Obtenção de consórcio de bactérias fotoheterotróficas geradoras de H2 visando sua produção em reator anaeróbio em batelada

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

THE INTERSTELLAR MAGNETIC FIELD CLOSE TO THE SUN. II.

The magnetic field in the local interstellar medium (ISM) provides a key indicator of the galactic environment of the Sun and influences the shape of the heliosphere. We have studied the interstellar magnetic field (ISMF) in the solar vicinity using polarized starlight for stars within 40 pc of the Sun and 90 degrees of the heliosphere nose. In Frisch et al. (Paper I), we developed a method for determining the local ISMF direction by finding the best match to a group of interstellar polarization position angles obtained toward nearby stars, based on the assumption that the polarization is parallel to the ISMF. In this paper, we extend the analysis by utilizing weighted fits to the position angles and by including new observations acquired for this study. We find that the local ISMF is pointed toward the galactic coordinates l, b = 47 degrees +/- 20 degrees, 25 degrees +/- 20 degrees. This direction is close to the direction of the ISMF that shapes the heliosphere, l, b = 33 degrees +/- 4 degrees, 55 degrees +/- 4 degrees, as traced by the center of the "Ribbon" of energetic neutral atoms discovered by the Interstellar Boundary Explorer (IBEX) mission. Both the magnetic field direction and the kinematics of the local ISM are consistent with a scenario where the local ISM is a fragment of the Loop I superbubble. A nearby ordered component of the local ISMF has been identified in the region l approximate to 0 degrees -> 80 degrees and b approximate to 0 degrees -> 30 degrees, where PlanetPol data show a distance-dependent increase of polarization strength. The ordered component extends to within 8 pc of the Sun and implies a weak curvature in the nearby ISMF of +/- 0 degrees.25 pc(-1). This conclusion is conditioned on the small sample of stars available for defining this rotation. Variations from the ordered component suggest a turbulent component of +/- 23 degrees. The ordered component and standard relations between polarization, color excess, and H-o column density predict a reasonable increase of N(H) with distance in the local ISM. The similarity of the ISMF directions traced by the polarizations, the IBEX Ribbon, and pulsars inside the Local Bubble in the third galactic quadrant suggest that the ISMF is relatively uniform over spatial scales of 8-200 pc and is more similar to interarm than spiral-arm magnetic fields. The ISMF direction from the polarization data is also consistent with small-scale spatial asymmetries detected in GeV-TeV cosmic rays with a galactic origin. The peculiar geometrical relation found earlier between the cosmic microwave background dipole moment, the heliosphere nose, and the ISMF direction is supported by this study. The interstellar radiation field at +/- 975 angstrom does not appear to play a role in grain alignment for the low-density ISM studied here.

Catalysts for H2 production

The research of new catalysts for the hydrogen production described in this thesis was inserted within a collaboration of Department of Industrial Chemistry and Materials of University of Bologna and Air Liquide (Centre de Recherche Claude-Delorme, Paris). The aim of the work was focused on the study of new materials, active and stable in the hydrogen production from methane, using either a new process, the catalytic partial oxidation (CPO), or a enhanced well-established process, the steam methane reforming (SMR). Two types of catalytic materials were examined: 1) Bulk catalysts, i.e. non-supported materials, in which the active metals (Ni and/or Rh) are stabilized inside oxidic matrix, obtained from perovskite type compounds (PVK) and from hydrotalcite type precursors (HT); 2) Structured catalysts, i.e. catalysts supported on materials having high thermal conductivity (SiC and metallic foams). As regards the catalytic partial oxidation, the effect of the metal (Ni and/or Rh), the role of the metal/matrix ratio and the matrix formulation of innovative catalysts obtained from hydrotalcite type precursors and from perovskites were examined. In addition, about steam reforming process, the study was carried out first on commercial type catalysts, examining the deactivation in industrial conditions, the role of the operating conditions and the activity of different type of catalysts. Then, innovative materials bulk (PVK and HT) and structured catalysts (SiC and metallic foam) were studied and a new preparation method was developed.

Anaerobic oxidation of ethanol over spinel mixed oxides: the first step in the steam-iron process for H2 production

