Descrizione del modulo "Studio e sviluppo di materiali per processi innovativi di conversione di idrocarburi (ET.P03.010.001)"

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  • Descrizione del modulo "Studio e sviluppo di materiali per processi innovativi di conversione di idrocarburi (ET.P03.010.001)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • L'attività trova diretta ricaduta nella crescente richiesta di generazione distribuita di energia con alta efficienza e basso impatto ambientale, impiegando combustibili puliti (metano, e gas naturale) o vettori energetici intrinsecamente puliti (e l'idrogeno è il primo di questi) prodotti a loro volta con processi \"puliti\", sicuri ed affidabili. Parallelamente si punta sull'individuazione di nuovi materiali e sistemi altamente performanti per un retrofit economicamente sostenibile di processi tradizionali e consolidati nel settore energetico, petrolchimico e dei trasporti in risposta alla sempre più restrittive normative in ambito ambientale. (literal)
Tematiche di ricerca
  • -Preparazione e caratterizzazione funzionale catalizzatori strutturati (honeycomb foams gauzes piastrine) a base di metalli nobili per CPO (produzione syngas e olefine o combustione catalitica) - Valutazione funzionale di tecniche innovative di preparazione di catalizzatori -Avvelenamento da zolfo e rigenerazione di catalizzatori a base di metalli nobili; sviluppo di sistemi a maggior tolleranza (fosfuri, sistemi bimetallici). Avvelenamento da metalli alcalini e alcalino terrosi in catalizzatori per SCR. -CO-PROX di bassa temperatura su fasi attive catalitiche a base di CuO-CeO2 - Conversione/upgrading di tar provenienti da pirolisi di biomassa con catalizzatori a base di perovskiti dopate con metalli nobili -\"oxygen storage capacity\": sviluppo di nuovi materiali per processi di chemical looping a base di ossidi metallici supportati e ossisolfati dei metalli delle terre rare -Cattura di Hg da fumi di combustione: sorbenti inorganici strutturati rigenerabili - Catalizzatori per processi DeNOx: Zeoliti Cu-ZSM-5 per decomposizione catalitica di NOx; Catalizzatori NH3-SCR di bassa temperatura a base di MnOx supportato (literal)
Competenze
  • Le competenze maturate e rilevanti per lo sviluppo della commessa riguardano: - tecniche di preparazione di catalizzatori massivi e supportati a base di metalli nobili e di transizione, ossidi delle terre rare, zeoliti. - ingegnerizzazione delle fasi attive in reattori strutturati ad alta resistenza termica e meccanica (in relazione all'esercizio ad elevata pressione e temperatura e con alta velocità spaziale). - caratterizzazione chimica, fisica, morfologica di sistemi polverulenti e strutturati; studio delle superfici catalitiche, caratterizzazione delle proprietà redox ed oxygen storage capacity, adsorbimento fisico e chimico. - studio dei fenomeni di invecchiamento/disattivazione di catalizzatori sottoposti a cicli idrotermici e chimici, avvelenamento da composti inorganici e rigenerazione. - progettazione e sviluppo di apparecchiature e protocolli per lo studio di reazioni solido catalizzate consente di effettuare caratterizzazioni funzionali dei nuovi materiali in condizioni altamente controllate per studi fondamentali. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Le tematiche di ricerca si rivolgono ai processi produttivi nel settore energetico, petrolchimico e dei trasporti. Particolare rilevanza assume lo sviluppo di sistemi catalitici per la produzione di gas di sintesi e idrogeno che trova una diretta ricaduta nel settore delle celle a combustibile (previa purificazione), nei processi gas to liquid per la valorizzazione di riserve remote di gas naturale, e come stadio preliminare di combustione in bruciatori catalitici ibridi per turbine a gas, caldaie e sistemi di cottura con alta efficienza, basse emissioni e alimentazione multicombustibile. In generale i processi di ossidazione catalitica costituiscono la base per lo sviluppo di tecnologie \"CO2 capture ready\". Ad esempio la produzione di olefine attraverso CPO-SCT presenta il vantaggio di una drastica riduzione delle emissioni di CO2 ed NOx provenienti dallo steam cracking che risulta il processo dell'industria petrolchimica a maggior consumo energetico su scala planetaria. Inoltre lo sviluppo di \"oxygen carrier\" con migliori prestazioni di attività, durabilità, resistenza, costituisce a tutt'oggi il principale limite ad una efficace implementazione di processi \"chemical looping\". (literal)
