Orientadores: Gustavo Paim Valença, Ricardo Vieira

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: A reação de deslocamento de gás d'água, também conhecida como water gas shift reaction (WGSR), é muito utilizada na produção de hidrogênio, por meio da conversão do monóxido de carbono em CO2 e da água em H2. No presente trabalho, catalisadores de cobre e níquel suportados em alumina ou...

Resumo: A reação de deslocamento de gás d'água, também conhecida como water gas shift reaction (WGSR), é muito utilizada na produção de hidrogênio, por meio da conversão do monóxido de carbono em CO2 e da água em H2. No presente trabalho, catalisadores de cobre e níquel suportados em alumina ou nanofibras de carbono (NFC) foram utilizados para estudo da WGSR. Os catalisadores foram preparados através da impregnação de nitrato do metal nos suportes, sendo 5% em massa o valor nominal de teor metálico empregado. Os materiais foram secados, calcinados e caracterizados através de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Difração de Raios X (DRX), Adsorção Física de Nitrogênio e Espectrometria de Emissão Óptica por Plasma Indutivamente Acoplado (ICP OES). Depois de calcinados, os catalisadores foram carregados no reator, reduzidos e então testados na WGSR a baixas temperaturas (125 - 300 °C). Os gases que saíram do reator foram analisados online por Cromatografia Gasosa (CG). Houve produção de CO2, H2 e, provavelmente, de coque em pequenas quantidades. A pressão parcial de CO variou entre 4,64 e 11,35 kPa, e a pressão parcial de água variou entre 20,01 e 47,44 kPa. As condições de reação mais favoráveis para 5% Cu/Al2O3 foram pH2O = 38,64 kPa e pCO = 11,35 kPa, em todas as temperaturas reacionais empregadas. Já para 5% Cu/NFC as condições mais favoráveis foram pH2O = 20,01 kPa e pCO = 6,56 kPa, correspondendo a uma razão molar H2O:CO de 3,05. Outra variável testada foi corrente elétrica aplicada em 5% Ni/NFC, com o objetivo de verificar sua influência na atividade do catalisador. Entretanto, diferentes intensidades de corrente elétrica (entre -1,4 e 1,4 A) não alteraram a taxa ou a seletividade da WGSR. Dentre os catalisadores testados, 5% Cu/Al2O3 foi o mais ativo em todas as condições reacionais, devido à alta dispersão das partículas metálicas no suporte. Níquel suportado em Al2O3 se mostrou pouco ativo, porque as partículas metálicas estavam muito dispersas e, provavelmente, não foram reduzidas pelo H2. Ni/NFC e Cu/NFC apresentaram baixas conversões de CO, devido à hidrofobicidade do suporte. A energia de ativação aparente calculada para a WGSR foi de 86,05 kJ/mol para 5% Cu/Al2O3 e de 69,80 kJ/mol para 5% Cu/NFC. O mecanismo de reação proposto para Cu/NFC foi redox de cooperação e as ordens aparentes de reação obtidas foram 0,64 em relação ao CO e aproximadamente zero em relação à água

Abstract: The water gas shift reaction (WGSR) is widely used in the production of hydrogen, by the conversion of carbon monoxide into CO2 and of water into H2. In the present work, copper and nickel catalysts supported on alumina or carbon nanofibers (CNF) were used to study the WGSR. The catalysts...

Abstract: The water gas shift reaction (WGSR) is widely used in the production of hydrogen, by the conversion of carbon monoxide into CO2 and of water into H2. In the present work, copper and nickel catalysts supported on alumina or carbon nanofibers (CNF) were used to study the WGSR. The catalysts were prepared by impregnating metal nitrate in the supports, with a nominal mass metallic content of 5%. The solids were dried, calcined and characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), X-Ray Diffraction (XRD), Nitrogen Adsorption and Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry (ICP OES). After calcination, the catalysts were loaded into the reactor, reduced and then tested in the WGSR at low temperatures (125 - 300 °C). The gases from reactor were analyzed online by Gas Chromatography (GC). The products were CO2, H2 and, probably, small amounts of coke. The CO partial pressure varied between 4.64 and 11.35kPa, and the water partial pressure varied between 20.01 and 47.44 kPa. The most favorable reaction conditions for 5% Cu/Al2O3 were pH2O = 38.64 kPa and pCO = 11.35 kPa, for all reaction temperatures used in this work. For 5% Cu/CNF the most favorable conditions were pH2O = 20.01kPa and pCO = 6.56 kPa, corresponding to a molar ratio H2O:CO of 3.05. In a different experiment, electrical current was used in the 5% Ni/CNF bed, in order to verify its influence on the catalyst activity. The electrical current was varied between -1.4 and 1.4 A and no change was observed in the rate or selectivity of the WGSR. Among the catalysts tested, 5%Cu/Al2O3 was the most active under all conditions used in this work, due to the high dispersion of the metal particles on the support. Nickel supported on Al2O3, under reaction conditions studied, was less active, because the metal particles were widely dispersed and, probably, were not reduced by H2. Ni/CNF and Cu/CNF had low CO conversions, due to the support hydrophobicity. The apparent activation energy calculated for the WGSR was 86.05kJ/mol for 5% Cu/Al2O3 and 69.80 kJ/mol for 5% Cu/CNF. For Cu/CNF a co-operative redox reaction mechanism was proposed, and apparent reaction orders were 0.64 in relation to CO and approximately zero in relation to water