Sviluppo di catalizzatori a membrana per l’ossidazione selettiva del propano mediante il sistema di Fenton Fe(II)-H2O2

Questa Tesi di Laurea è il risultato di un anno di attività di ricerca (Nov.2001-Nov.2002), svolto presso il Dipartimento di Chimica Industriale ed Ingegneria dei Materiali dell’Università di Messina sotto la supervisione del Prof. Parmaliana e della Dr.ssa Espro, finalizzato alla preparazione ed allo sviluppo di membrane catalitiche per la reazione di ossidazione selettiva del propano ad intermedi liquidi ossigenati, in condizioni di reazione blande, mediante il sistema di Fenton Fe(II)-H2O2.
Il lavoro costituisce la naturale prosecuzione degli studi precedentemente compiuti dalla Dr.ssa Espro, con particolare riferimento agli aspetti riguardanti il meccanismo di reazione e la reattività dei diversi catalizzatori a membrana utilizzati. Questa Tesi si articola in due parti: una parte generale ed una parte sperimentale.
Nella parte generale si evidenzia la grande attualità, nonché la rilevanza scientifica e tecnologica dei processi di conversione diretta degli idrocarburi leggeri in fase liquida (Cap. 1). É stata riportata una descrizione dettagliata delle nuove metodologie catalitiche per l’ossidazione selettiva (Cap. 2), realizzata attraverso un’analisi critica della letteratura più recente riguardante la catalisi, la reattoristica e l’economia di processo. Si sono esaminati in dettaglio alcuni sistemi superacidi e la loro crescente importanza nell’attivazione di substrati poco reattivi quali gli idrocarburi saturi (Cap. 3). É stato anche accuratamente analizzato il sistema di Fenton, ponendo particolare attenzione al meccanismo di reazione ed al suo impiego nelle reazioni di ossidazione selettiva delle paraffine leggere (Cap. 4).
Il lavoro svolto precedentemente aveva evidenziato che le membrane Nafion/CV/CPaper, pur essendo attive e selettive nella reazione di ossidazione selettiva del propano, presentano alcuni problemi, legati principalmente al notevole spessore ed alla bassa resistenza meccanica, che ne limitano l’ulteriore sviluppo.
Pertanto, nella parte sperimentale, lo studio è stato finalizzato all’ottimizzazione delle membrane catalitiche standard (Nafion/CV/CPaper), con particolare riguardo agli aspetti relativi alla preparazione ed alla caratterizzazione (Cap. 5). I risultati dei test hanno dimostrato l’importanza della specie superacida e il ruolo svolto dal Fe(II) nell’attivazione dell’H2O2. In questo contesto si è valutata l’influenza di nuove coppie redox, l’effetto degli inibitori di radicali (Cl-) e di un solvente organico. Inoltre, è stata valutata l’attività di nuovi catalizzatori a membrana con matrice polimerica e l’influenza del doping sulla performance delle membrane composite di CV (Cap. 6).
É stato inoltre definito un modello in grado di descrivere il comportamento del reattore trifasico (3PCMR) e consentirne un eventuale “scale-up”. Infine, allo scopo di migliorare la produttività del sistema, in collaborazione con l’Università della Calabria è stato realizzato un modulo a fibre cave con geometria tubolare che potrebbe, in un futuro non remoto, portare ad uno sviluppo applicativo del processo in studio.