Caratterizzazione di membrane metalliche e ionomeriche per applicazioni energetiche

The work of this thesis has been focused on the characterization of metallic membranes for the hydrogen purification from steam reforming process and also of perfluorosulphonic acid ionomeric (PFSI) membranes suitable as electrolytes in fuel cell applications. The experimental study of metallic membranes was divided in three sections: synthesis of palladium and silver palladium coatings on porous ceramic support via electroless deposition (ELD), solubility and diffusivity analysis of hydrogen in palladium based alloys (temperature range between 200 and 400 °C up to 12 bar of pressure) and permeation experiments of pure hydrogen and mixtures containing, besides hydrogen, also nitrogen and methane at high temperatures (up to 600 °C) and pressures (up to 10 bar). Sequential deposition of palladium and silver on to porous alumina tubes by ELD technique was carried out using two different procedures: a stirred batch and a continuous flux method. Pure palladium as well as Pd-Ag membranes were produced: the Pd-Ag membranes’ composition is calculated to be close to 77% Pd and 23% Ag by weight which was the target value that correspond to the best performance of the palladium-based alloys. One of the membranes produced showed an infinite selectivity through hydrogen and relatively high permeability value and is suitable for the potential use as a hydrogen separator. The hydrogen sorption in silver palladium alloys was carried out in a gravimetric system on films produced by ELD technique. In the temperature range inspected, up to 400°C, there is still a lack in literature. The experimental data were analyzed with rigorous equations allowing to calculate the enthalpy and entropy values of the Sieverts’ constant; the results were in very good agreement with the extrapolation made with literature data obtained a lower temperature (up to 150 °C). The information obtained in this study would be directly usable in the modeling of hydrogen permeation in Pd-based systems. Pure and mixed gas permeation tests were performed on Pd-based hydrogen selective membranes at operative conditions close to steam-reforming ones. Two membranes (one produced in this work and another produced by NGK Insulators Japan) showed a virtually infinite selectivity and good permeability. Mixture data revealed the existence of non negligible resistances to hydrogen transport in the gas phase. Even if the decrease of the driving force due to polarization concentration phenomena occurs, in principle, in all membrane-based separation systems endowed with high perm-selectivity, an extensive experimental analysis lack, at the moment, in the palladium-based membrane process in literature. Moreover a new procedure has been introduced for the proper comparison of the mass transport resistance in the gas phase and in the membrane. Another object of study was the water vapor sorption and permeation in PFSI membranes with short and long side chains was also studied; moreover the permeation of gases (i.e. He, N2 and O2) in dry and humid conditions was considered. The water vapor sorption showed strong interactions between the hydrophilic groups and the water as revealed from the hysteresis in the sorption-desorption isotherms and thermo gravimetric analysis. The data obtained were used in the modeling of water vapor permeation, that was described as diffusion-reaction of water molecules, and in the humid gases permeation experiments. In the dry gas experiments the permeability and diffusivity was found to increase with temperature and with the equivalent weight (EW) of the membrane. A linear correlation was drawn between the dry gas permeability and the opposite of the equivalent weight of PFSI membranes, based on which the permeability of pure PTFE is retrieved in the limit of high EW. In the other hand O2 ,N2 and He permeability values was found to increase significantly, and in a similar fashion, with water activity. A model that considers the PFSI membrane as a composite matrix with a hydrophilic and a hydrophobic phase was considered allowing to estimate the variation of gas permeability with relative humidity on the basis of the permeability in the dry PFSI membrane and in pure liquid water.

Produzione di idrogeno "on-board" mediante deidrogenazione catalitica di kerosene

