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.

Production of syngas from steam reforming and CO removal with water gas shift reaction over nanosized Zr0.95Ru0.05O2-delta solid solution

This study presents the synthesis, characterization, and kinetics of steam reforming of methane and water gas shift (WGS) reactions over highly active and coke resistant Zr0.93Ru0.05O2-delta. The catalyst showed high activity at low temperatures for both the reactions. For WGS reaction, 99% conversion of CO with 100% H-2 selectivity was observed below 290 degrees C. The detailed kinetic studies including influence of gas phase product species, effect of temperature and catalyst loading on the reaction rates have been investigated. For the reforming reaction, the rate of reaction is first order in CH4 concentration and independent of CO and H2O concentration. This indicates that the adsorptive dissociation of CH4 is the rate determining step. The catalyst also showed excellent coke resistance even under a stoichiometric steam/carbon ratio. A lack of CO methanation activity is an important finding of present study and this is attributed to the ionic nature of Ru species. The associative mechanism involving the surface formate as an intermediate was used to correlate experimental data. Copyright (C) 2013, Hydrogen Energy Publications, LLC. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

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.

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.

Performance of hydrophobic and hydrophilic silica membrane reactors for the water gas shift reaction

In this study, a novel molecular sieve silica (MSS) membrane packed bed reactor (PBR) using a Cu/ZnO/Al2O3 catalyst was applied to the low-temperature water gas shift reaction (WGS). Best permeation results were H-2 permeances of 1.5 x 10(-6) mol(.)s(-1) m(-2) Pa-1, H-2/CO2 selectivities of 8 and H-2/N-2 selectivities of 18. It was shown that an operation with a sweep gas flow of 80 cm 3 min(-1), a feed flow rate of 50 cm(3) min(-1) and a H2O/CO molar ratio of one at 280 degreesC reached a 99% CO conversion. This is well above the thermodynamic equilibrium and achievable PBR conversion. Hydrophilic membranes underwent pore widening during the reaction while hydrophobic membranes indicated no such behaviour and also showed increased H-2 permeation with temperature, a characteristic of activated transport. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Ru(4+) ion in CeO(2) (Ce(0.95)Ru(0.05)O(2-delta)): A non-deactivating, non-platinum catalyst for water gas shift reaction

Hydrogen is a clean energy carrier and highest energy density fuel. Water gas shift (WGS) reaction is an important reaction to generate hydrogen from steam reforming of CO. A new WGS catalyst, Ce(1-x)Ru(x)O(2-delta) (0 <= x <= 0.1) was prepared by hydrothermal method using melamine as a complexing agent. The Catalyst does not require any pre-treatment. Among the several compositions prepared and tested, Ce(0.95)Ru(0.05)O(2-delta) (5% Ru(4+) ion substituted in CeO(2)) showed very high WGS activity in terms of high conversion rate (20.5 mu mol.g(-1).s(-1) at 275 degrees C) and low activation energy (12.1 kcal/mol). Over 99% conversion of CO to CO(2) by H(2)O is observed with 100% H(2) selectivity at >= 275 degrees C. In presence of externally fed CO(2) and H(2) also, complete conversion of CO to CO(2) was observed with 100% H(2) selectivity in the temperature range of 305-385 degrees C. Catalyst does not deactivate in long duration on/off WGS reaction cycle due to absence of surface carbon and carbonate formation and sintering of Ru. Due to highly acidic nature of Ru(4+) ion, surface carbonate formation is also inhibited. Sintering of noble metal (Ru) is avoided in this catalyst because Ru remains in Ru(4+) ionic state in the Ce(1-x)Ru(x)O(2-delta) catalyst.

