La Combustione Catalitica è un'opzione tecnologica intrinsecamente pulita e sicura per produrre energia con alta efficienza, bruciando miscele gassose combustibile/aria anche al di fuori dei normali limiti di infiammabilità ed in corrispondenza di temperature operative inferiori a quelle di una fiamma tradizionale. Ciò consente di evitare i problemi di instabilità di funzionamento e soprattutto di formazione di inquinanti (CO, NOx, soot) tipici dei processi di combustione tradizionali (fig.1). Del resto, l'ossidazione catalitica di gas naturale e idrocarburi leggeri può rappresentare una via molto vantaggiosa per la produzione eco-sostenibile di intermedi chimici ad alto valore quali idrogeno, gas di sintesi, etilene e propilene. Tutti questi processi necessitano di sistemi catalitici resistenti a temperature elevate (800-1000°C o più) e con alta attività intrinseca per far fronte ai tempi di contatto estremamente ridotti normalmente richiesti.
Tipicamente, le formulazioni catalitiche impiegate si basano sui metalli nobili (e/o terre rare) dal momento che Pt, Pd e Rh sono considerati tra gli elementi più attivi; tuttavia il loro utilizzo ad alta temperatura è limitato da problemi di stabilità (Pd, Rh) e volatilità (Pt). Inoltre i grandi volumi richiesti di catalizzatori ad alto costo riducono o annullano del tutto i margini economici di convenienza di questi processi, posizionandoli di solito al di fuori dei limiti di fattibilità.
La ricerca è stata rivolta allo studio di catalizzatori alternativi di ossidi misti a struttura perovskitica supportati su materiali refrattari ad alta area superficiale. In particolare sono stati sviluppati nuovi catalizzatori a basso costo e con migliori caratteristiche di resistenza termica ed attività ossidativa. L'ingegnerizzazione delle nuove formulazioni catalitiche è stata effettuata con la preparazione di reattori catalitici strutturati in un'ampia varietà di forme (nido d'ape e schiume, Fig.2). Nella combustione povera premiscelata del metano, i catalizzatori monolitici hanno mostrato un'elevata attività di ossidazione accoppiata a doti di durabilità e resistenza a temperature fino a 1100°C, molto superiore alle corrispondenti perovskiti testate in precedeza. Tali caratteristiche li rendono interessanti per applicazioni sia domestiche che industriali quali: bruciatori premiscelati radianti e combustori per turbine a gas. Inoltre, questi catalizzatori presentano prestazioni migliori rispetto ai sistemi catalitici "stato dell'arte" a base di Pt in reattori a basso tempo di contatto (produzione di etilene attraverso ossidazione parziale di etano) e risultano di interesse industriale in impianti di steam cracking attualmente caratterizzati da alti costi di esercizio e forte impatto ambientale.
Lo studio, svolto in collaborazione con partner industriali, ha portato alla formulazione nel 2003 di un brevetto italiano, attualmente in fase di estensione internazionale, nonché all'assegnazione del prestigioso Premio ITALGAS 2003 per il Debutto nella Ricerca all'ing. Francesco Donsì per la Tesi di Dottorato svolta presso l'IRC su tale tematica.
La ricerca ha attivato proficue sinergie con partner industriali di alto profilo internazionale (ENEL, SNAMPROGETTI), per il finanziamento di progetti per la valutazione e l'implementazione di sistemi catalitici innovativi nei campi della produzione di energia pulita (Combustori per Turbine a Gas) e di intermedi dell'industria chimica (Produzione di Olefine).
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