L’H2 è attualmente un elemento di elevato interesse economico, con notevoli prospettive di sviluppo delle sue applicazioni. La sua produzione industriale supera attualmente i 55 ∙ 1010 m3/anno, avendo come maggiori utilizzatori (95% circa) i processi di produzione dell’ammoniaca e quelli di raffineria (in funzione delle sempre più stringenti normative ambientali). Inoltre, sono sempre più importanti le sue applicazioni come vettore energetico, in particolare nel settore dell’autotrazione, sia dirette (termochimiche) che indirette, come alimentazione delle fuel cells per la produzione di energia elettrica. L’importanza economica degli utilizzi dell’ H2 ha portato alla costruzione di una rete per la sua distribuzione di oltre 1050 km, che collega i siti di produzione ai principali utilizzatori (in Francia, Belgio, Olanda e Germania). Attualmente l’ H2 è prodotto in impianti di larga scala (circa 1000 m3/h) da combustibili fossili, in particolare metano, attraverso i processi di steam reforming ed ossidazione parziale catalitica, mentre su scala inferiore (circa 150 m3/h) trovano applicazione anche i processi di elettrolisi dell’acqua. Oltre a quella relativa allo sviluppo di processi per la produzione di H2 da fonti rinnovabili, una tematica grande interesse è quella relativa al suo stoccaggio, con una particolare attenzione ai sistemi destinati alle applicazioni nel settore automotivo o dei trasposti in generale. In questo lavoro di tesi, svolto nell’ambito del progetto europeo “Green Air” (7FP – Transport) in collaborazione (in particolare) con EADS (D), CNRS (F), Jonhson-Matthey (UK), EFCECO (D), CESA (E) e HyGEAR (NL), è stato affrontato uno studio preliminare della reazione di deidrogenazione di miscele di idrocarburi e di differenti kerosene per utilizzo aereonautico, finalizzato allo sviluppo di nuovi catalizzatori e dei relativi processi per la produzione di H2 “on board” utilizzando il kerosene avio per ottenere, utilizzando fuel cells, l’energia elettrica necessaria a far funzionare tutta la strumentazione ed i sistemi di comando di aeroplani della serie Airbus, con evidenti vantaggi dal punto di vista ponderale e delle emissioni.

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.

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.

Innovative processes for syngas production

The research of new advanced processes for syngas production is a part of a European project for the production of a new Gas to Liquid Process (NextGTL). The crucial points in the production of GTL process are the energy required for the air separation used in autothermal reforming or the heat required for steam reforming and the efficiency in carbon utilization. Therefore a new multistep oxy-reforming process scheme was developed at lower temperature with intermediate H2 membrane separation to improve the crucial parameter. The process is characterized by a S/C of 0.7 and O2/C of 0.21 having a smoothed temperature profile in which kinetic regime is easily obtained. Active catalysts for low temperature oxy-reforming process have been studied working at low pressure to discriminate among the catalyst and at high pressure to prove it on industrial condition. It allows the selection of the Rh as active phase among single and bimetallic VIII group metal. The study of the matrix composition and thermal treatment has been carried out on Rh-Mg/Al hydrotalcite selected as reference catalyst. The research to optimize the catalyst lead to enhanced performances through the identification of a limitation of the Rh reduction from the oxides matrix as key point to increase the Rh performances. The Rh loading have been studied to allow the catalyst scale up for pilot process in Chieti in a shape of Rh-HT on honeycomb ceramic material. The developed catalyst has enhanced methane conversion in a inch diameter monolith reactor if compared with the semi-industrial catalyst chosen in the project as the best reference.

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.

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.

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.

Estudo de catalisadores de Ni/ZnO promovidos com CeO2 aplicados em reações de reforma a vapor do etanol e acetona

A produção de energia é um dos grandes desafios deste século, principalmente com a necessidade no desenvolvimento de processos que utilizem preferencialmente fontes renováveis. Nesse contexto, é claro o interesse por pesquisas baseada no hidrogênio. Porém, os ganhos ambientais efetivos estão associados também à matéria-prima usada no processo de geração do hidrogênio, senso assim mais significativo quando do uso de fontes renováveis. No presente trabalho foi estudado o efeito da adição de diferentes teores de CeO2 em catalisadores de NiZnO, preparados pelo método da co-precipitação. Os catalisadores foram estudados frente à reação de reforma a vapor do etanol (RVE) para produção de H2, e no decorrer do trabalho foi pertinente incluir o estudo da reforma a vapor da acetona (RVA), como complemento dos estudos da RVE. Além disso, esta é uma molécula modelo para reforma a vapor do bio-óleo. Nos sistemas catalíticos sintetizados houve a formação da liga NiZn3, o que aparenta proporcionar um efeito sinérgico entre esses elementos. Observou-se um efeito altamente promotor do CeO2 com relação a diminuição do coque formado, devido a uma menor da formação da acetona, durante as etapas de reforma do etanol. O que consequentemente interferiu na produção de H2. O catalisador contendo 20% de CeO2 denominado NiZn20Ce apresentou um desempenho altamente promissor, pois de acordo com as análises de DRIFT, a presença do CeO2 levou a formação de espécies de formiato, o que consequentemente interferiu em uma menor formação de coque e maior produção de H2. Foi comprovado também que a natureza dos depósitos carbonáceos depende tanto do substrato utilizado quanto das etapas precursoras inicias que levarão a formação desse coque, sendo o ponto chave para um melhor desempenho do catalisador.

