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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 e sequestro del carbonio|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]].<ref name=":1">{{Cita pubblicazione|cognome1=Jansen |nome1=Daniel |cognome2=van Selow |nome2=Edward |cognome3=Cobden |nome3=Paul |cognome4=Manzolini |nome4=Giampaolo |cognome5=Macchi |nome5=Ennio |cognome6=Gazzani |nome6=Matteo |cognome7=Blom |nome7=Richard |cognome8=Heriksen |nome8=Partow Pakdel |cognome9=Beavis |nome9=Rich |cognome10=Wright |nome10=Andrew |titolo=SEWGS Technology is Now Ready for Scale-up! |rivista=Energy Procedia |data=1º gennaio 2013 |volume=37 |pp=2265-2273 |doi=10.1016/j.egypro.2013.06.107 |url=https://doi.org/10.1016/j.egypro.2013.06.107 |lingua=en |issn=1876-6102}}</ref>

La reazione di water gas shift converte il [[monossido di carbonio]] in [[anidride carbonica]]:
:<chem>CO + H2O  -> CO2 + H2</chem>
mentre l'anidride carbonica è catturata e rimossa attraverso un processo di [[adsorbimento]].<ref name=":1" />

L'adsorbimento e la rimozione ''in situ'' della CO<sub>2</sub> spostano l'equilibrio della reazione di water gas shift, convertendo totalmente il monossido di carbonio e massimizzando la [[produzione di idrogeno]] ad alta pressione.<ref name=":1" />

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<sub>2</sub> e perché l'idrogeno viene considerato il vettore energetico del futuro.<ref name=":4" /><ref name=":5" />

== Processo ==
[[File:SEWGS vs WGS.png|thumb|In alto: reazione di water gas shift. In basso: concetto del processo SEWGS.|429x429px]]

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<sub>2</sub> a cui viene aggiunto del [[vapore]] per la conversione di CO in CO<sub>2</sub>.<ref name=":3">{{Cita pubblicazione|cognome1=Bakken |nome1=Egil |cognome2=Cobden |nome2=Paul D. |cognome3=Henriksen |nome3=Partow Pakdel |cognome4=Håkonsen |nome4=Silje Fosse |cognome5=Spjelkavik |nome5=Aud I. |cognome6=Stange |nome6=Marit |cognome7=Stensrød |nome7=Ruth Elisabeth |cognome8=Vistad |nome8=Ørnulv |cognome9=Blom |nome9=Richard |titolo=Development of CO2 sorbents for the SEWGS process using high throughput techniques |rivista=Energy Procedia |data=2011 |volume=4 |pp=1104-1109 |doi=10.1016/j.egypro.2011.01.161}}</ref>

La conversione del monossido di carbonio in anidride carbonica è incrementata spostando l'equilibrio della reazione attraverso l'adsorbimento e la rimozione della CO<sub>2</sub>.<ref name=":1" />

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<sub>2</sub> viene generato durante la rigenerazione del sorbente.<ref name=":2" />

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<sub>2</sub> 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.<ref name=":2" />

=== 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:
: <chem>CO + H2O  -> CO2 + H2</chem>

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.<ref>{{Cita pubblicazione|cognome1=Baraj |nome1=Erlisa |cognome2=Ciahotný |nome2=Karel |cognome3=Hlincík |nome3=Tomas |titolo=The water gas shift reaction: Catalysts and reaction mechanism |rivista=Fuel |data=15 marzo 2021 |volume=288 |p=119817 |doi=10.1016/j.fuel.2020.119817 |url=https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.119817 |lingua=en |issn=0016-2361}}</ref>

=== Adsorbimento ===
[[File:Adsorbimento - layout rigenerazione.svg|thumb|upright=1.8|Esempio di schema di funzionamento di un impianto di rigenerazione del tipo ''pressure swing''.]]
{{vedi anche|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.<ref>{{Cita pubblicazione|cognome1=HaidongHu |cognome2=KeXu |titolo=Physicochemical technologies for HRPs and risk control |rivista=High-Risk Pollutants in Wastewater |data=1º gennaio 2020 |pp=169-207 |doi=10.1016/B978-0-12-816448-8.00008-3 |url=https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816448-8.00008-3 |lingua=en}}</ref>

