Desempenho do catalisador Ni/Si-MCM-41 na reação de metanação e prospecção de uso de CO2 proveniente da purificação do biogás e de H2 renovável

Abstract

Resumo: A obtenção de metano a partir da reação de metanação, que consiste, basicamente, em converter H2 e CO2 em CH4 e H2O, se mostra como uma alternativa renovável para diversificação da matriz energética global. Por apresentar uma cinética reacional desfavorável, o uso de catalisadores se faz necessário. Nesse sentido, o presente trabalho teve como objetivo avaliar o desempenho de catalisadores de Ni suportados em sílica do tipo MCM-41, sintetizados pelo método de impregnação úmida, na reação de metanação do CO2. Os catalisadores foram ativados in situ usando H2 a 40 mL.min- 1 a 600°C por 4 horas. Os testes catalíticos tiveram duração de 2,5 horas e foram realizados sob pressão atmosférica com 0,6 g de catalisador misturado com 1 g de sílica gel. As variáveis reacionais foram: com teores em massa de níquel dos catalisadores (5% e 10%), temperatura (T= 400°C; 550°C), razão dos reagentes (H2/CO2 = 4; 2,5) e velocidade espacial (VHSV= 5 L.g-1.h-1; 10 L.g-1.h-1). Os catalisadores foram caracterizados por BET, DRX, MEV, EDS (antes das reações) e ATG, MEV e EDS (após as reações). A partir das variáveis reacionais, foi realizado um planejamento experimental - DOI com 2 fatores e 4 variáveis a fim de estudar a interferência das condições reacionais em relação à seletividade do catalisador, conversão dos reagentes e rendimento reacional referente ao CH4 e ao CO. As análises indicaram uma alta área específica, granulometria variando entre 200 e 900 nm, com morfologia esférica lisa com níquel impregnado superficialmente. A temperatura reacional foi a variável mais significante para os resultados, bem como sua relação com a velocidade espacial. Ambos os catalisadores apresentaram estabilidade catalítica. Os resultados apontaram que o desempenho, considerando os dois catalisadores, em relação às variáveis resposta foi melhor para o 5%Ni/Si-MCM- 41. O melhor resultado foi obtido na reação com razão entre os reagentes igual a 2,5, velocidade espacial igual a 5 L.g-1.h-1 e temperatura reacional igual a 550 ºC, obtendo 93,7% de seletividade ao metano, 69,4% de conversão de CO2, 74% de conversão de H2 e um rendimento ao metano de 20,69%.O melhor resultado encontrado para o catalisador 10%Ni/Si-MCM-41 foi obtido na reação com razão entre os reagentes igual a 4 velocidade espacial igual a 5 L.g-1.h-1 e temperatura reacional igual a 550°C, obtendo 92,6% de seletividade ao metano, mais de 52% de conversão dos reagentes e um rendimento ao metano de, 13,85%.

Abstract: Obtaining methane from the methanation reaction, which basically consists of converting H2 and CO2 into CH4 and H2O, is a renewable alternative for diversifying the global energy matrix. Due to its unfavorable reaction kinetics, the use of catalysts is necessary. In this sense, the present work aimed to evaluate the performance of Ni catalysts supported on silica of the MCM-41 type, synthesized by the wet impregnation method, in the CO2 methanation reaction. The catalysts were activated in situ using H2 at 40 mL.min-1 at 600°C for 4 hours. The catalytic tests lasted 2,5 hours and were carried out under atmospheric pressure with 0,6 g of catalyst mixed with 1 g of silica gel. The reaction variables were with nickel mass contents of the catalysts (5% and 10%), temperature (T= 400 °C; 550 °C), reactant ratio (H2/CO2 = 4; 2,5) and speed spatial (VHSV= 5 L.g-1.h-1; 10 L.g-1.h-1). The catalysts were characterized by BET, DRX, MEV, EDS (before the reactions) and ATG, MEV and EDS (after the reactions). From the reaction variables, an experimental design - DOI with 2 factors and 4 variables was carried out to study the interference of the reaction conditions in relation to the catalyst selectivity, conversion of reactants and reaction yield related to CH4 and CO. The analyzes indicated a high specific area, particle size varying between 200 and 900 nm, with smooth spherical morphology with superficially impregnated nickel. The reaction temperature was the most significant variable for the results, as well as its relationship with space velocity. Both catalysts showed catalytic stability. The results showed that the performance, considering the two catalysts, in relation to the response variables was better for 5%Ni/Si-MCM-41. The best result was obtained in the reaction with a ratio between the reactants equal to 2,5, space velocity equal to 5 L.g-1.h-1 and reaction temperature equal to 550 ºC, obtaining 93,7% selectivity to methane, 69,4% conversion of CO2, 74% conversion of H2 and a yield to methane of 20,69%. The best result found for the catalyst 10%Ni/Si-MCM-41 was obtained in the reaction with the ratio between the reactants equals 4, space velocity equal to 5 L.g-1.h-1 and reaction temperature equal to 550ºC, obtaining 92,6% of selectivity to methane, more than 52% of conversion of reactants and a yield to methane of 13,85 %.