni su colture cellulari. Una maggiore comprensione dei dati ricavati tramite NMR potrebbe consentire di interpretare la vitalità e funzionalità cellulare attraverso la localizzazione spaziale degli idrogeni. L'ipotesi di partenza è che la compartimentazione degli idrogeni (associati a molecole di acqua) nel citoplasma possa fornire una stima del numero di cellule vitali (e quindi in grado di mantenere l'acqua al proprio interno mediante processi attivi). I risultati NMR, prodotti dal gruppo di ricerca del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Bologna della Prof.ssa Fantazzini, sono stati comparati con le informazioni acquisite dal candidato tramite metodologie di conteggio cellulare (sia vive che morte) presenti in un campione sottoposto a forte e prolungato stress (assenza di terreno di coltura e di bilanciamento del sistema tampone tramite CO2 per 400 ore). Cellule da una linea di glioblastoma multiforme (T98G) mantenute in condizioni di coltura standard sono state preparate secondo lo stesso protocollo per entrambe le tecniche di indagine, e monitorate per intervalli di tempo paragonabili. Le immagini delle cellule ottenute al microscopio ottico in modalità “contrasto di fase” sono state acquisite e utilizzate per l’analisi. Una volta definito un metodo di conteggio sperimentale, è stato possibile dedurre il comportamento delle concentrazioni di cellule sopravvissute in funzione del tempo di campionamento. Da una serie ripetuta di esperimenti è stato caratterizzato un andamento nel tempo di tipo esponenziale decrescente per il numero di cellule vive, permettendo la stima della costante di decadimento in buon accordo tra i vari esperimenti. Un analogo modello esponenziale è stato utilizzato per la descrizione dell'aumento del numero di cellule morte. In questo caso, la difficoltà nell'individuare cellule morte integre (per la frammentazione delle membrane cellulari dopo la morte) ha contribuito a determinare una sistematica sottostima nei conteggi. Il confronto dei risultati NMR e microscopici indica che la diminuzione del numero di cellule vive corrisponde ad una analoga diminuzione degli H1 compartimentalizzati fino ad un tempo specifico di circa 50-60 ore in tutti gli esperimenti. Oltre questo tempo, i dati di NMR mostrano invece un incremento di H1 compartimentalizzati, quando invece il numero di cellule vive continua a diminuire in modo monotono. Per interpretare i risultati ottenuti, è stato quindi ipotizzato che, a partire da cellule morte frammentate, strutture micellari e liposomiali formate dai lipidi di membrana in soluzione possano intrappolare gli H1 liberi, aumentando il segnale di risposta della componente compartimentalizzata come evidenziato in NMR.

Rilassometria NMR per lo studio degli ioni cobalto nel cobaltismo da artroprotesi

Il rilascio di detriti d’usura metallici è una grave problematicità connessa ai sistemi protesici, e principalmente riguarda le protesi d’anca ad accoppiamento metallo su metallo in lega CoCr. La presenza di un livello di ioni Co nel siero che supera la soglia di tossicità è correlata a metallosi periprotesica eal fallimento del l’impianto. Recentemente è emersa un’altra casistica, presumibilmente connessa alla distribuzione e accumulo di questi ioni in tessuti di organi anche lontani dall’impianto, che si manifesta con una sintomatologia sistemica analoga a casi noti di avvelenamento da Cobalto. Nel contesto di questa nuova patologia sarebbe di grande interesse la possibilità di monitorare in-vivo la distribuzione del Cobalto rilasciato da protesi articolari, in organi o tessuti di pazienti che manifestano alti ivelli ionici di Co nel siero utilizzando metodiche non invasive come l’NMR. L’ipotesi sperimentale di applicabilità prende spunto dalle proprietà magnetiche che alcuni composti del Cobalto possono presentare nell’organismo. In questo lavoro sperimentale, nato dalla collaborazione tra il laboratorio NMR del DIFA dell’Università di Bologna e l’Istituto Ortopedico Rizzoli (IOR) di Bolgna, si presentano i risultati relativi allo studio di fattibilità condotto con diverse metodiche di rilassometria NMR su campioni biologici in presenza di Co. L’obiettivo riguarda la caratterizzazione delle proprietà di rilassamento con elettromagnete a temperatura ambiente e fisiologica, e la valutazione delle dinamiche molecolari dai profili NMRD ottenuti alle basse frequenze con metodica Fast Field Cycling, dei nuclei 1H di tali sistemi in presenza di Co.