A Single-Stage Water-Gas Shift Reaction over Highly Active and Stable Si- and Al-Substituted Pt/CeO2 Catalysts

Ce0.88Si0.1Pt0.02O2-d and Ce0.88Al0.1Pt0.02O2-d catalysts were synthesized by using a low-temperature sonochemical method and characterized by using XRD, TEM, XPS, FTIR, and BET surface analyzer. The catalytic activities of these compounds were investigated for the watergas shift reaction in the temperature range of 140-440 degrees C. The substitution of Si in Ce0.98Pt0.02O2-d increased the releasing capacity of lattice oxygen, whereas the substitution of Al decreased the reducibility of Ce0.98Pt0.02O2-d, as evidenced by hydrogen temperature-programmed reduction studies. However, both the catalysts showed a considerable improvement in terms of activity and stability compared to Ce0.98Pt0.02O2-d. The combined activity measurement and characterization results suggest that the increase in the oxygen vacancy, which acts as a dissociation center for water, is the primary reason for the improvement in the activity of modified Ce0.98Pt0.02O2-d. Both the catalysts are 100?% selective toward H2 production, and approximately 99?% conversion of CO to CO2 was observed at 260 and 270 degrees C for Ce0.88Si0.1Pt0.02O2-d and Ce0.88Al0.1Pt0.02O2-d, respectively. These catalysts do not deactivate during the daily startup/shutdown operations and are sustainable even after prolonged reaction. Notably, these catalysts do not require any pretreatment or activation during startup/shutdown operations.

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.

Nondeactivating Nanosized Ionic Catalysts for Water-Gas Shift Reaction

The water-gas shift reaction (WGS) is an important reaction to produce hydrogen. In this study, we have synthesized nanosized catalysts where Pt ion is substituted in the +2 state in TiO2, CeO2, and Ce1-xTixO2-delta. These catalysts have been characterized by X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and it has been shown that Pt2+ in these reducible oxides result in solid solutions like Ti0.99Pt0.01O2-delta, Ce0.8Ti0.15Pt0.02O2-delta, and Ce0.98Pt0.02O2-delta. These catalysts were tested for the water gas shift reaction both ill the presence and absence of hydrogen. It was shown that Ti0.99Pt0.01O2-delta exhibited higher catalytic activity than Ce0.83Ti0.15Pt0.02O2-delta and Ce0.98Pt0.02O2-delta. Further, experiments were conducted to determine the deactivation of these catalysts. There was no sintering of Pt and no carbonate formation; therefore, the catalyst did not deactivate even after prolonged reaction. There was no carbonate formation because of the highly acidic nature of Ti4+ ions in the catalysts.

A Mechanistic Model for the Water-Gas Shift Reaction over Noble Metal Substituted Ceria

The water-gas shift (WGS) reaction was carried out in the presence of Pd and Pt substituted nanocrystalline ceria catalysts synthesized by solution combustion technique. The catalysts were characterized by powder XRD and XPS. The noble metals were found to be present in ionic form substituted for the cerium atoms. The catalysts showed highactivity for the WGS reaction with high conversions below 250 degrees C. The products of reaction were only carbon dioxide and hydrogen, and no hydrocarbons were observed even in trace quantities. The reactions were carried out with different amounts of noble metal ion substitution and 2% Pt substituted ceria was found to be the best catalyst. The various possible mechanisms for the reaction were proposed and tested for their consistency with experimental data. The dual site mechanism best described the kinetics of the reaction and the corresponding rate parameters were obtained.

Pd and Pt ions as highly active sites for the water-gas shift reaction over combustion synthesized zirconia and zirconia-modified ceria

Noble metal substituted ionic catalysts were synthesized by solution combustion technique. The compounds were characterized by X-ray diffraction, FT-Raman spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy. Zirconia supported compounds crystallized in tetragonal phase. The solid solutions of ceria with zirconia crystallized in fluorite structure. The noble metals were substituted in ionic form.The water-gas shift reaction was carried out over the catalysts.Negligible conversions were observed with unsubstituted compounds. The substitution of a noble metal ion was found to enhance the reaction rate. Equilibrium conversion was obtained below 250 degrees C in the presence of Pt ion substituted compounds. The formation of Bronsted acid-Bronsted base pairs was proposed to explain the activity of zirconia catalysts. The effect of oxide ion vacancies on the reactions over substituted ceria-zirconia solid solutions was established. (c)2010 Elsevier B.V. All rights reserved.