Un metodo rapido, verde ed economico per convertire il metano in combustibili liquidi
Il progetto ZEOCAT-3D, finanziato dall’UE, ha sviluppato una nuova tecnologia per convertire direttamente il metano in composti aromatici di alto valore (benzene e naftalene) e idrogeno. Il nuovo processo è in grado di convertire in modo più efficiente il metano proveniente da fonti incagliate in combustibili liquidi trasportabili e potrebbe anche aiutare l’industria a ridurre le emissioni di gas serra.
Un processo alternativo, in un unico passaggio, da gas a liquido
La conversione del metano, il principale componente del gas naturale e del biogas, in combustibili e materiali di partenza per l’industria chimica è detta da gas a liquido. La maggior parte delle tecnologie prevede la conversione di metano e anidride carbonica in una miscela di molecole di idrogeno e monossido di carbonio, il cosiddetto gas di sintesi. Dal gas di sintesi si possono ottenere vari prodotti, come olefine, benzina, diesel e ossigenati, utilizzando il consolidato processo Fischer-Tropsch. In alternativa, il gas di sintesi può essere convertito in combustibili sintetici e altri prodotti importanti attraverso processi di metanolo-benzina o metanolo-olefina. «Questi approcci commerciali sono fattibili su larga scala, ma comportano molteplici fasi di conversione del metano e finora non è stato sviluppato né commercializzato alcun processo diretto su scala industriale di questo tipo», osserva la coordinatrice del progetto Maria Tripiana. Inoltre, la conversione del gas di sintesi richiede molta energia ed è costosa, mentre l’ossigeno deve essere rimosso da tale gas prima di essere convertito in idrocarburi. «In ZEOCAT-3D abbiamo proposto un metodo più praticabile ed ecologico per la conversione del metano, che elimina le fasi intermedie. Abbiamo utilizzato una reazione chimica chiamata deidroaromatizzazione, che converte direttamente il metano in composti aromatici e idrogeno», spiega Tripiana. «Come alternative al petrolio, il benzene e il naftalene sono materie prime molto interessanti per la produzione di combustibili liquidi e sostanze chimiche di alto valore. L’idrogeno, inoltre, è estratto come coprodotto, che potrebbe servire per la produzione di ammoniaca o nelle celle a combustibile.»
Le chiavi del successo: catalizzatori stampati in 3D e progettazione di reattori avanzati
I catalizzatori esistenti utilizzati per accelerare la deidroaromatizzazione del metano non sono molto efficienti. I nuovi catalizzatori di ZEOCAT-3D affrontano due grandi criticità che ostacolano questa reazione chimica: la difficoltà di ottenere i composti desiderati di alto valore, poiché spesso si formano sottoprodotti indesiderati (scarsa selettività), e la rapida disattivazione del catalizzatore a causa del deposito di carbonio nei pori del catalizzatore stesso, un processo noto come coking. «Utilizzando la modellazione gerarchica e le simulazioni, abbiamo dimostrato che, se si controllano le dimensioni, la morfologia e il grado di agglomerazione delle nanoparticelle, il coking non è più una minaccia», sottolinea Tripiana. «Nel nostro caso, siamo ricorsi alla tecnologia DLP, Digital Light Processing, per sintetizzare zeoliti in 3D con una maggiore attività catalitica. Siamo stati i primi a dimostrare nuove zeoliti gerarchiche che incorporano quattro distinte strutture di pori. La combinazione di due o più topologie di pori di zeolite su mesoscala offre l’opportunità di ottimizzare il trasporto delle nanoparticelle e la conversione selettiva degli intermedi di reazione», aggiunge Tripiana. Il prototipo di reattore catalitico ha integrato un sistema di purificazione in grado di produrre metano con una purezza superiore al 95 %, una membrana ceramica selettiva per l’idrogeno e un sistema di filtraggio che rimuove il particolato intrappolato nel flusso del prodotto (carbonioso o cenere). Questo reattore compatto e modulare tratta ora 4 litri normali al minuto di flusso di gas e produce 40 grammi all’ora di prodotti di alto valore. ZEOCAT-3D ha fornito nuovi spunti per la progettazione di catalizzatori e reattori altamente efficienti per la generazione di prodotti di valore, riducendo potenzialmente le emissioni di gas serra, il che potrebbe essere un elemento costitutivo di un’economia circolare sostenibile. I risultati di ZEOCAT-3D guideranno i progetti futuri nel portare la tecnologia proposta a un livello di maturità superiore.
Parole chiave
ZEOCAT-3D, metano, gas di sintesi, zeolite, combustibili liquidi, composti aromatici, prodotti chimici, coking, catalizzatore stampato in 3D