Catalisadores Ni/MgO-SiO2 aplicados na reação de reforma a vapor de glicerol

Catalisadores de Ni (10% em massa) suportado em matrizes mistas MgO-SiO2 foram aplicados na reação de reforma a vapor de glicerol. Os efeitos do teor de MgO como aditivo e do método de preparação foram avaliados frente às propriedades físico-químicas e texturais dos materiais; assim como à atividade, seletividade, estabilidade e formação de carbono na reforma a vapor do glicerol. Os catalisadores foram preparados com diferentes teores mássicos de MgO (10%, 30% e 50%) sobre SiO2 comercial, utilizando processo via seca (mistura física) e via úmida (impregnação sequencial com diferentes solventes: água, etanol e acetona). Foram utilizadas as técnicas de caracterização de espectroscopia de energia dispersiva de raios X, fisissorção de nitrogênio, difratometria de raios X, termogravimetria, difratometria de raios X in situ com O2, redução a temperatura programada com H2, difratometria de raios X in situ com H2, dessorção a temperatura programada com H2 e microscopia eletrônica de varredura. Foi observado que o Ni(II) interage de forma variada com os suportes com diferentes teores de MgO, e que a polaridade do solvente de impregnação utilizado no processo de preparação influencia as propriedades dos catalisadores. A fim de verificar a atividade, seletividade e deposição de carbono; os catalisadores foram testados na reação de reforma a vapor de glicerol a 600oC, por um período de 5h e razão molar água:glicerol de 12:1. Após as reações, os catalisadores foram novamente submetidos às análises de termogravimetria, difratometria de raios X e microscopia eletrônica de varredura, visando a caracterização dos depósitos de carbono obtidos durante o processo catalítico. Os catalisadores de matrizes mistas se mostraram ativos e apresentaram seletividades similares para os produtos gasosos CH4, CO e CO2, além de um alto rendimento em H2. Observou-se que a adição de MgO no suporte, aumentou a dispersão do Ni(II) no material, que por sua vez, influenciou na quantidade de carbono depositado ao longo da reação. A polaridade do solvente de impregnação também teve influência na dispersão metálica, sendo que, quanto menor a polaridade do solvente, maior foi a dispersão obtida no catalisador, e menor a deposição de carbono na reação. O material que apresentou o melhor desempenho catalítico frente ao rendimento de H2 e à deposição de carbono, foi o catalisador preparado com 30% de MgO com etanol como solvente de impregnação.

Modelling and simulation of biomass gasification in a circulating fluidized bed reactor

Computational Fluid Dynamics (CFD) has found great acceptance among the engineering community as a tool for research and design of processes that are practically difficult or expensive to study experimentally. One of these processes is the biomass gasification in a Circulating Fluidized Bed (CFB). Biomass gasification is the thermo-chemical conversion of biomass at a high temperature and a controlled oxygen amount into fuel gas, also sometime referred to as syngas. Circulating fluidized bed is a type of reactor in which it is possible to maintain a stable and continuous circulation of solids in a gas-solid system. The main objectives of this thesis are four folds: (i) Develop a three-dimensional predictive model of biomass gasification in a CFB riser using advanced Computational Fluid Dynamic (CFD) (ii) Experimentally validate the developed hydrodynamic model using conventional and advanced measuring techniques (iii) Study the complex hydrodynamics, heat transfer and reaction kinetics through modelling and simulation (iv) Study the CFB gasifier performance through parametric analysis and identify the optimum operating condition to maximize the product gas quality. Two different and complimentary experimental techniques were used to validate the hydrodynamic model, namely pressure measurement and particle tracking. The pressure measurement is a very common and widely used technique in fluidized bed studies, while, particle tracking using PEPT, which was originally developed for medical imaging, is a relatively new technique in the engineering field. It is relatively expensive and only available at few research centres around the world. This study started with a simple poly-dispersed single solid phase then moved to binary solid phases. The single solid phase was used for primary validations and eliminating unnecessary options and steps in building the hydrodynamic model. Then the outcomes from the primary validations were applied to the secondary validations of the binary mixture to avoid time consuming computations. Studies on binary solid mixture hydrodynamics is rarely reported in the literature. In this study the binary solid mixture was modelled and validated using experimental data from the both techniques mentioned above. Good agreement was achieved with the both techniques. According to the general gasification steps the developed model has been separated into three main gasification stages; drying, devolatilization and tar cracking, and partial combustion and gasification. The drying was modelled as a mass transfer from the solid phase to the gas phase. The devolatilization and tar cracking model consist of two steps; the devolatilization of the biomass which is used as a single reaction to generate the biomass gases from the volatile materials and tar cracking. The latter is also modelled as one reaction to generate gases with fixed mass fractions. The first reaction was classified as a heterogeneous reaction while the second reaction was classified as homogenous reaction. The partial combustion and gasification model consisted of carbon combustion reactions and carbon and gas phase reactions. The partial combustion considered was for C, CO, H2 and CH4. The carbon gasification reactions used in this study is the Boudouard reaction with CO2, the reaction with H2O and Methanation (Methane forming reaction) reaction to generate methane. The other gas phase reactions considered in this study are the water gas shift reaction, which is modelled as a reversible reaction and the methane steam reforming reaction. The developed gasification model was validated using different experimental data from the literature and for a wide range of operating conditions. Good agreement was observed, thus confirming the capability of the model in predicting biomass gasification in a CFB to a great accuracy. The developed model has been successfully used to carry out sensitivity and parametric analysis. The sensitivity analysis included: study of the effect of inclusion of various combustion reaction; and the effect of radiation in the gasification reaction. The developed model was also used to carry out parametric analysis by changing the following gasifier operating conditions: fuel/air ratio; biomass flow rates; sand (heat carrier) temperatures; sand flow rates; sand and biomass particle sizes; gasifying agent (pure air or pure steam); pyrolysis models used; steam/biomass ratio. Finally, based on these parametric and sensitivity analysis a final model was recommended for the simulation of biomass gasification in a CFB riser.

