PRESENTAZIONE

Chimica e Tecnologia della Catalisi + Laboratorio (Chemistry and Technology of Catalysis + Laboratory, CTCATAL, codice 66402) vale 6 crediti e si svolge nel secondo semestre dei seguenti anni: 1° Chimica Industriale

Il corso si occupa di vari aspetti della catalisi eterogenea. Durante il corso si affronta la preparazione e caratterizzazione di catalizzatori eterogenei, le prestazioni cinetiche e l'influenza di fenomeni che limitano la velocità globale di reazione. L'approccio è pragmatico ed orientato alle applicazioni industriali. 

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

Knowledge of the main membrane preparation methods as well as of the parameters that control the mechanism of membrane formation. Knowledge of the main membrane characterization techniques.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Al termine del corso lo studente dovrà conoscere i principali metodi di preparazione e caratterizzazione dei catalizzatori ed essere in grado di interpretare l'influenza dei fenomeni di trasferimento di massa sulla velocità di reazione delle reazioni catalitiche eterogenee. Inoltre durante l'attività di laboratorio lo studente dovrà imparare a lavorare in gruppo e collaborare alla stesura di report sulle attività svolte in laboratorio.

PREREQUISITI

Conoscenze di base di termodinamica chimica e di cinetica. 

MODALITA' DIDATTICHE

- Lezioni frontali (32 ore)

- Esperienze in laboratorio (frequenza obbligatoria) (26 ore): Gli studenti sono tenuti alla presentazione di un minireport per ogni esperienza affrontata e tipicamente di due report completi e concordati con il docente per due delle esperienze svolte. 

PROGRAMMA/CONTENUTO

Parte introduttiva: Definizioni fondamentali e richiami di teoria della catalisi: catalizzatori, equilibrio termodinamico, velocità di reazione, energia di attivazione ed equazione di Arrhenius, tipi di reattori industriali. Classificazione dei catalizzatori industriali: tipi di catalizzatori: catalisi omogenea, catalisi eterogenea; catalizzatori eterogenei e classificazione; catalizzatori redox; catalizzatori di ossidazione in fase gas ed in fase liquida, catalizzatori di idrogenazione, catalizzatori per deidrogenazioni; catalizzatori acido-base; catalizzatori polifunzionali. Esempi di catalisi applicata allo sviluppo di processi ecosostenibili o nel controllo o rimozione di inquinanti. Metodi di preparazione dei catalizzatori: Preparazione di supporti e di catalizzatori massivi: tipi di supporti per catalizzatori, proprietà e preparazione. Precipitazione, metodi sol gel, sintesi idrotermali, trattamenti di stabilizzazione (lavaggio, essiccamento, calcinazione), formatura (dimensione e forma). Sintesi di zeoliti. Sintesi di catalizzatori Raney. Scale-up nella produzione di catalizzatori. Preparazione di catalizzatori supportati e metodi di dispersione: selezione dei supporti. Metodi di impregnazione con e senza interazioni: scambio ionico, impregnazione incipiente, precipitazione omogenea. Caratterizzazione di catalizzatori: Tecniche di caratterizzazione: morfologia e caratteristiche fisiche, caratteristiche superficiali, caratteristiche massive, proprietà tecnologiche. Adsorbimento di vapori a bassa temperatura, porosimetria fisi- assorbimento e a mercurio, permeometria, microscopia, metodi spettroscopici, tecniche a temperatura programmata (TPD, TPR, TPO, TG, DSC, DTA). Interpretazione del numero di siti attivi dispersi in un supporto inorganico ed organico mediante l’analisi delle dimensioni delle nanoparticelle metalliche mediante tecniche di microscopia elettronica o misure di chemiadsorbimento (statico e dinamico). Procedure sperimentali per la interpretazione e comparazione delle attività catalitiche. Regimi di reazione e limitazioni diffusive in catalisi eterogenea. Vita, avvelenamento, rigenerazione di un catalizzatore eterogeneo. Esercitazioni e attività di laboratorio: Preparazione di un supporto mesoporoso di allumina. Determinazione del punto isoelettrico di un supporto. Preparazione di un catalizzatore supportato: cinetica di impregnazione e tipi di distribuzione della specie attiva nel supporto. Caratterizzazione morfologica di catalizzatori mediante microscopia elettronica. Valutazione della dispersione metallica e del diametro medio dei cristalliti mediante microscopia elettronica a trasmissione. Analisi di sistemi catalitici eterogenei gas-solido: tipi di reattori, metodi sperimentali per la valutazione delle condizioni limitanti, pianificazione della sperimentazione per la valutazione della cinetica intrinseca, bilancio materiale e raccolta dei dati sperimentali. Calcolo ed interpretazione di TON. Applicazione di criteri per la presenza di gradienti intraparticella, interfase, nel reattore. Analisi di sistemi catalitici multifase: gas-liquido-solido. Calcolo ed interpretazione del TOF. Determinazione dell’energia di attivazione e individuazione dei regimi cinetici. Durante tale sperimentazioni le reazioni prevalentemente studiate saranno quelle di idrogenazione e di isomerizzazione. I substrati utilizzati saranno di tipo polifunzionali e idonei per lo studio di reazioni in serie (es. Fenil Acetilene), di reazioni parallele (es. aldeide cinnamica) e di reazioni di isomerizzazione. In aggiunta altre esercitazioni potrebbero essere finalizzate allo studio cinetico e alla valutazione del grado di reazione.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

