Reforma de biogás utilizando catalisadores em aerogel de níquel, ítria e alumina (Ni-Y2O3-Al2O3)

Abstract

A reforma de biogás é um processo de grande interesse ambiental e industrial que utiliza gases de efeito estufa (CH4 e CO2) para obtenção de gás de síntese (H2 e CO). Durante a reforma, o catalisador comercial de Ni/Al2O3 sofre com a excessiva deposição de coque. Para aumentar o desempenho catalítico e minimizar a desativação por coque são estudados diferentes métodos de preparo de catalisadores e o uso de promotores. Neste trabalho, foram sintetizados catalisadores em aerogel com níquel, ítria e alumina (Ni-Y2O3-Al2O3) pelo método sol-gel empregando óxido de propileno como agente geleificante e secagem supercrítica com dióxido de carbono. Os catalisadores foram avaliados quanto à produção de gás de síntese e à resistência ao coque nas reações de reforma de biogás e regeneração com CO2. As técnicas de caracterização utilizadas foram: adsorção física de nitrogênio, difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura e transmissão, espectroscopia de energia dispersiva e na região do infravermelho com transformada de Fourier. As reformas ocorreram na faixa de 500 a 800 °C, pressão atmosférica por 5 h, e as regenerações de 650 a 850 °C por 3 h e mesma pressão. A realização das reações em termobalança possibilitou a execução de um único procedimento experimental que medisse a produção H2, CO e coque. Foram obtidos catalisadores nanométricos e mesoporosos com elevada área superficial específica. Os catalisadores mantiveram a estrutura amorfa com alta dispersão metálica. As reações de reforma comprovaram a eficiência do Y2O3 no aumento do desempenho catalítico e na minimização de coque. Pela primeira vez, foram determinados, simultaneamente, os perfis do crescimento de coque e da produção de gás de síntese durante as reações de reforma e regeneração. As maiores produções de hidrogênio foram em 600 e 700 °C e com a inserção de ítria. A resistência ao coque diminuiu na ordem: NiY2.5Al>NiY5Al>NiAl> NiY10Al. As menores formações ocorreram a 700 e 800 °C. NiY2.5Al apresentou uma redução de 58,67% em massa de coque comparado ao NiAl a 700 °C. A melhor temperatura de reforma e regeneração foi 700 °C. O desempenho catalítico dos catalisadores em aerogel foi superior ao xerogel e ao comercial. Por fim, os catalisadores em aerogel de Ni-Y2O3-Al2O3 são uma alternativa promissora para o aumento da produção de gás de síntese e redução de coque, permanecendo ativos e estáveis ao final das reações de reforma de biogás e regeneração com CO2.

Abstract : Biogas reforming is a process of great environmental and industrial interest that uses greenhouse gases (CH4 and CO2) to obtain syngas (H2 and CO). During reforming, the commercial Ni/Al2O3 catalyst suffers with excessive coke deposition. To increase the catalytic performance and to minimize the effects of coke deactivation, different methods of catalyst preparation and the use of promoters are studied. In this work, aerogel catalysts were synthesized with nickel, yttria and alumina (Ni-Y2O3-Al2O3) by the sol-gel method employing propylene oxide as a gelling agent and drying with supercritical carbon dioxide. The catalysts were evaluated for syngas production and for coke resistance in biogas reforming and CO2 regeneration reactions. The characterization techniques used were: physical adsorption of nitrogen, X-ray diffraction, scanning and transmission electron microscopy, dispersive energy spectroscopy and Fourier transform infrared spectroscopy. Biogas reforming reactions occurred in the range of 500 to 800 ° C, atmospheric pressure for 5 h, and regeneration of 650 to 850 ° C for 3 h and the same pressure. The realization of the reactions in thermobalance allowed the execution of a single experimental procedure that measured H2, CO and coke production. Nanoscale and mesoporous with high specific surface area catalysts were obtained. The catalysts maintained an amorphous structure with high metallic dispersion. Biogas reforming reactions proved the Y2O3 efficiency in increasing catalytic performance and minimizing coke. For the first time, profiles of coke growth and syngas were determined simultaneously during reforming and regeneration reactions. The highest hydrogen yields were at 600 and 700 ° C and with the yttria insertion. Coke resistance decreased in the order: NiY2.5Al>NiY5Al>NiAl>NiY10Al. The smallest formations occurred at 700 and 800 ° C. NiY2.5Al showed a 58.67wt% reduction in coke compared to NiAl at 700 ° C. The best reforming and regeneration temperature was 700 °C. The catalytic performance of aerogel catalysts was higher than xerogel and commercial. Finally, Ni-Y2O3-Al2O3 aerogel catalysts are a promising alternative for increasing syngas production and coke reduction, remaining active and stable at the end of the biogas reforming and CO2 regeneration reactions.