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.<ref name=":2"/>

=== Tecnologie convenzionali per la cattura dell'anidride carbonica ===
[[File:SEWGS concept.png|thumb|Schema di processo per la cattura della CO<sub>2</sub>. In alto: schema per tecnologie convenzionali. In basso: schema per il processo SEWGS.|489x489px]]
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<sub>2</sub>) 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<sub>2</sub> sono:

* [[etanolammina]] (C<sub>2</sub>H<sub>7</sub>NO), 
* [[dietanolammina]] (C<sub>4</sub>H<sub>11</sub>NO<sub>2</sub>), 
* [[trietanolammina]] (C<sub>6</sub>H<sub>15</sub>NO<sub>3</sub>), 
* [[etanolammina]] (C<sub>2</sub>H<sub>7</sub>NO), 
* metildietanolammina (C<sub>5</sub>H<sub>13</sub>NO<sub>2</sub>).<ref>{{Cita pubblicazione|cognome1=Li Xie|cognome2=Jun Xu|cognome3=Yidie Zhang|cognome4=YingyingHe|titolo=Biogas upgrading|rivista=Advances in Bioenergy|data=1º gennaio 2020|volume=5|pp=309-344|doi=10.1016/bs.aibe.2020.04.006|url=https://doi.org/10.1016/bs.aibe.2020.04.006|lingua=en|issn=2468-0125}}</ref>

=== 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<sub>2</sub> 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.<ref name=":4">{{Cita pubblicazione|cognome1=Manzolini |nome1=G. |cognome2=Giuffrida |nome2=A. |cognome3=Cobden |nome3=P.D. |cognome4=van Dijk |nome4=H.A.J. |cognome5=Ruggeri |nome5=F. |cognome6=Consonni |nome6=F. |titolo=Techno-economic assessment of SEWGS technology when applied to integrated steel-plant for CO2 emission mitigation |rivista=International Journal of Greenhouse Gas Control |data=1º marzo 2020 |volume=94 |p=102935 |doi=10.1016/j.ijggc.2019.102935 |url=https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2019.102935 |lingua=en |issn=1750-5836}}</ref>

== 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.<ref name=":5">{{Cita pubblicazione|cognome1=Chan Hyun Lee |nome1=|cognome2=Ki Bong Lee |nome2=|titolo=Application of one-body hybrid solid pellets to sorption-enhanced water gas shift reaction for high-purity hydrogen production |rivista=International Journal of Hydrogen Energy |data=22 ottobre 2014 |volume=39 |numero=31 |pp=18128-18134 |doi=10.1016/j.ijhydene.2014.04.160 |url=http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.04.160 |lingua=en |issn=0360-3199}}</ref>

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.<ref name=":4" /><ref name=":2" /><ref name=":6" />

L'integrazione del processo SEWGS nei [[Centrale termoelettrica a ciclo combinato|cicli combinati a gas]] (NGCC) o negli [[Impianto di gassificazione a ciclo combinato|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<sub>2</sub> è pari al 95%, con una purezza del 99% del flusso di CO<sub>2</sub>, mentre, negli impianti IGCC, la cattura della CO<sub>2</sub> è pari al 90%, con una purezza del 99%.<ref name=":2">{{Cita pubblicazione|cognome1=Manzolini |nome1=Giampaolo |cognome2=Macchi |nome2=Ennio |cognome3=Binotti |nome3=Marco |cognome4=Gazzani |nome4=Matteo |titolo=Integration of SEWGS for carbon capture in natural gas combined cycle. Part A: Thermodynamic performances |rivista=International Journal of Greenhouse Gas Control |data=marzo 2011 |volume=5 |numero=2 |pp=200-213 |doi=10.1016/j.ijggc.2010.08.006}}</ref><ref name=":6">{{Cita pubblicazione|cognome1=Gazzani |nome1=Matteo |cognome2=Macchi |nome2=Ennio |cognome3=Manzolini |nome3=Giampaolo |titolo=CO2 capture in integrated gasification combined cycle with SEWGS – Part A: Thermodynamic performances |rivista=Fuel |data=1º marzo 2013 |volume=105 |pp=206-219 |doi=10.1016/j.fuel.2012.07.048 |url=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016236112006084?via%3Dihub |lingua=en |issn=0016-2361}}</ref>

Lo studio per l'integrazione della tecnologia SEWGS nelle [[Centro siderurgico|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.<ref name=":0" />

