| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 4.01 MB | Adobe PDF |
Advisor(s)
Abstract(s)
Global warming, caused mainly by the increase in carbon dioxide emissions from fossil
fuels, calls for sustainable solutions such as carbon capture and utilisation (CCU). CO2 can be
used to produce fuels and chemicals, such as methanol, which is widely used in industrial
synthesis and, recently, as a marine fuel. The production of methanol through the
hydrogenation of CO2 supports the circular economy. The research community is focussing on
improving cost-effectiveness through innovative catalysts, advances in reactors and better
process integration.
This dissertation focused on the development and study of different supported
catalysts for the synthesis of methanol from CO2. Different catalysts were developed based on
copper and zinc supported on alumina and alumina doped with silica using: incipient wetness
impregnation and precipitation methods. Their catalytic performance was assessed in a fixed
bed reactor for 8 hours, using optimum conditions obtained from a parametric study previously
performed (250ºC, 30 bar, H2/CO2 ratio of 3 and GHSV of 2.8 L∙gcat
-1∙h-1).
The C20Z10A (P) catalyst, based on 20% by mass of copper, 10% by mass of zinc supported
alumina prepared by precipitation, showed promising results, with copper-normalised time
yield (CTY) values (1.04 molCO₂∙gCu
-¹∙s-¹) and selectivity for methanol (7.9%). The best selectivity
obtained was 12.8 per cent with the C20Z10S10 (P) catalyst, based on 20 per cent by mass of
copper, 10 per cent by mass of zinc supported on alumina doped with 10 per cent by mass of
silica prepared by precipitation. Although this was the material with the highest selectivity for
methanol, its CTY was only 0.51 molCO₂∙gCu
-¹∙s-¹. Compared to the reference material, TMC-3/1,
(22.9 %), the selectivities obtained were lower. The use of aluminosilicates with 40% silica by
mass as a support did not positively influence the catalyst.
C20Z10A (P) should be investigated in detail, as it could be a promising catalytic system
to be used in catalytic films to be integrated into a new microstructure reactor, also known as
NetMIX.
O aquecimento global, impulsionado pelo aumento das emissões de gases com efeito estufa, maioritariamente composto por dióxido de carbono, tem sido um problema evidente ao longos dos anos. Esse aumento das emissões deve-se sobretudo à queima de combustíveis fósseis, tornando urgente a busca por alternativas mais sustentáveis. Uma das abordagens mais promissoras é a captura e utilização de carbono, permitindo o uso do CO₂ produzido por diferentes indústrias como uma fonte alternativa de carbono para produzir combustíveis e outros produtos químicos de alto valor agregado, entre eles o metanol. O metanol é um composto versátil e importante com uma ampla gama de aplicações, sendo maioritariamente utilizado como matéria-prima para a síntese de produtos químicos industriais valiosos. Recentemente, o seu uso como combustível marítimo tem ganhado uma participação significativa no mercado. Do ponto de vista da economia circular do CO₂, a produção de metanol a partir da reação de hidrogenação do CO₂ é uma aplicação muito interessante. Isso tem atraído especial atenção da comunidade científica nas últimas décadas para tornar essa abordagem um processo economicamente viável, com foco em materiais catalíticos inovadores, tecnologias de reatores e integração de processos. Esta dissertação teve como foco o desenvolvimento e estudo de diferentes catalisadores suportados para a síntese de metanol a partir de CO₂. Foram desenvolvidos diferentes catalisadores à base de cobre e zinco suportados em alumina e alumina dopada com sílica, utilizando diferente métodos de preparação, nomeadamente impregnação incipiente húmida e precipitação. O desempenho catalítico desses materiais foi avaliado num reator de leito fixo por 8 horas, utilizando as condições ideais obtidas a partir de um estudo paramétrico realizado anteriormente (250ºC, 30 bar, razão H₂/CO₂ de 3 e “Gas Hourly Space Velocity” (GHSV) de 2,8 L∙gcat⁻¹∙h⁻¹). O catalisador C20Z10A (P), com 20% em massa de cobre, 10% em massa de zinco suportado em alumina e preparado por precipitação, apresentou resultados promissores, com valores de “Copper-normalized time yield” (CTY) (1,04 molCO₂∙gCu⁻¹∙s⁻¹) e seletividade para metanol (7,9%). A melhor seletividade obtida foi de 12,8% com o catalisador C20Z10S10 (P), com 20% em massa de cobre, 10% em massa de zinco suportado em alumina dopada com 10% em massa de sílica preparado por precipitação. Embora este tenha sido o material com a maior seletividade para metanol, o seu CTY foi apenas 0,51 molCO₂∙gCu⁻¹∙s⁻¹. Comparado com o material de referência, TMC-3/1, (22,9%), as seletividades obtidas foram menores. A utilização de aluminossilicatos com 40% em massa de sílica como suporte não influenciou positivamente o catalisador. O catalisador C20Z10A (P) deve ser investigado em detalhe, pois pode ser um sistema catalítico promissor para ser utilizado em filmes catalíticos integrados num novo reator de microestrutura, também conhecido como NetMIX.
