Le applicazioni riguardanti la cattura, l’utilizzo e lo stoccaggio della CO₂ sono considerate, singolarmente o combinate tra loro (CCUS), tra le più promettenti per ridurre le emissioni di anidride carbonica.

Tra le tecnologie più utilizzate per la rimozione della CO₂ da effluenti gassosi, l’utilizzo di solventi acquosi a base di ammine è la soluzione più diffusa sia per i bassi costi di esercizio, sia per la facilità di integrare questa tecnologia in impianti commerciali di trattamento di gas, che per l’efficacia della tecnologia nel trattamento di grandi quantità di effluenti gassosi. Tuttavia, la principale difficoltà di questa tecnologia attraverso la quale l’anidride carbonica viene assorbita nella soluzione, è il consumo energetico dovuto alla rigenerazione del solvente esausto: circa il 70-80 % dei costi di esercizio del processo di cattura sono legati al consumo energetico della fase di rigenerazione del solvente, influenzando significativamente la scelta della più opportuna tecnologia da considerare.

Attualmente la monoetanolammina (MEA) nella concentrazione 5M (30% in peso) è il solvente chimico più utilizzato nei processi di post-combustione grazie al basso costo e alla elevata efficienza. Le prestazioni di questo solvente vengono prese come riferimento per lo studio di nuove applicazioni con solventi avanzati e soluzioni impiantistiche innovative, sia in fase di assorbimento che rigenerazione. Il consumo energetico necessario per rigenerare una soluzione di ammina 5M è pari a 4 MJ/kg di CO₂.

L’obiettivo della ricerca di Sotacarbo è quello di migliorare il processo di desorbimento di CO₂ di soluzioni amminiche, al fine di ridurre il dispendio energetico nella fase rigenerativa.

Un’alternativa può essere rappresentata dall’utilizzo, nella colonna di rigenerazione, di appositi catalizzatori solidi acidi. Questi materiali possono promuovere il desorbimento della CO₂ abbassando l’energia di attivazione per il trasferimento protonico e il rilascio della CO₂ dalla molecola del carbammato, formato in seguito alla reazione tra l’ammina e la CO₂. Questo approccio è ancora in fase di sperimentazione da laboratorio. L’utilizzo di un catalizzatore nel processo di desorbimento consente di lavorare a temperature inferiori con vantaggi sotto diversi punti di vista: infatti a temperature di desorbimento più basse (< 105 °C), si ha una notevole riduzione dell’evaporazione dell’acqua e del calore necessario a riscaldarla, con conseguenti risparmi in termini di reintegro del solvente. Inoltre, viene preservata la degradazione dell’ammina.

La maggior parte dei lavori disponibili in letteratura riguardano studi specifici sull’unità di desorbimento, spesso condotti in batch su scala da laboratorio (con massimo 4 l di soluzione amminica da rigenerare). Sotacarbo ha programmato una campagna sperimentale presso l’impianto di assorbimento-desorbimento di anidride carbonica, situato nella Piattaforma Pilota del Centro Ricerche, in collaborazione con il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-ICCOM di Sesto Fiorentino), che studia da anni il processo di assorbimento e rigenerazione della CO₂ con ammine. Obiettivo della ricerca è stato quello di valutare il risparmio energetico derivante dall’utilizzo di un catalizzatore acido posto nella sezione di desorbimento per la rigenerazione di una soluzione acquosa di MEA 5 M.

All’interno della Piattaforma Pilota Sotacarbo è presente un impianto dedicato ai test sperimentali di chemiassorbimento della CO₂ attraverso soluzioni acquose di ammine e di rigenerazione dei solventi di cattura. La colonna di stripping per la rigenerazione della soluzione di cattura esausta è stata progettata e realizzata nel 2011. Essa consente l’abbattimento dei costi correlati ai test di separazione della CO₂ e a quelli legati all’approvvigionamento e allo smaltimento dei solventi. L’unità di rigenerazione delle ammine è in grado di operare sia in modalità continua che in batch il solvente proveniente dalla sezione di cattura della CO₂. Attraverso un diffusore, il gas da trattare è immesso all’interno della colonna, dove reagisce venendo in contatto in controcorrente con la soluzione amminica che discende lungo la colonna.

I test sono stati effettuati a seguito dell’approfondimento delle caratteristiche di vari catalizzatori da testare, tenendo conto della loro forma/dimensione, delle caratteristiche chimiche, del rapporto ammina/catalizzatore e delle condizioni di processo da applicare. I materiali adatti ad essere impiegati per questa particolare applicazione sono le zeoliti H-ZSM₅ e HY, la γ-Al₂O₃, i silico-alluminati mesoporosi come MCM-41 o SAPO-34 e i materiali superacidi come SO₂2-/ZrO₂/SBA15 o Ce(SO₄)₂/ZrO₂. Le valutazioni che hanno portato alla scelta del catalizzatore da testare per le prove sull’unità di desorbimento hanno tenuto conto, oltre che delle caratteristiche dei materiali, dell’economicità e della facilità di reperimento. Si è optato per utilizzare catalizzatori di tipo zeolite ZSM-5.

Nel corso dei test la soluzione amminica viene campionata dall’impianto e caratterizzata in laboratorio in termini di densità, pH, viscosità e caricamento di CO₂. I dati ottenuti vengono correlati a quelli di un sistema di analisi online che misura la concentrazione di CO₂ nel tempo e dei dati operativi di impianto.