The future hydrogen demand is expected to increase, both in existing industries (including upgrading of fossil fuels or ammonia production) and in new technologies, like fuel cells. Nowadays, hydrogen is obtained predominantly by steam reforming of methane, but it is well known that hydrocarbon based routes result in environmental problems and besides the market is dependent on the availability of this finite resource which is suffering of rapid depletion. Therefore, alternative processes using renewable sources like wind, solar energy and biomass, are now being considered for the production of hydrogen. One of those alternative methods is the so-called “steam-iron process” which consists in the reduction of a metal-oxide by hydrogen-containing feedstock, like ethanol for instance, and then the reduced material is reoxidized with water to produce “clean” hydrogen (water splitting). This kind of thermochemical cycles have been studied before but currently some important facts like the development of more active catalysts, the flexibility of the feedstock (including renewable bio-alcohols) and the fact that the purification of hydrogen could be avoided, have significantly increased the interest for this research topic. With the aim of increasing the understanding of the reactions that govern the steam-iron route to produce hydrogen, it is necessary to go into the molecular level. Spectroscopic methods are an important tool to extract information that could help in the development of more efficient materials and processes. In this research, ethanol was chosen as a reducing fuel and the main goal was to study its interaction with different catalysts having similar structure (spinels), to make a correlation with the composition and the mechanism of the anaerobic oxidation of the ethanol which is the first step of the steam-iron cycle. To accomplish this, diffuse reflectance spectroscopy (DRIFTS) was used to study the surface composition of the catalysts during the adsorption of ethanol and its transformation during the temperature program. Furthermore, mass spectrometry was used to monitor the desorbed products. The set of studied materials include Cu, Co and Ni ferrites which were also characterized by means of X-ray diffraction, surface area measurements, Raman spectroscopy, and temperature programmed reduction.

Deidrogenazione catalitica di cherosene per la produzione di H2 "on-board": studio della disattivazione dei catalizzatori

Questo lavoro di tesi è stato sviluppato nell’ambito del progetto europeo “GREEN AIR” (7FP – Transport), svolto in collaborazione con diversi enti europei, pubblici e privati. Si tratta di un programma finalizzato alla produzione di idrogeno “on – board” per deidrogenazione catalitica di cherosene avio, da alimentare ad un sistema di fuel cells per la produzione dell’energia elettrica necessaria al funzionamento della strumentazione e dei sistemi di comando degli aeroplani. In questo lavoro di tesi ci si è concentrati sullo studio dei meccanismi di reazione e disattivazione coinvolti nella reazione di deidrogenazione di carburanti. Sono stati studiati approfonditamente le caratteristiche peculiari della reazione di deidrogenazione di miscele complesse di idrocarburi, ponendo particolare attenzione ai meccanismi di disattivazione. Lo studio è stato affrontato, prima analizzando la disattivazione per formazione di depositi carboniosi, utilizzando catalizzatori classici per reazioni di deidrogenazione ed alimentando miscele di idrocarburi prive da zolfo, quindi la disattivazione data da quest'ultimo elemento proponendo una serie di catalizzatori a base di fosfuri. I primi studi si sono concentrati su sistemi Pt-Sn supportati su allumina, utilizzati industrialmente per la produzione di olefine leggere a partire da miscele semplici di alcani, il cui comportamento è noto, nella seconda parte sono stati presi in considerazione sistemi a base di CoP e Ni2P, originariamente progettati per la reazione di idrodesolforazione. In conclusione, è stato possibile individuare gli aspetti chiave relativi ai meccanismi di disattivazione dei sistemi catalitici tradizionalmente impiegati nella deidrogenazione. In particolare ha permesso di individuare interessanti possibilità per ridurre, attraverso la rigenerazione e la riduzione del fenomeno di disattivazione, l’impatto del costo del catalizzatore sul processo. Inoltre sono stati individuati sistemi alternativi per la produzione di idrogeno molto interessanti, mettendo in luce gli aspetti che necessitano di essere ancora approfonditi per ottimizzarne l’applicazione.

Proprietà morfologiche e strutturali di catalizzatori a base di Pt e Pd per la produzione di H2

In questo lavoro di tesi è stato affrontato uno studio mirato alla comprensione ed alla correlazione delle proprietà chimico-fisiche e morfologiche di catalizzatori a base di Pd/Pt supportati su allumina impiegati nella produzione di idrogeno mediante deidrogenazione di miscele complesse di idrocarburi contenenti elevati tenori di zolfo. La produzione di idrogeno mediante deidrogenazione parziale di fuel direttamente su aeromobili necessita di catalizzatori altamente performanti dei quali siano note tutte le caratteristiche in modo da prevedere, in un ampio margine di sicurezza, le possibili cause di malfunzionamento. L’applicabilità di materiali a base di Pd/Pt in questa reazione risiede nella loro capacità di resistere all’avvelenamento da zolfo, rivendicata in letteratura per reazioni di idrogenazione e della quale si sono trovate evidenze sperimentali in alcune prove preliminari svolte nello stesso ambito di ricerca. Le prove catalitiche hanno evidenziato che la deposizione su allumina dei due metalli in ragione di un rapporto molare Pd:Pt=2 con un carico di metalli complessivo del 2% in peso mostra i migliori risultati in termini di resistenza all’avvelenamento da zolfo e da deposizione di composti carboniosi.