Catalizzatori per la reazione di Water Gas Shift a media ed alta temperatura

L’H2 è un vettore energetico di elevato interesse, utilizzato nell’industria chimica per la produzione di NH3 e CH3OH, oltre che per le reazioni di idrogenazione ed HDS. Un importante processo nella produzione di H2 è la reazione di Water Gas Shift (WGS), usata nel trattamento delle correnti uscenti dal reattore di Steam Reforming (SR) del metano: CO + H2O  CO2 + H2 ∆H0298K = -41,2 KJ/mol. Sulla base di precedenti lavori, sono stati sviluppati nuovi catalizzatori per la reazione WGS ad alta temperatura (HTS), alternativi ai tradizionali sistemi a base di Fe/Cr, in considerazione dei vincoli economici (elevati valori del rapporto vapore/gas secco o S/DG) ed ambientali (formazione di CrVI) di questi sistemi. Partendo da sistemi Cu/Zn/Al con un basso contenuto di rame, ottenuti da precursori tipo idrotalcite (HT), stato studiato l’effetto dell’aggiunta di piccole quantità di alcuni promotori sull’attività e stabilità dei catalizzatori ottenuti, osservando un effetto positivo sulle caratteristiche fisiche, come l’aumento dell’area superficiale e della dispersione della fase attiva. I campioni contenenti i promotori erano inoltre caratterizzati da una maggiore stabilità termica e, in alcuni casi, da un’attività catalitica superiore a quella del catalizzatore di riferimento privo di promotori. L’aggiunta di piccole quantità di alcali alla formulazione con la migliore attività portava ad un ulteriore aumento di attività e di stabilità, attribuibile ad una minore formazione di coke sulla superficie. I sistemi più interessanti potevano operare anche a bassi valori del rapporto S/DG, interessanti dal punto di vista industriale. Lo studio dell’adsorbimento di CO mediante FT-IR ha permesso di ipotizzare la possibile natura della fase attiva nei sistemi. Infine, lo studio è stato esteso a sistemi per la reazione di WGS a media temperatura (MTS), osservando anche in questo caso un positivo effetto legato all’aggiunta di promotori, con un aumento dell’attività catalitica e della stabilità con il tempo di reazione.

Sviluppo di un sistema integrato innovativo per la contemporanea produzione e separazione di H2 ultrapuro, attraverso oxy-reforming, water-gas shift e membrane al Pd

Il presente lavoro di tesi si è focalizzato sullo studio e sulla ottimizzazione di un sistema integrato, che utilizzi la reazione di oxy-reforming del metano al fine di produrre syngas che venga trattato attraverso la water-gas shift al fine di abbattere il contenuto di CO e al tempo stesso aumentare la resa in H2. Con l’obiettivo di ottenere H2 ad elevata purezza (>99%) da poter essere inviato direttamente a celle a combustible ed in impianti di piccola taglia con possibile delocalizzazione della produzione industriale di energia elettrica e termica “pulita”, la miscela reale uscente dal processo di oxy-reforming è stata processata tramite successiva water-gas shift direttamente all’interno di una membrana ceramica al Pd selettiva nella separazione di H2. L’innovativià di questo progetto di studio è data da diversi parametri quali: 1) l’impiego dell’oxy-reforming in alternativa al normale steam-reforming del CH4, che permette di condurre il processo a temperature decisamente inferiori (700-750°C), utilizzando un minor quantitativo di vapore (S/C = 0.7); 2) l’utilizzo di due nuove formulazioni di catalizzatore di WGS per alte temperature, capace di operare in un unico stadio conversioni di CO ottenibili industrialmente solo attraverso i convenzionali due due stadi di reazione (e due diverse formulazioni di catalizzatori a base di Fe/Cr e Cu); 3) l’utilizzo di supporti ceramici con membrana a base di Pd, capaci di ospitare al loro interno un catalizzatore eterogeneo per la reazione di WGS a 400°C, rendendo quindi possibile la produzione e contemporanea separazione di H2 con un ulteriore effetto positivo poiché la membrana rimuovendo H2 dalla zona di reazione favorisce il superamento dell’equilibrio termodinamico per la conversione del CO, abbassandone il contenuto nel flusso uscente dei gas reazione e rendendo non più necessari sistemi aggiuntivi di separazione quali PSA o PROXY.

