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.

Nuovi processi catalitici per la produzione di syngas

The study of the combined Steam/Dry Reforming (S/DR) process for the production of syngas (CO + H2) from clean biogas was carried out using Ni/Ir bimetallic catalysts on Mg and Al mixed-oxides, obtained by calcination of hydrotalcite-type precursors (Ht) prepared by co-precipitation. The presence of small amounts of Ir promoted the catalytic activity and limited the deactivation phenomena through the formation of a bimetallic alloy, which does the catalyst very active even at lowest temperature and in lack of steam. By integrating a High Temperature–WGS unit (HTS) after the S/DR reactor it was possible to increase the H2 yield of the process. The performance of the Zn/Al/Cu-based catalyst was improved using a templating agent during the synthesis of the catalyst, which increased the catalyst’s structural properties and activity especially at lowest temperatures and at highest contact times. Finally, starting from the laboratory data, it was possible to simulate the S/DR process on industrial scale, evaluating its scalability and environmental impact. The results showed that, using the S/DR technology instead of the current processes, it was possible to reduce the energy costs and the atmospheric emissions of the plant.

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.

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.

Daily temperature trends in Trentino Alto Adige over the last century

Numerosi lavori apparsi sulla letteratura scientifica negli ultimi decenni hanno evidenziato come, dall’inizio del XX secolo, la temperatura media globale sia aumentata. Tale fenomeno si è fatto più evidente dagli anni ’80, infatti ognuno degli ultimi tre decenni risulta più caldo dei precedenti. L’Europa e l’area mediterranea sono fra le regioni in cui il riscaldamento risulta più marcato, soprattutto per le temperature massime (dal 1951 sono cresciute di +0.39 °C per decennio) che hanno mostrato trend maggiori delle minime. Questo comportamento è stato osservato anche a scala nazionale (+0.25°C/dec per le massime e +0.20°C/dec per le minime). Accanto all’aumento dei valori medi è stato osservato un aumento (diminuzione) degli eventi di caldo (freddo) estremo, studiati attraverso la definizione di alcuni indici basati sui percentili delle distribuzioni. Resta aperto il dibattito su quali siano le cause delle variazioni negli eventi estremi: se le variazioni siano da attribuire unicamente ad un cambiamento nei valori medi, quindi ad uno shift rigido della distribuzione, o se parte del segnale sia dovuto ad una variazione nella forma della stessa, con un conseguente cambiamento nella variabilità. In questo contesto si inserisce la presente tesi con l’obiettivo di studiare l’andamento delle temperature giornaliere sul Trentino-Alto-Adige a partire dal 1926, ricercando cambiamenti nella media e negli eventi estremi in due fasce altimetriche. I valori medi delle temperature massime e minime hanno mostrato un evidente riscaldamento sull’intero periodo specialmente per le massime a bassa quota (`0.13 ̆ 0.03 °C/dec), con valori più alti per la primavera (`0.22 ̆ 0.05 °C/dec) e l’estate (`0.17 ̆ 0.05 °C/dec). Questi trends sono maggiori dopo il 1980 e non significativi in precedenza. L’andamento del numero di giorni con temperature al di sopra e al di sotto delle soglie dei percentili più estremi (stimate sull’intero periodo) indica un chiaro aumento degli estremi caldi, con valori più alti per le massime ad alta quota ( fino a +26.8% per il 99-esimo percentile) e una diminuzione degli estremi freddi (fino a -8.5% per il primo percentile delle minime a bassa quota). Inoltre, stimando anno per anno le soglie di un set di percentili e confrontando i loro trend con quelli della mediana, si è osservato, unicamente per le massime, un trend non uniforme verso temperature più alte, con i percentili più bassi (alti) caratterizzati da trend inferiori (superiori) rispetto a quello della mediana, suggerendo un allargamento della PDF.

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.

Transgenerational effects of temperature on egg and larval development in Cyprinodon variegatus

Transgenerational plasticity (TGP), a type of maternal effect, occurs when the environment experienced by one or both the parents prior to fertilization directly translates, without changing DNA sequences, into changes in offspring reaction norms. Evidence of such effects has been found in several traits throughout many phyla, and, although of great potential importance - especially in a time of rapid climate change - TGP in thermal growth physiology had never been demonstrated for vertebrates until the first experiment on thermal TGP in sheepshead minnows, who, given sufficient time, adaptively program their offspring for maximal egg viability and growth at the temperature experienced before fertilization. This study on sheepshead minnows from South Carolina and Connecticut investigates how population, parent temperature, and offspring temperature affect egg production, size, viability, larval survival and growth rates, whether these effects provide evidence of TGP, and whether and how they vary with length of exposure time (5, 12, 19, 26, 33 and 43 days) of the parents to the new experimental temperatures of either 26°C or 32°C. Several results are consistent with those obtained in the previous TGP study, which outline a sequence of events consisting of an initial adjustment period to the new temperatures, in which egg production decreases and no signs of TGP are present, followed by a shift to TGP (towards 26-33 days of exposure) in which parents start to produce more eggs which are better adapted to the new thermal environment. Other results present new information, such as signs of TGP in the parent temperature effect on egg sizes already around 20 days of exposure. The innovative idea of populations being able to adapt to rapidly shifting environments through non-genetic mechanisms such as TGP opens new possibilities of survival of species and will have important implications on ecology, physiology, and contemporary evolution.