Metanação de CO2 utilizando catalisadores de níquel suportados e derivados de hidróxidos duplos lamelares (HDL)

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Dias, Yan Resing
• Orientador(a): Pérez Lopez, Oscar William
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Dióxido de carbono; Hidrogenação; Catalisadores
• Palavras-chave em Inglês: Carbon dioxide; Hydrogenation to CH4; Impregnated catalysts; Coprecipitation; Hydrotalcites; Basicity
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/267637

O aumento da concentração de dióxido de carbono (CO2) na atmosfera terrestre em função do uso de combustíveis fósseis, tendo em vista a crescente demanda energética das atividades humanas, contribui fortemente para o aquecimento global e as mudanças climáticas, causando uma série de efeitos negativos sobre o meioambiente. A metanação de CO2 surge como uma interessante rota para a mitigação de emissões e reaproveitamento do CO2, convertendo-o a metano (CH4) para uso como gás natural sintético (SNG), para obtenção de químicos de alto valor agregado, combustíveis e geração energética. No presente trabalho foram sintetizados catalisadores de Ni, suportados em SiO2 e promovidos com Cu via impregnação úmida, e catalisadores derivados de hidróxidos duplos lamelares (HDL) de Ni-Al (MII/MIII = 0,5-4), Ni-M-Al (M = Li, Mg, Ca, La; MII/MIII = 2) e Ni-Ca-Al (3-33 mol% Ca) via co-precipitação, de forma a avaliar o ajuste de propriedades e seu desempenho catalítico. Em baixa proporção (Ni/Cu = 40), foi possível obter uma conversão de 63,3% e seletividade para CH4 de 95,7% a 400 °C, minimizando efeitos negativos do Cu na metanação enquanto melhora as propriedades do catalisador. A adição de Cu facilitou a redução do Ni e a formação de cristalitos pequenos (12-15 nm). Para os catalisadores derivados de HDL, foram obtidos óxidos mistos (NiAl2O4 e Ni2AlO4) com elevadas área superficial, porosidade, dispersão e área metálica, além de pequenos tamanhos de cristalitos (3-7 nm). A máxima conversão de 92,3% e seletividade de 100% de CH4 foram atingidas pelo catalisador com MII/MIII = 2 a 300 °C, o que se deve à elevada presença de sítios básicos fracos e médios. A maior conversão docatalisador com MII/MIII = 1 a 300-350 °C está relacionada à elevada dispersão metálica. A promoção com metais básicos demonstrou aumentar grandemente o número de sítios básicos fracos e médios, principalmente para os catalisadores com Mg e Ca, além de melhorar as demais propriedades dos materiais. Dessa forma, uma alta conversão de 74,3% foi atingida pelo catalisador contendo Ca em 200 °C, e conversões máximas de 86% para aqueles com Mg, Ca e La a 250 °C, com 100% de seletividade para CH4, em decorrência da basicidade dos materiais, proporcionando a condução do processo em baixas temperaturas com elevada atividade e menor gasto energético. De forma similar, o ajuste da proporção de Ca foi capaz de fornecer melhorias tanto no número de sítios ativos quanto na basicidade dos catalisadores, em virtude da forte interação entre os metais componentes, levando a um excelente desempenho catalítico a baixas temperaturas, com conversões de 79,4% a 200°C e máximo de 86,6% a 250 °C, com 100% de seletividade para CH4, para o catalisador contendo 6% (mol%) de Ca, sendo tal proporção capaz de evitar segregação parcial do promotor. Elevada estabilidade termocatalítica e resistência à desativação foram observadas para todos os materiais sintetizados, tanto por sinterização quanto por deposição de carbono. Logo, o presente estudo demonstrou que a adequada formulação dos catalisadores, em especial daqueles derivados de HDL, leva ao melhoramento de suas propriedades e atividade catalítica, e permitindo a conversão do CO2 à CH4 de forma eficiente e sustentável.