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.

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.

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.

An electron microscopic study of quasicrystals in a quaternary alloy : Mg32(Al, Zn, Cu)49

The discovery of a solid exhibiting m 3 5 point group symmetry by Shechtman et. al. (l) in a rapidly solidified Al-14at%Mn alloy has activated intensive studies of a new class of solids, termed as quasicrystals (2). While the original discovery reported the existence of quasicrystals in AI-Mn. AI-Fe and AI-Cr alloys, subsequent work has revealed their existence in Mg-Zn-Al(3,4), Mg-A]-Cu(5), AI-Mn-Si(6) and Ti-Ni-V(7) alloys (Table l).

Influence of Cu and Cr on the matrix decomposition of quenched Al-Zn-Mg alloy

The Inoue procedure is used to study the influence of Cr and Cu elements, jointly or individually, on the matrix decomposition of quenched Al-Zn-Mg alloys. The addition of copper and copper with chromium does not significantly change the limits of the temperatures of formation of Guinier-Preston zone and the range of the matrix decomposition. The control of the vacancy concentration in the alloys by different heat treatments and the addition of certain elements such as copper and chromium seems to play an important role in the nucleation rate and the kinetics of phase transformations.

Development of alloys with high strength at elevated temperatures by tuning the bimodal microstructure in the Al-Cu-Ni eutectic system

The development of high-strength aluminum alloys that can operate at 250 degrees C and beyond remains a challenge to the materials community. In this paper we report preliminary development of nanostructural Al-Cu-Ni ternary alloys containing alpha-Al, binary Al2Cu and ternary Al2Cu4Ni intermetallics. The alloys exhibits fracture strength of similar to 1 GPa with similar to 9% fracture strain at room temperature. At 300 degrees C, the alloy retains the high strength. The reasons for such significant mechanical properties are rationalized by unraveling the roles and response of various microstructural features. (C) 2014 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Ageing behavior in the Cu-10 wt.%Al and Cu-10 wt.%Al-4 wt.%Ag alloys

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Biological leaching of Mn, Al, Zn, Cu and Ti in an anaerobic sewage sludge effectuated by Thiobacillus ferrooxidans and its effect on metal partitioning

The chemical fractionation and bioleaching of Mn, At, Zn, Cu and Ti in municipal sewage sludge were investigated using Thiobacillus ferrooxidans as leaching microorganism. As a result of the bacterial activity, ORP increase and pH reduction were observed. Metal solubilization was accomplished only in experimental systems supplemented with energy source (Fe(II)). The solubilization efficiency approached similar to80% for Mn and Zn, 24% for Cu, 10% for At and 0.2% for Ti. The chemical fractionation of Mn, At, Zn, Cu and Ti was investigated using a five-step sequential extraction procedure employing KNO3. KF, Na4P2O7, EDTA and HNO3. The results show that the bioleaching process affected the partitioning of Mn and Zn, increasing its percentage of elution in the KNO3 fraction while reducing it in the KF, Na4P2O7 and EDTA fractions. No significant effect was detected on the partitioning of Cu and Al. However, quantitatively the metals Mn, Zn, Cu and At were extracted with higher efficiency after the bacterial activity. Titanium was unaffected by the bioleaching process in both qualitative and quantitative aspects. (C) 2002 Elsevier B.V. Ltd. All rights reserved.

Thermal behavior of alpha-(Cu-Al-Ag) alloys

Thermal behavior of alpha-(Cu-Al-Ag) alloys, i.e. alloys with composition less than about 8.5 mass% Al, was studied using differential scanning calorimetry (DSC), differential thermal analysis (DTA), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray analysis (EDX) and X-ray diffractometry (XRD). The results indicated that the presence of silver introduces new thermal events ascribed to the formation of a silver-rich phase and, after addition higher amounts than 8 mass% Ag to the Cu-8 mass% Al alloy it is possible to observe the formation of the gamma(1) phase (Al4Cu9), which is only observed in alloys containing minimum of 9 mass% Al. These results may be attributed to some Ag characteristics and its interaction with Cu and Al.

Completeness of beta-phase decomposition reaction in Cu-Al-Ag alloys

The completeness of beta-phase decomposition reaction in the Cu-11wt%Al-xwt%Ag alloys (x = 0, 1, 2, and 3) was studied using differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffractometry (XRD), and optical microscopy (OM). The results indicated that beta-phase transformations are highly dependent on cooling rate and on the presence of Ag. on slow cooling, the silver presence prevents the beta- and beta(1)-phase decomposition; thus, inducing the martensitic phase formation. After rapid cooling, a new thermal event is observed and the reverse martensitic transformation is shifted to lower temperatures.