O aquecimento global, impulsionado pelo aumento das emissões de gases com efeito estufa, maioritariamente composto por dióxido de carbono, tem sido um problema evidente ao longos dos anos. Esse aumento das emissões deve-se sobretudo à queima de combustíveis fósseis, tornando urgente a busca por alternativas mais sustentáveis. Uma das abordagens mais promissoras é a captura e utilização de carbono, permitindo o uso do CO₂ produzido por diferentes indústrias como uma fonte alternativa de carbono para produzir combustíveis e outros produtos químicos de alto valor agregado, entre eles o metanol. O metanol é um composto versátil e importante com uma ampla gama de aplicações, sendo maioritariamente utilizado como matéria-prima para a síntese de produtos químicos industriais valiosos. Recentemente, o seu uso como combustível marítimo tem ganhado uma participação significativa no mercado. Do ponto de vista da economia circular do CO₂, a produção de metanol a partir da reação de hidrogenação do CO₂ é uma aplicação muito interessante. Isso tem atraído especial atenção da comunidade científica nas últimas décadas para tornar essa abordagem um processo economicamente viável, com foco em materiais catalíticos inovadores, tecnologias de reatores e integração de processos. Esta dissertação teve como foco o desenvolvimento e estudo de diferentes catalisadores suportados para a síntese de metanol a partir de CO₂. Foram desenvolvidos diferentes catalisadores à base de cobre e zinco suportados em alumina e alumina dopada com sílica, utilizando diferente métodos de preparação, nomeadamente impregnação incipiente húmida e precipitação. O desempenho catalítico desses materiais foi avaliado num reator de leito fixo por 8 horas, utilizando as condições ideais obtidas a partir de um estudo paramétrico realizado anteriormente (250ºC, 30 bar, razão H₂/CO₂ de 3 e “Gas Hourly Space Velocity” (GHSV) de 2,8 L∙gcat⁻¹∙h⁻¹). O catalisador C20Z10A (P), com 20% em massa de cobre, 10% em massa de zinco suportado em alumina e preparado por precipitação, apresentou resultados promissores, com valores de “Copper-normalized time yield” (CTY) (1,04 molCO₂∙gCu⁻¹∙s⁻¹) e seletividade para metanol (7,9%). A melhor seletividade obtida foi de 12,8% com o catalisador C20Z10S10 (P), com 20% em massa de cobre, 10% em massa de zinco suportado em alumina dopada com 10% em massa de sílica preparado por precipitação. Embora este tenha sido o material com a maior seletividade para metanol, o seu CTY foi apenas 0,51 molCO₂∙gCu⁻¹∙s⁻¹. Comparado com o material de referência, TMC-3/1, (22,9%), as seletividades obtidas foram menores. A utilização de aluminossilicatos com 40% em massa de sílica como suporte não influenciou positivamente o catalisador. O catalisador C20Z10A (P) deve ser investigado em detalhe, pois pode ser um sistema catalítico promissor para ser utilizado em filmes catalíticos integrados num novo reator de microestrutura, também conhecido como NetMIX.
Description
Financiado
Keywords
Hydrogenation reaction of CO2 Methanol Copper Zinc Alumina Silica-doped alumina Reação de hidrogenação de CO2 Metanol Cobre Zinco Alumina dopada com sílica