# Sorption enhanced water gas shift

La sorption enhanced water gas shift (SEWGS, letteralmente "reazione di spostamento del gas d'acqua migliorata con un processo di adsorbimento") è una tecnologia che combina un processo di cattura dell'anidride carbonica in pre-combustione con la reazione di spostamento del gas d'acqua (water gas shift) con lo scopo di produrre un flusso ricco di idrogeno a partire dal gas di sintesi.
La reazione di water gas shift converte il monossido di carbonio in anidride carbonica:
    ${\ce {CO + H2O -> CO2 + H2}}$
mentre l'anidride carbonica è catturata e rimossa attraverso un processo di adsorbimento.
L'adsorbimento e la rimozione in situ della CO$_2$ spostano l'equilibrio della reazione di water gas shift, convertendo totalmente il monossido di carbonio e massimizzando la produzione di idrogeno ad alta pressione.
Questa tecnologia ha iniziato a guadagnare attenzione a partire dall'inizio del secondo decennio del XXI secolo, dal momento che presenta vantaggi rispetto alle convenzionali tecnologie per la cattura della CO$_2$ e perché l'idrogeno viene considerato il vettore energetico del futuro.

## Processo

La tecnologia SEWGS combina la reazione di water gas shift con l'adsorbimento dell'anidride carbonica su un materiale solido. I range tipici di temperatura e pressione sono 350-550 °C e 20-30 bar. Il gas in ingresso al reattore SEWGS è, solitamente, una miscela di idrogeno, CO e and CO$_2$ a cui viene aggiunto del vapore per la conversione di CO in CO$_2$.
La conversione del monossido di carbonio in anidride carbonica è incrementata spostando l'equilibrio della reazione attraverso l'adsorbimento e la rimozione della CO$_2$.
La tecnologia SEWGS si basa su unità di pressure swing adsorption (PSA) in cui i serbatoi sono riempiti dal catalizzatore della reazione di water gas shift e dal materiale adsorbente. Ogni serbatoio è soggetto a una serie di processi. Nella fase di adsorbimento/reazione viene prodotto un flusso di idrogeno ad alta pressione, mentre un flusso ricco di CO$_2$ viene generato durante la rigenerazione del sorbente.
Il processo inizia inviando il gas di sintesi al reattore SEWGS, dove l'anidride carbonica è adsorbita producendo un flusso ricco di idrogeno. La rigenerazione del primo serbatoio inizia quando il materiale adsorbente è saturato dalla CO$_2$ catturata, dirigendo il flusso di gas di sintesi ad un altro serbatoio. Dopo la fase di rigenerazione, il serbatoio viene ri-pressurizzato. Una configurazione a più serbatoi è necessaria per garantire la produzione continua di idrogeno e di anidride carbonica. Il numero ottimale di serbatoio, solitamente, varia tra 6 e 8.

### Reazione di water gas shift

La reazione di water gas shift è la reazione tra il monossido di carbonio e il vapore d'acqua per formare idrogeno e anidride carbonica:
    ${\ce {CO + H2O -> CO2 + H2}}$
Questa reazione fu scoperta da Felice Fontana e viene adottata in diversi processi industriali, come nella produzione dell'ammoniaca, degli idrocarburi, del metanolo, dell'idrogeno e di altri prodotti chimici. Nei processi industriali vengono utilizzate due sezioni di water gas shift, una ad alta temperatura e una a bassa temperatura, con uno stage di raffreddamento intermedio.

### Adsorbimento

Il fenomeno dell'adsorbimento su una superficie solida avviene quando una sostanza, solitamente un gas, entra in contatto con la superficie solida del materiale adsorbente, formando dei legami. I principali processi di adsorbimento sono due: quello fisico e quello chimico. Il primo è il risultato dell'interazione delle forze intermolecolari. Dal momento che i legami formati sono deboli la sostanza adsorbita può essere separata facilmente. Nell'adsorbimento chimico, invece, vengono formati dei legami chimici. Questo significa che l'assorbimento/rilascio del calore di adsorbimento e l'energia di attivazione sono più grandi rispetto al caso dell'adsorbimento fisico. Questi due fenomeni, molto spesso, avvengono simultaneamente. Il materiale adsorbente è poi rigenerato attraverso un processo di desorbimento, attraverso il quale la sostanza catturata viene rilasciata.
Nella tecnologia SEWGS la tecnologia pressure swing adsorption (PSA) è impiegata per rigenerare il materiale adsorbente e produrre un flusso ricco di anidride carbonica. Il processo è simile a quello utilizzato per la separazione dell'aria, per la purificazione dell'idrogeno o per la separazione di altri gas.