Tecnologie
  • Le competenze tecnico/scientifiche e la consolidata esperienza del gruppo si concretizzano nella progettazione, realizzazione ed esercizio di impianti su scala di laboratorio per lo studio di reazioni solido catalizzate. Le caratterizzazioni funzionali dei nuovi materiali sviluppati sono condotte in condizioni altamente controllate per studi fondamentali, così come in condizioni rappresentative delle applicazioni industriali (es. alta temperatura e pressione). Il laboratorio di preparazione di catalizzatori e sorbenti è in grado di realizzare lo scale-up e l'ingegnerizzazione di fasi attive selezionate in reattori strutturati che vengono impiegati nella costruzione di sistemi pilota di taglia significativa per le applicazioni di riferimento. (literal)
Obiettivi
  • L'obiettivo generale del modulo è quello di accrescere le conoscenze di base sulla scienza e tecnologia dei materiali per individuare, progettare e realizzare nuovi catalizzatori e sorbenti in grado di supportare tecnologie altamente performanti ed alternative a quelle esistenti nell'ambito della generazione (distribuita) di energia da idrocarburi leggeri. Uno degli scopi principali della ricerca è il miglioramento significativo delle prestazioni dei processi indagati, i cui limiti in termini di efficienza, costo, durata, e quindi applicabilità e diffusione commerciale o industriale, derivano principalmente dai limiti dei materiali impiegati. L' attività di ricerca e sviluppo è condotta attraverso un percorso che, integrando competenze multidisciplinari, parte dallo studio fondamentale e lo screening di nuove formulazioni, passa attraverso la caratterizzazione dettagliata e la comprensione dei meccanismi reattivi in condizioni di interesse applicativo, per giungere alla realizzazione di sistemi strutturati da implementare su impianti in scala pilota. (literal)
Stato dell'arte
  • Il modulo è dedicato allo studio di materiali innovativi per lo sviluppo di nuove tecnologie che consentano l'utilizzo di idrocarburi sia per la generazione di energia eco-sostenibile e con alta efficienza, che per la produzione di idrogeno e di composti a maggior valore aggiunto (chemicals). Gli idrocarburi di riferimento sono quelli gassosi/condensabili di origine fossile o ottenuti da processi di preconversione di feedstock alternativi. I principali settori di applicazione dei catalizzatori e dei sorbenti inorganici oggetto delle ricerche riguardano i processi di combustione catalitica ed ossidazione parziale catalitica a breve tempo di contatto, la produzione e la purificazione di correnti di idrogeno per fuel cell, la purificazione di correnti effluenti di processi di combustione, la fotocatalisi, i processi \"chemical looping\". (literal)
Tecniche di indagine
  • Le competenze tecnico/scientifiche maturate nella attività sperimentale condotta si esplicano nelle seguenti metodologie: - preparazione di catalizzatori idonei ai processi in esame: metodi differenti, scelta dei precursori e delle condizioni operative della preparativa; - indagine sulle proprietà chimiche e fisiche di superficie attraverso analisi dei campioni preparati con le diverse tecniche e strumentazioni a disposizione tra cui ICP-MS, AA, SEM-EDX, BET, Chemisorption, TPD/TPR/TPO, TGA, FTIR/DRIFT in situ); studio dell'effetto del metodo di preparazione sulle proprietà finali del catalizzatore; - studio dei fenomeni di invecchiamento/disattivazione/avvelenamento/rigenerazione; - Identificazione di meccanismi di reazione in reattori a fluidodinamica controllata per mezzo di tecniche di analisi dettagliata dei prodotti di reazione (GC, GC-MS, micro GC, analizzatori in continuo per gas permanenti) in condizioni stazionarie e/o transitorie al variare dei parametri operativi di riferimento (literal)
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