Deidrogenazione catalitica di idrocarburi per la produzione di H2 "on-board"

Lo studio della deidrogenazione catalitica di idrocarburi affronta uno dei problemi principali per l'applicazione delle fuel cells in aeromobili. La conversione di miscele di idrocarburi in H2 può essere eseguita in loco, evitando le difficoltà di stoccaggio dell'idrogeno: l'H2 prodotto è privo di CO e CO2 e può essere alimentato direttamente alle celle a combustibile per dare energia ai sistemi ausiliari, mentre i prodotti deidrogenati, mantenendo le loro originali caratteristiche possono essere riutilizzati come carburante. In questo un lavoro è stato effettuato uno studio approfondito sulla deidrogenazione parziale (PDH) di diverse miscele di idrocarburi e carburante avio JetA1 desolforato utilizzando Pt-Sn/Al2O3, con l'obiettivo di mettere in luce i principali parametri (condizioni di reazione e composizione di catalizzatore) coinvolti nel processo di deidrogenazione. Inoltre, la PDH di miscele idrocarburiche e di Jet-A1 ha evidenziato che il problema principale in questa reazione è la disattivazione del catalizzatore, a causa della formazione di residui carboniosi e dell’avvelenamento da zolfo. Il meccanismo di disattivazione da residui carboniosi è stato studiato a fondo, essendo uno dei principali fattori che influenzano la vita del catalizzatore e di conseguenza l'applicabilità processo. Alimentando molecole modello separatamente, è stato possibile discriminare le classi di composti che sono coinvolti principalmente nella produzione di H2 o nell’avvelenamento del catalizzatore. Una riduzione parziale della velocità di disattivazione è stata ottenuta modulando l'acidità del catalizzatore al fine di ottimizzare le condizioni di reazione. I catalizzatori Pt-Sn modificati hanno mostrato ottimi risultati in termini di attività, ma soffrono di una disattivazione rapida in presenza di zolfo. Così, la sfida finale di questa ricerca era sviluppare un sistema catalitico in grado di lavorare in condizioni reali con carburante ad alto tenore di zolfo, in questo campo sono stati studiati due nuove classi di materiali: Ni e Co fosfuri supportati su SiO2 e catalizzatori Pd-Pt/Al2O3.

Catalysts and processes for next-generation H2 production

The present study is focused on the development of new VIII group metal on CeO2 – ZrO2 (CZO) catalyst to be used in reforming reaction for syngas production. The catalyst are tested in the oxyreforming process, extensively studied by Barbera [44] in a new multistep process configuration, with intermediate H2 membrane separation, that can be carried out at lower temperature (750°C) with respect the reforming processes (900 – 1000°C). In spite of the milder temperatures, the oxy-reforming conditions (S/C = 0.7; O2/C = 0.21) remain critical regarding the deactivation problems mainly deriving from thermal sintering and carbon formation phenomena. The combination of the high thermal stability characterizing the ZrO2, with the CeO2 redox properties, allows the formation of stable mixed oxide system with high oxygen mobility. This feature can be exploited in order to contrast the carbon deposition on the active metal surface through the oxidation of the carbon by means of the mobile oxygen atoms available at the surface of the CZO support. Ce0.5Zr0.5O2 is the phase claimed to have the highest oxygen mobility but its formation is difficult through classical synthesis (co-precipitation), hence a water-in-oil microemulsion method is, widely studied and characterized. Two methods (IWI and bulk) for the insertion of the active metal (Rh, Ru, Ni) are followed and their effects, mainly related to the metal stability and dispersion on the support, are discussed, correlating the characterization with the catalytic activity. Different parameters (calcination and reduction temperatures) are tuned to obtain the best catalytic system both in terms of activity and stability. Interesting results are obtained with impregnated and bulk catalysts, the latter representing a new class of catalysts. The best catalysts are also tested in a low temperature (350 – 500°C) steam reforming process and preliminary tests with H2 membrane separation have been also carried out.

Orbitali molecolari di legame e antilegame per lo ione molecolare idrogeno H2+: risoluzione esatta e approssimazione LCAO

In questo lavoro di tesi si intende fornire un'analisi in chiave quantomeccanica di una serie di caratteristiche della molecola di idrogeno ionizzata. Il fatto che l'equazione di Schrödinger per l'elettrone sia nel caso di H2+ risolvibile in maniera esatta rende questo sistema fisico un prezioso banco di prova per qualsiasi metodo di approssimazione. Il lavoro svolto in questa trattazione consisterà proprio nella risoluzione dell'equazione d'onda per l'elettrone nel suo stato fondamentale, dapprima in maniera esatta poi mediante LCAO, e successivamente nell'analisi dei risultati ottenuti, che verranno dapprima discussi e interpretati in chiave fisica, e infine messi a confronto per la verifica della bontà dell'approssimazione. Il metodo approssimato fornirà approssimazioni relative anche al primo stato elettronico eccitato; anche questo verrà ampiamente discusso, e ci si soffermerà in particolare sulla caratterizzazione di orbitali di "legame" e di "antilegame", e sul loro rapporto con la stabilità dello ione molecolare.

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.