### Tecnologie convenzionali per la cattura dell'anidride carbonica

La tecnologia convenzionalmente utilizzata per la rimozione dell'anidride carbonica è quella dell'assorbimento con ammine. Nell'assorbimento chimico le interazioni tra la sostanza assorbita (CO$_2$) ed un solvente producono un liquido ricco, che viene poi inviato a una colonna di desorbimento dove l'anidride carbonica viene separata dal solvente, che viene riutilizzato. Le ammine normalmente utilizzate per la rimozione della CO$_2$ sono:
* etanolammina (C$_2$H$_7$NO),
* dietanolammina (C$_4$H$_{11}$NO$_2$),
* trietanolammina (C$_6$H$_{15}$NO$_3$),
* etanolammina (C$_2$H$_7$NO),
* metildietanolammina (C$_5$H$_{13}$NO$_2$).

### Vantaggi del processo SEWGS rispetto alle tecnologie convenzionali

La tecnologia SEWGS presenta alcuni vantaggi rispetto alle tecnologie tradizionalmente impiegate per la rimozione, in pre-combustione, dell'anidride carbonica. Le tecnologie convenzionali, infatti, per avere un'elevata conversione del monossido di carbonio in anidride carbonica, necessitano di due reattori di water gas shift (uno ad alta temperatura e uno a bassa temperatura) con uno stage intermedio di raffreddamento. Un ulteriore stadio di raffreddamento è necessario a valle del secondo reattore WGS per la cattura della CO$_2$ con un solvente. Inoltre, il flusso di idrogeno all'uscita della sezione SEWGS può essere direttamente utilizzato in una turbina a gas, mentre il flusso di idrogeno prodotto con un processo tradizionale necessita di uno stage di riscaldamento.

## Applicazioni

L'importanza di questa tecnologia è direttamente correlata al problema del riscaldamento globale ed alla riduzione delle emissioni di anidride carbonica. Nell'economia dell'idrogeno, l'idrogeno, considerato un vettore energetico pulito, sostituirà i combustibili fossili, dal momento che non produce inquinanti e possiede un elevato contenuto energetico. L'interesse per l'idrogeno come alternativa ai combustibili fossili ha iniziato ad aumentare dall'inizio del secondo decennio del XXI secolo.
La tecnologia SEWGS, attraverso cui è possibile produrre un flusso di idrogeno ad elevata purezza, trova una possibile applicazione in diversi processi industriali, come, ad esempio, negli impianti per la generazione di potenza a partire dai combustibili fossili o nell'industria dell'acciaio.
L'integrazione del processo SEWGS nei cicli combinati a gas (NGCC) o negli impianti di gassificazione a ciclo combinato (IGCC) è stata studiata in quanto permetterebbe di produrre energia elettrica a partire dal gas naturale o dal carbone, con limitate emissioni di anidride carbonica. Negli impianti NGCC la cattura della CO$_2$ è pari al 95%, con una purezza del 99% del flusso di CO$_2$, mentre, negli impianti IGCC, la cattura della CO$_2$ è pari al 90%, con una purezza del 99%.
Lo studio per l'integrazione della tecnologia SEWGS nelle acciaierie è iniziata durante il secondo decennio del XXI secolo. L'obiettivo è quello di ridurre l'impronta ecologica di questo processo industriale, responsabile del 6% delle emissioni totali di anidride carbonica e del 16% delle emissioni generate dai processi industriali.
La CO$_2$ catturata e rimossa può essere sequestrata o utilizzata per la produzione di prodotti chimici.

## Sorbenti per il processo SEWGS

I sorbenti utilizzati per il processo SEWGS devono avere le seguenti caratteristiche:
* alta capacità di adsorbimento della CO$_2$ e selettività rispetto all'idrogeno
* basso adsorbimento per H$_2$O
* basso costo
* stabilità meccanica a fronte di variazioni di pressione e temperatura
* stabilità chimica in presenza di impurità
* facilità di rigenerazione attraverso l'uso del vapore
Diversi materiali sono stati studiati per essere utilizzati nel processo SEWGS. Alcuni di questi sono:
* idrotalcite promossa con carbonato di potassio (K$_2$CO$_3$)
* ossido di alluminio promosso con potassio
* Na–Mg
* CaO
L'idrotalcite promossa con carbonato di potassio è il sorbente maggiormente studiato per il processo SEWGS.
Le sue principali caratteristiche sono:
* basso costo
* sufficientemente alta capacità di adsorbimento della CO$_2$
* rapida cinetica di adsorbimento
* buona stabilità meccanica