Catalytic supercritical water gasification of plastics with supported RuO2:a potential solution to hydrocarbons-water pollution problem

Here we report on a potential catalytic process for efficient clean-up of plastic pollution in waters, such as the Great Pacific Garbage Patch (CPGP). Detailed catalytic mechanisms of RuO2 during supercritical water gasification of common polyolefin plastics including low-density polyethylene (LDPE), high-density polyethylene (HDPE), polypropylene (PP) and polystyrene (PP), have been investigated in a batch reactor at 450 °C, 60 min. All four plastics gave very high carbon gasification efficiencies (CGE) and hydrogen gasification efficiencies (HGE). Methane was the highest gas component, with a yield of up to 37 mol kg−1LDPE using the 20 wt% RuO2 catalyst. Evaluation of the gas yields, CGE and HGE revealed that the conversion of PS involved thermal degradation, steam reforming and methanation; whereas hydrogenolysis was a possible additional mechanism during the conversion of aliphatic plastics. The process has the benefits of producing a clean-pressurized methane-rich fuel gas as well as cleaning up hydrocarbons-polluted waters.

Supercritical water gasification of RDF and its components over RuO2/γ-Al2O3 catalyst:new insights into RuO2 catalytic reaction mechanisms

Five samples including a composite refuse derived fuel (RDF) and four combustible components of municipal solid wastes (MSW) have been reacted under supercritical water conditions in a batch reactor. The reactions have been carried out at 450 °C for 60 min reaction time, with or without 20 wt% RuO2/gamma-alumina catalyst. The reactivities of the samples depended on their compositions; with the plastic-rich samples, RDF and mixed waste plastics (MWP), giving similar product yields and compositions, while the biogenic samples including mixed waste wood (MWW) and textile waste (TXT) also gave similar reaction products. The use of the heterogeneous ruthenium-based catalyst gave carbon gasification efficiencies (CGE) of up to 99 wt%, which was up by at least 83% compared to the non-catalytic tests. In the presence of RuO2 catalyst, methane, hydrogen and carbon dioxide became the dominant gas products for all five samples. The higher heating values (HHV) of the gas products increased at least two-fold in the presence of the catalyst compared to non-catalytic tests. Results show that the ruthenium-based catalyst was active in feedstock steam reforming, methanation and possible direct hydrogenolysis of C-C bonds. This work provides new insights into the catalytic mechanisms of RuO2 during SCWG of carbonaceous materials, along with the possibility of producing high yields of methane from MSW fractions.

Ultra High Pressure Hydrogen Studies

Hydrogen has been called the fuel of the future, and as it’s non- renewable counterparts become scarce the economic viability of hydrogen gains traction. The potential of hydrogen is marked by its high mass specific energy density and wide applicability as a fuel in fuel cell vehicles and homes. However hydrogen’s volume must be reduced via pressurization or liquefaction in order to make it more transportable and volume efficient. Currently the vast majority of industrially produced hydrogen comes from steam reforming of natural gas. This practice yields low-pressure gas which must then be compressed at considerable cost and uses fossil fuels as a feedstock leaving behind harmful CO and CO2 gases as a by-product. The second method used by industry to produce hydrogen gas is low pressure electrolysis. In comparison the electrolysis of water at low pressure can produce pure hydrogen and oxygen gas with no harmful by-products using only water as a feedstock, but it will still need to be compressed before use. Multiple theoretical works agree that high pressure electrolysis could reduce the energy losses due to product gas compression. However these works openly admit that their projected gains are purely theoretical and ignore the practical limitations and resistances of a real life high pressure system. The goal of this work is to experimentally confirm the proposed thermodynamic gains of ultra-high pressure electrolysis in alkaline solution and characterize the behavior of a real life high pressure system.