Estudo sobre a influência de diferentes ligantes no desempenho de catalisadores para a reforma a seco do biogás

Abstract

Resumo: A reforma a seco (RS) do biogás (constituído majoritariamente de CH? e CO?) é uma rota promissora para a produção de gás de síntese (mistura de H? e CO), contribuindo para a redução de gases de efeito estufa e para a produção de um combustível de alto valor agregado. Para aplicação industrial, os catalisadores utilizados na RS devem apresentar elevada atividade, estabilidade térmica e resistência mecânica, a fim de suportar condições operacionais severas sem sofrer fragmentação ou perda de desempenho. Nesse contexto, estudou-se o desempenho do catalisador Ni/MCM-41, variando-se a adição e a concentração de diferentes ligantes (bentonita, caulim e nanosílica 100%) em teores de 10%, 12,5% e 15% (m/m), visando aumentar a resistência mecânica sem comprometer as propriedades catalíticas, realizando testes de compressão dos materiais e análises de Fisissorção de N2, oxidação a temperatura programada (TPO), difratometria de raio-x (DRX). Com isso, os testes de compressão confirmaram a importância e a eficácia da adição de ligantes, elevando significativamente a resistência mecânica do material, de 104,9 N no catalisador sem ligante para até 17.080 N no CatB15% (bentonita). As análises de fisissorção de N2 classificaram todos os materiais como mesoporosos, com isotermas Tipo IV e histereses do tipo H2, mas indicaram que a adição dos ligantes causou uma redução da área superficial e do volume de poros, sendo essa redução mais acentuada nas amostras com nanosílica. Apesar dessa redução na área superficial dos materiais, todos os catalisadores se mostraram altamente ativos e estáveis durante as 8 horas de reação de RS, apresentando conversões de CH? e CO? acima de 90% e uma razão molar H?/CO próxima de 1,0. Dentre os materiais testados, o catalisador CatC10% apresentou o melhor desempenho reacional, com as maiores conversões de CH? (95,76%) e de CO? (97,93%). Após os testes reacionais, as análises de TPO apontaram depósitos de carbono sólido nos catalisadores, sendo o CatC15% o que apresentou a maior quantidade. Assim, o estudo demonstrou a viabilidade do uso do caulim, um material de baixo custo, para o desenvolvimento de catalisadores com alta estabilidade e desempenho na reforma a seco do biogás

Abstract: Dry reforming (DR) of biogas (composed mainly of CH? and CO?) is a promising route to produce synthesis gas (a mixture of H? and CO), contributing to the reduction of greenhouse gases and the production of a high value-added fuel. For industrial applications, the catalysts used in DR must exhibit high activity, thermal stability, and mechanical strength to withstand severe operating conditions without fragmentation or loss of performance. In this context, the performance of the Ni/MCM-41 catalyst was studied by varying the addition and concentration of different binders (bentonite, kaolin, and 100% nanosilica) at levels of 10%, 12.5%, and 15% (w/w), aiming to increase mechanical strength without compromising catalytic properties. Compression tests of the materials and analyses of N? physisorption, temperature-programmed oxidation (TPO), and X-ray diffractometry (XRD) were performed. Thus, compression tests confirmed the importance and effectiveness of adding binders, significantly increasing the material's mechanical strength from 104.9 N in the unbound catalyst to up to 17,080 N in CatB15% (bentonite). Nitrogen physisorption analyses classified all materials as mesoporous, with Type IV isotherms and H2-type hysteresis, but indicated that the addition of binders reduced surface area and pore volume, with the reduction more pronounced in samples containing nanosilica. Despite this reduction in the surface area of the materials, all catalysts proved to be highly active and stable during the 8-hour RS reaction, exhibiting CH? and CO? conversions above 90% and an H?/CO molar ratio close to 1.0. Among the materials tested, the CatC10% catalyst showed the best reaction performance, with the highest conversions of CH? (95.76%) and CO? (97.93%). After the reaction tests, TPO analyses indicated solid carbon deposits in the catalysts, with CatC15% showing the highest quantity. Thus, the study demonstrated the viability of using kaolin, a low-cost material, to develop catalysts with high stability and performance for the dry reforming of biogas