Le membrane per separazione di ossigeno (Oxygen transport membranes – OTMs) sono largamente studiate come tecnologia alternativa per la separazione di ossigeno puro. Molti studi hanno dimostrato la possibilità di produrre ossigeno ad alta temperatura con alta efficienza e ridotti consumi di energia, rispetto alle tecniche di produzione standard. Le principali applicazioni delle OTMs riguardano l’integrazione di un modulo a membrana in processi altamente energivori (come ad esempio la produzione del vetro o dell’acciaio) o la produzione di o la produzione di prodotti chimici e vettori energetici attraverso reattori a membrana.
Un modulo a membrana è costituito da un contenitore metallico in cui una o più membrane vengono posizionate e giuntate mediante un’adeguata tecnica di sigillatura. Un modulo OTM può essere basato su diverse geometrie di membrana (planare, tubolare, fibra cava, ecc.).
L’obiettivo di questo lavoro è la progettazione e lo sviluppo di un modulo a membrana LSCF planare. La configurazione planare è stata scelta perché può essere facilmente scalata e la presenza di canali nella struttura della membrana consente l’alimentazione di un gas di sweep, rendendo la tecnologia più flessibile. Un altro vantaggio di questa configurazione è l’elevata resistenza meccanica dell’elemento ceramico, grazie alla presenza di una struttura porosa intermedia.
L’elemento a membrana LSCF è stato progettato sulla base della caratterizzazione meccanica del materiale ceramico associata a uno studio di analisi delle sollecitazioni. I componenti multistrato sono stati fabbricati da polveri seguendo un approccio scalabile che prevede diverse fasi: colata su nastro di sospensioni ceramiche, fustellatura dei canali di flusso, laminazione e sinterizzazione. La dimensione dell’elemento a membrana finale è di circa 60 x 60 mm. Il contenitore metallico è invece costituito da due gusci che formano una zona per il posizionamento della membrana e il materiale di tenuta, mentre i canali laterali consentono l’alimentazione dell’aria e del gas di spazzamento in modalità a flusso incrociato. Inoltre, partendo dai risultati sperimentali di permeazione, è stato sviluppato un modello per studiare il regime fluidodinamico all’interno del modulo e ottimizzare la velocità di permeazione della membrana in base alle condizioni operative di processo individuate.