D. Murzin, Engineering Catalysis. De Gruyter,  Berlin, Boston, 2013

D. Sanfilippo (ed.), The Catalytic Process from Laboratory to the Industrial Plant, Maraschi, Milano, 1994.

G. Bellussi (ed.), Material design for catalytic application, Maraschi, Milano, 1996

J.M.Thomas, W.J. Thomas, Principles and Practice of Heterogeneous Catalysis, Wiley-VCH Verlag GmbH, 1996

R.J. Wijngaarden, A. Kronberg, K.R. Westerterp, Industrial catalysis: optimizing catalysts and processes, Wiley-VCH, 1998

F. Cavani et al., Fondamenti di Chimica Industriale, Zanichelli,  2022. Capitolo sui Principi della Chimica Industriale pagg. 15-95

Materiale suppletivo è fornito a richiesta a studenti lavoratori, o studenti con DSA per venire incontro ad esigenze specifiche.

DOCENTI E COMMISSIONI

Commissione d'esame

ANTONIO COMITE (Presidente)

CAMILLA COSTA

ORIETTA MONTICELLI

ALBERTO SERVIDA

SILVIA VICINI

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

L'insegnamento è previsto nel secondo semestre avente inizio il 28/02/2022

Orari delle lezioni

CHEMISTRY AND TECHNOLOGY OF CATALYSIS + LABORATORY

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

Esame Orale. La discussione verterà inizialmente sulle esperienze di laboratorio. 

La ripartizione del voto avverà per il 60% sull'esame orale finale e per il 40% sulle attività descritta dalle relazioni di laboratorio.

Per gli studenti disabili o con DSA, le modalità d'esame sono uniformate alla regolamentazione di Ateneo per lo svolgimento degli esami di profitto (https://unige.it/disabilita-dsa).

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

La Commissione è costituita da almeno due componenti di cui uno è il responsabile dell'insegnamento; l'esame orale ha una durata di almeno 30 min. Con queste modalità, la Commissione è in grado di verificare il conseguimento degli obiettivi formativi dell'insegnamento. Lo studente dovrà conoscere i principali metodi di preparazione e caratterizzazione dei catalizzatori ed essere in grado di interpretare l'influenza dei fenomeni di trasferimento di massa sulla velocità di reazione delle reazioni catalitiche eterogenee sia da un punto di vista teorico che pratico sulla base di quanto svolto nelle esperienze di laboratorio. Nel caso in cui questi non fossero raggiunti, lo studente è invitato ad approfondire lo studio richiedendo anche eventuali spiegazioni aggiuntive al docente responsabile.

Calendario appelli