Martensite aging kinetics in the Cu-10 wt.%Al and Cu-10 wt.%Al-10 wt.%Ag alloys

The martensite aging kinetics in the Cu-10 wt.%Al and Cu-10 wt.%Al-10 wt.%Ag alloys was studied using microhardness measurements, classical differential thermal analysis (DTA), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray analysis (EDX) and in-situ high-temperature X-ray diffractometry (XRD). The results for the Cu-10%Al alloy indicated a process dominated by the martensite ordering assisted by migration of quenched-in vacancies and followed by the consumption of the α phase. For the Cu-10%Al-10%Ag alloy the dominant process is the consumption of the α phase associated with a decrease in the ordering degree of the martensitic phase. © 2007 Springer Science+Business Media, LLC.

Martensite decomposition in Cu-Al-Mn-Ag alloys

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Clustering phenomena in Al-4.4 at. % Zn alloy with 0.03 and 0.08 at. % Ag additions

The influence of 0.03 and 0.08 at. % Ag additions on the clustering of Zn atoms in an Al-4.4 at. % Zn alloy has been studied by resistometry. The effect of quenching and ageing temperatures shows that the ageing-ratio method of calculating the vacancy-solute atom binding energy is not applicable to these alloys. Zone-formation in Al-Zn is unaffected by Ag additions, but the zone-reversion process seems to be influenced. Apparent vacancy-formation energies in the binary and ternary alloys have been used to evaluate the v-Ag atom binding energy as 0.21 eV. It is proposed that, Ag and Zn being similar in size, the relative vacancy binding results from valency effects, and that in Al-Zn-Ag alloys clusters of Zn and Ag may form simultaneously, unaffected by the presence of each other. © 1970 Chapman and Hall Ltd.

钠原子激光增强电离光谱研究—以石墨杯为原子化器 原子吸收光谱法对发样中Zn、Cu、Mn、Ap的测定

、I钠原子激光增强电离光谱(LEIS)方法的研究-以石墨杯为原子化器在LEIS方法中，最常见的原子化器是火焰。但由于火焰背景噪声严重且难以克服，在火焰原子化过程中，雾化和热离解不充分，仅有10~(-2)%的分析溶液参与吸收以及火焰气体使测定元素受到高度稀释等不利因素的影响，火焰原子化限制了LEIS方法灵敏度的进一步提高。考虑到石墨炉原子化器较火焰具有取样量少，绝对灵敏度高；样品（包括固态、液态）可直接引入石墨炉内；不会发生如同火焰中所存在的干扰效应；蒸发效率和原子化效率较高，几乎全部样品都能参与吸收等优点，本工作在已建立火焰LEIS方法的实验基础上，将原子化器改换为石墨杯进行了钠原子LEIS方法的研究。到目前为止，国内外仅有的几篇有关石黑炉LEIS的研究报告中，都报导了该方法对钠原子的检出限估计可达到10~(-14)-10~(-15)克，由于此项研究尚处于探索性研究阶段，故有关方法性的系统研究几乎还未见报导。本工作在未使用任何放大器的情况下（实验条件限制）对影响钠原子LEIS信号强度的诸因互进行了实验观察。主要包括：钠原子化条件；激光束位置、阳极电压、激光输出能量、电极位置以及激光脉冲重复率对LEIS信号强度的影响等。并绘制了校准曲线，统计方法的相对标准偏差分别为11%（高浓度）18.2%（低浓度），在现有仪器条件下，还不能测出检出限，测定下限为3*10~(-9)克。对固体粉末直接进行了尝试，检测下限为5*10~(-8)克，进样是为5毫克。在进一步的研究工作中，如有条件使用低噪声的放大器及Bxear积分器，选择门检时间窗，或采用分步激发等手段，估计本方法定会达到预想的高灵敏度，检敏度至少提高了个数量级。对石墨炉原子化LEIS法来说，似比较详细的研究报告，截至实验停止时还未见报导。II原子吸收光谱法对发样中Zn、Cu、Mn、Al的测定发中微量元素ZN、Cu、Mn均属人体必需元素，与人体的生长发育和多种生理功能，临床医学等方面有着极为密切的关系，而Al则被认为是异致某种疾病的元素之一。本工作报告了用火焰法测定Zn、Cu；石墨炉法测定Al、Mn的结果，其中，对Al的测定，为摆脱基体干扰，加入改进剂Mg(NO_3)_2，并采用平台石墨炉进行试验，得到了线性较好的工作曲线，但在实际测定时，由于实验条件的限制，只能采用一般石墨管加基体改进剂对少娄样品中Al含量进行测定。Zn、Cu、Al三种元素由标准曲线法测定；而Mn由于Fe的干扰无法消除而采用标准加入法测定，并因此限制了测定样品数。Cu、ZN、Mn三种元素的回收率分别为102.8%, 99.7%, 102.5%，变异系数为9.6%, 11.3%, 9.7%，对本地居民发中（30个发样）Zn、Cu含量进行测定，Zn、Cu的含量范围为148-318ppm，7.2-15ppm，并计算了Zn/Cu比。本方法对发样中四种元素的测定结果与ICP法进行对照。两种方法测定结果吻合得较好。