The use of mobile single-sided NMR for the diagnosis of osteoporosis: a preliminary study

Una nuova ed originale tecnica è stata messa a punto, finalizzata alla realizzazione di una procedura per la diagnosi dell’osteoporosi, mediante l’utilizzo di scanner low field single-sided NMR. Tre differenti scanner (NMR MOLE, MOUSE PM 10 e MOUSE PM5) sono stati usati per determinare il Bone Volume-to-Total Volume ratio (BV/TV), parametro che fornisce indicazioni sulla microstruttura dell’osso. I risultati sono stati confrontati con le analisi micro-CT. Gli esperimenti sono stati condotti nel Lab. NMR del dipartimento DIFA di UNIBO e nel Lab. NMR della Victoria University di Wellington (NZ), durante un periodo di visita di cinque mesi, supportato da una borsa di studio della “Facoltà di Scienze” di UNIBO. Le analisi micro-CT sono state condotte presso il Lab. di Tecnologie Mediche dell’Istituto Ortopedico Rizzoli, Bologna. La ricerca è stata parzialmente finanziata dalla “Fondazione del Monte di Bologna e Ravenna”. La caratterizzazione dell’osso trabecolare di campioni animali e dei tessuti che lo circondano (come cartilagine e muscolo) è stata condotta tramite mappe di correlazione T1-T2 e D-T2 , dove T1 e T2 sono, rispettivamente, il tempo di rilassamento longitudinale e trasversale del nucleo 1H, e D è il coefficiente di autodiffusione molecolare. E’ stata sviluppata una sequenza di impulsi (Diffusion-Weighted T1-T2) per ottenere mappe T1-T2 pesate in diffusione. I risultati hanno consentito di mettere a punto una procedura che elimina il segnale NMR proveniente da cartilagine e muscolo, rendendo più realistico lo scenario di applicazione in-vivo. I tre diversi dispositivi NMR hanno dato risultati consistenti tra loro e con le immagini micro-CT. L’intera catena di esperimenti condotti ha mostrato che dispositivi NMR single-sided possono essere usati per valutare il BV/TV di ossa trabecolari, con il vantaggio di essere portatili, a basso costo e non invasivi, permettendo campagne di screening della popolazione a rischio osteoporosi.

Two-dimensional relaxation-diffusion analysis to study water compartmentalization in cells by a single-sided NMR device

In questo lavoro di tesi è presentato un metodo per lo studio della compartimentalizzazione dell’acqua in cellule biologiche, mediante lo studio dell’autodiffusione delle molecole d’acqua tramite uno strumento NMR single-sided. Le misure sono state eseguite nel laboratorio NMR all’interno del DIFA di Bologna. Sono stati misurati i coefficienti di autodiffusione di tre campioni in condizione bulk, ottenendo risultati consistenti con la letteratura. È stato poi analizzato un sistema cellulare modello, Saccharomyces cerevisiae, allo stato solido, ottimizzando le procedure per l’ottenimento di mappe di correlazione 2D, aventi come assi il coefficiente di autodiffusione D e il tempo di rilassamento trasversale T2. In questo sistema l’acqua è confinata e l’autodiffusione è ristretta dalle pareti cellulari, si parla quindi di coefficiente di autodiffusione apparente, Dapp. Mediante le mappe sono state individuate due famiglie di nuclei 1H. Il campione è stato poi analizzato in diluizione in acqua distillata, confermando la separazione del segnale in due distinte famiglie. L’utilizzo di un composto chelato, il CuEDTA, ha permesso di affermare che la famiglia con il Dapp maggiore corrisponde all’acqua esterna alle cellule. L’analisi dei dati ottenuti sulle due famiglie al variare del tempo lasciato alle molecole d’acqua per la diffusione hanno portato alla stima del raggio dei due compartimenti: r=2.3±0.2µm per l’acqua extracellulare, r=0.9±0.1µm per quella intracellulare, che è probabilmente acqua scambiata tra gli organelli e il citoplasma. L’incertezza associata a tali stime tiene conto soltanto dell’errore nel calcolo dei parametri liberi del fit dei dati, è pertanto una sottostima, dovuta alle approssimazioni connesse all’utilizzo di equazioni valide per un sistema poroso costituito da pori sferici connessi non permeabili. Gli ordini di grandezza dei raggi calcolati sono invece consistenti con quelli osservabili dalle immagini ottenute con il microscopio ottico.