Reazione di Sabatier: metanazione, reazione, attuali applicazioni

La reazione di Sabatier è una reazione di metanazione che consiste nella reazione tra biossido di carbonio e idrogeno per ottenere metano e vapore acqueo.
I chimici francesi Paul Sabatier, premio Nobel per la chimica nel 1912 e Jean-Baptiste Senderens scoprirono questa reazione nel 1897.

Nonostante sia nota da oltre un secolo questa reazione ha destato, negli ultimi tempi, un grande interesse per le sue applicazioni.
La reazione di Sabatier, infatti, produce il metano principalmente usato in campo energetico ed attualmente estratto dai suoi giacimenti utilizzando CO₂.

Il biossido di carbonio è uno dei più abbondanti gas serra che è prodotto dalle reazioni di combustione e come sottoprodotto di numerose reazioni industriali. Questa trasformazione chimica, spesso definita reazione di Sabatier, offre una soluzione promettente per mitigare le emissioni di gas serra, poiché non solo converte la CO2 in una preziosa fonte di carburante, ma si integra anche con il concetto di tecnologia “Power-to-Gas”

Reazione di Sabatier

La reazione che avviene ad una temperatura tra 250 e 300°C

CO₂ + 4 H₂ → CH₄ + 2 H₂O
è una reazione esotermica per la quale la variazione di entalpia ΔH è pari a – 165 kJ/mol

La reazione richiede un catalizzatore e quello preferito a causa del suo basso costo, della più alta attività e della più alta selettività per la formazione di metano è a base di nichel.

L’ossido di alluminio, il biossido di cerio, l’ossido di magnesio, il biossido di silicio, il biossido di zirconio e le zeoliti sono i catalizzatori a base di nichel preferiti utilizzati per la metanazione.

Nelle reazioni industriali, come la sintesi dell’ammoniaca, bisogna tener conto anche dell’aspetto termodinamico.
La reazione di Sabatier è esotermica e sviluppa quindi calore e ciò implica che se non è controllata la temperatura questa si innalzerà facendo spostare a sinistra l’equilibrio secondo il principio di Le Chatelier.

È quindi necessario il controllo della temperatura anche per prevenire la disattivazione del catalizzatore.

Progettazione del reattore

Per eseguire la reazione di Sabatier in modo efficiente, viene impiegato un reattore di metanazione. La progettazione del reattore può avere un impatto significativo sul tasso di conversione e sulla selettività della reazione. Esistono diversi tipi chiave di reattori utilizzati per la metanazione:

1. Reattori a letto fisso : sono il tipo di reattore più comune e sono costituiti da un letto di catalizzatore fisso attraverso il quale scorrono i reagenti. I reattori a letto fisso forniscono un buon controllo della temperatura e sono adatti per operazioni continue.
2. Reattori a letto fluido : in questi reattori, le particelle del catalizzatore sono sospese in un letto fluido di reagenti. Questo design offre una buona miscelazione ed è spesso utilizzato per applicazioni ad alta temperatura.
3. Reattori a letto di fanghi : le particelle di catalizzatore sono sospese in una fase liquida in questi reattori. I reattori a letto di fanghi sono adatti per reazioni con alimentazione liquida, il che li rende vantaggiosi per applicazioni che coinvolgono biomassa umida.
4. Reattori a membrana : si tratta di reattori specializzati che incorporano membrane per separare e purificare il metano prodotto, aumentando l’efficienza complessiva della reazione.

Attuali utilizzi della reazione di Sabatier

Fino a pochi decenni fa questa era una delle tante reazioni che, a causa dell’abbondanza del gas naturale e della scarsa sensibilità ai cambiamenti climatici indotti dai gas serra, non aveva il giusto riconoscimento.

In realtà neanche i suoi scopritori avrebbero mai potuto immaginare le potenzialità della reazione nell’ambito delle missioni spaziali.

Infatti la NASA nel 2010 ha annunciato l’utilizzo di questa reazione per la produzione di circa 2400 litri di acqua all’anno dai sottoprodotti del sistema di generazione di ossigeno della stazione e dalla di rimozione dell’anidride carbonica.

Prima di utilizzare questa reazione, l’idrogeno prodotto durante la generazione di ossigeno dalla stazione e l’anidride carbonica generata dal metabolismo dell’equipaggio erano scaricati fuori bordo. Con questo sistema quelli che erano gas di scarico generano un prodotto prezioso per la stazione spaziale: l’acqua.