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Integrare la cattura di CO2 con metanazione per un biogas superiore

Avendo origine dal ciclo naturale del carbonio, il biogas potrebbe contribuire in modo significativo alla riduzione delle emissioni di gas a effetto serra. NTPleasure ha sviluppato una soluzione ibrida di separazione a membrana e conversione catalitica per una cattura del carbonio e una produzione di metano più efficaci.

Energia

Lo smaltimento di rifiuti organici, quali liquami e rifiuti destinati alle discariche (noti collettivamente come biomassa) produce biogas. Il processo, che avviene in ambienti privi di ossigeno sotto forma di digestione anaerobica, produce biogas, composto principalmente da una miscela di anidride carbonica (CO2) e metano. Una volta bruciato o convertito, il biogas offre una fonte di energia e prodotti chimici più sostenibile rispetto ai combustibili fossili. Numerosi sforzi sono stati dedicati alla separazione della CO2 dal biogas per produrre biometano arricchito, che può essere utilizzato come combustibile per il trasporto e come elemento costitutivo di altri prodotti chimici. Il progetto NTPleasure, finanziato dall’UE e intrapreso con il sostegno del programma Marie Skłodowska-Curie, ha sviluppato una nuova membrana di zeolite ultra-sottile che separa e cattura la CO2 in maniera efficace. È stata creata inoltre una serie di catalizzatori altamente attivi e selettivi, per convertire la CO2 in metano in condizioni di plasma a bassa temperatura. Entrambi hanno portato a un separatore a membrana integrato e a un sistema di reattore al plasma in grado di catturare e utilizzare il carbonio. «Il nostro sistema è potenzialmente in grado sia di potenziare in modo efficiente il biogas per prodotti a valore aggiunto come metano e metanolo, sia di separare e migliorare la CO2 nel gas di combustione per ulteriori applicazioni», afferma Xiaolei Fan, co-ricercatore principale del progetto, dislocato presso l’Università di Manchester, nel Regno Unito.

Combinazione di soluzioni per la conversione di CO2

Le strutture metallorganiche sono una classe di materiali porosi ibridi (organici/metallici) altamente versatili per l’adsorbimento/separazione di gas e la catalisi. Sebbene le strutture metallorganiche possano essere eccellenti catalizzatori per la conversione di CO2, nei sistemi termici convenzionali le condizioni difficili potrebbero distruggerle. L’innovazione integrata di NTPleasure ha sostenuto la catalisi delle strutture metallorganiche per la metanazione della CO2 per quasi 70 ore in condizioni normali di temperatura e pressione. La soluzione del progetto ha combinato due tecnologie: separazione a membrana e conversione catalitica della CO2 attivata dal plasma. Le membrane ultrasottili di zeolite separavano in maniera selettiva le molecole della fase gassosa di decomposizione, per catturare CO2. Successivamente, questa CO2 separata è stata indirizzata verso un reattore catalitico in condizioni normali di temperatura e pressione, per essere sottoposta a metanazione catalitica su catalizzatori diversi, quali il nichel supportato su zeoliti e strutture metallorganiche. Una scarica ad alta tensione ha generato quello che viene definito «plasma non termico», una sostanza gassosa altamente conduttiva. Questa scarica elettrica eccita le molecole di CO2 e idrogeno nella fase gassosa portandole a rompere i loro legami e quindi a interagire prontamente con la superficie del catalizzatore. Dopo il collaudo, il team ha scoperto che il loro sistema ibrido ottimizzato aveva raggiunto con successo un’efficienza di cattura del carbonio pari a circa il 91,8 %, con un’efficienza di utilizzo del carbonio di circa il 71,7 %. Inoltre, il processo integrato ha funzionato anche per l’utilizzo della cattura del carbonio, con prestazioni stabili su un test di longevità di 40 ore. «Questa progettazione integrata, che combina la cattura di CO2 con la metanazione di CO2 a temperatura ambiente, mostra il potenziale per l’ulteriore sfruttamento su scala industriale del biogas di alto valore», osserva Chris Hardacre, co-ricercatore principale del progetto.

Per la prosperità economica e l’ambiente

Per gli oltre 17 000 impianti di produzione di biogas dell’Unione europea, la tecnologia di NTPleasure offre l’opportunità di migliorare la qualità del biogas generato, aumentandone l’attuabilità come materia prima e riducendo la dipendenza dai combustibili fossili. Ora che il progetto ha fornito una prova di principio per la tecnologia, il team è alla ricerca di nuovi finanziamenti per sviluppare ulteriormente il suo potenziale. «NTPleasure ha ampliato le nostre conoscenze in merito ai materiali metallorganici e a come interagiscono con i plasmi. Questo apre nuove prospettive per la ricerca che potrebbe consentire a questi materiali di essere utilizzati per una vasta gamma di applicazioni quali la reazione di spostamento del gas d’acqua, il reforming a secco del metano con CO2 per gas di sintesi e le riduzioni catalitiche di ossido di azoto», spiega Fan.

Parole chiave

NTPleasure, biogas, biometano, anidride carbonica, carburante, zeolite, metanazione, catalizzatore, plasma, nichel, strutture metallorganiche

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