La CO<sub>2</sub> catturata e rimossa può essere sequestrata o utilizzata per la produzione di prodotti chimici.<ref name=":0">{{Cita pubblicazione|cognome1=(Eric) van Dijk |nome1=H. A. J. |cognome2=Cobden |nome2=Paul D. |cognome3=Lukashuk |nome3=Liliana |cognome4=de Water |nome4=Leon van |cognome5=Lundqvist |nome5=Magnus |cognome6=Manzolini |nome6=Giampaolo |cognome7=Cormos |nome7=Calin-Cristian |cognome8=van Dijk |nome8=Camiel |cognome9=Mancuso |nome9=Luca |cognome10=Johns |nome10=Jeremy |cognome11=Bellqvist |nome11=David |titolo=STEPWISE Project: Sorption-Enhanced Water-Gas Shift Technology to Reduce Carbon Footprint in the Iron and Steel Industry |rivista=Johnson Matthey Technology Review |data=1º ottobre 2018 |volume=62 |numero=4 |pp=395-402 |doi=10.1595/205651318X15268923666410 |url= https://doi.org/10.1595/205651318X15268923666410 |lingua=en |issn=2056-5135}}</ref>

== Sorbenti per il processo SEWGS ==
I sorbenti utilizzati per il processo SEWGS devono avere le seguenti caratteristiche:<ref name=":2" />
* alta capacità di adsorbimento della CO<sub>2</sub> e selettività rispetto all'idrogeno
* basso adsorbimento per H<sub>2</sub>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<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>)<ref name=":3" /><ref name=":7" />
* [[ossido di alluminio]] promosso con potassio<ref name=":7">{{Cita pubblicazione|cognome1=Coenen |nome1=Kai |cognome2=Gallucci |nome2=Fausto |cognome3=Hensen |nome3=Emiel |cognome4=van Sint Annaland |nome4=Martin |titolo=CO2 and H2O chemisorption mechanism on different potassium-promoted sorbents for SEWGS processes |rivista=Journal of CO2 Utilization |data=1º maggio 2018 |volume=25 |pp=180-193 |doi=10.1016/j.jcou.2018.04.002 |url=https://doi.org/10.1016/j.jcou.2018.04.002 |lingua=en |issn=2212-9820}}</ref>
* Na–Mg<ref>{{Cita pubblicazione|cognome1=Chan Hyun Lee |cognome2=Ki Bong Lee |titolo=Sorption-enhanced water gas shift reaction for high-purity hydrogen production: Application of a Na-Mg double salt-based sorbent and the divided section packing concept |rivista=Applied Energy |data=1º novembre 2017 |volume=205 |pp=316-322 |doi=10.1016/j.apenergy.2017.07.119 |url=http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.07.119 |lingua=en |issn=0306-2619}}</ref>
*CaO<ref>{{Cita pubblicazione|cognome1=Zivkovic |nome1=Luka A. |cognome2=Pohar |nome2=Andrej |cognome3=Likozar |nome3=Blaz |cognome4=Nikacevic |nome4=Nikola M. |titolo=Kinetics and reactor modeling for CaO sorption-enhanced high-temperature water–gas shift (SE–WGS) reaction for hydrogen production |rivista=Applied Energy |data=15 settembre 2016 |volume=178 |pp=844-855 |doi=10.1016/j.apenergy.2016.06.071 |url=http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.06.071 |lingua=en |issn=0306-2619}}</ref>
L'idrotalcite promossa con carbonato di potassio è il sorbente maggiormente studiato per il processo SEWGS.<ref name=":3" />

Le sue principali caratteristiche sono:<ref name=":6" />
* basso costo
* sufficientemente alta capacità di adsorbimento della CO<sub>2</sub>
* rapida cinetica di adsorbimento
* buona stabilità meccanica

== Note ==
<references/>

== Voci correlate ==
*[[Reazione di spostamento del gas d'acqua]]
*[[Adsorbimento]]
*[[Cattura e sequestro del carbonio]]

== Collegamenti esterni ==
;Progetti in cui viene studiata la tecnologia SEWGS:
*[https://www.stepwise.eu/ Pagina web del progetto STEPWISE]
*[https://c4u-project.eu/deliverables-2/publications/ Pagina web del progetto C4U]

{{portale|chimica|ingegneria}}

[[Categoria:Processi chimici]]
[[Categoria:Produzione di idrogeno]]