Nel presente rapporto sono descritte le attività di ricerca riguardanti lo sviluppo di membrane per la separazione dell’ossigeno e la loro caratterizzazione in termini di prestazioni e stabilità. Sono inoltre discussi gli studi relativi alla possibilità di integrazione di questi materiali in processi industriali, con particolare attenzione ai vantaggi energetici ed economici raggiungibili.

Numerosi studi dimostrano, infatti, che le membrane per separazione di ossigeno possono essere efficientemente impiegate, per produrre ossigeno puro in sostituzione di tecniche tradizionali, in processi industriali particolarmente energivori, in cui si lavora ad elevata temperatura e in cui si ha necessità di ossigeno con elevata purezza, comportando un efficientamento energetico.

Nella presente annualità è proseguita la valutazione delle potenzialità di integrazione dei sistemi di separazione a membrana per la produzione di O2 in diversi processi industriali, approfondendone le specificità ed i vantaggi energetici; in particolare nel PAR 2017 si è svolto uno studio sul settore ceramico, con focus sull’alimentazione di forni di produzione di fritte ceramiche. Le stime condotte, realizzate coi parametri prestazionali dei prototipi in studio in laboratorio, hanno messo in luce una lieve diminuzione dei costi dei processi industriali che utilizzano sistemi a membrana, margine che può essere migliorato ottimizzando la permeazione delle membrane medesime.

L’attività sperimentale condotta da RSE nel PAR 2017 è stata invece focalizzata sulla preparazione di membrane per separazione di ossigeno, a partire dalla caratterizzazione delle polveri ceramiche fino allo sviluppo di membrane planari idonee per l’utilizzo in un modulo a membrana.

In particolare, diverse polveri commerciali di tipo LSCF sono state caratterizzate sia in termini di morfologia (SEM, BET) che di fasi cristalline (XRD), composizione chimica (ICP-OES) e permeazione.

Tali polveri sono state poi utilizzate per preparare, in collaborazione con il Forschungszentrum Jülich (D), slurry con diverse ricette al fine identificare la composizione adatta per realizzare membrane con tecnica tape casting. I campioni preparati sono stati sinterizzati con un opportuno trattamento termico, ottenendo così membrane asimmetriche planari, prive di difetti.

In vista dello sviluppo di un prototipo di modulo a membrana è stato avviato uno studio per lo scale up di membrane asimmetriche mediante tape casting e laminazione, fino alla realizzazione di elementi di dimensione 5 cm x 3.7 cm, aventi un’area di membrana pari a 37 cm2, e di dimensione 10 cm x 7 cm, aventi un’area di membrana di 140 cm2.

Parallelamente all’attività sperimentale, è stato avviato uno studio preliminare per la valutazione della distribuzione degli sforzi meccanici all’interno di un modulo per produzione di ossigeno e per ridurre la probabilità di frattura delle membrane.

Infine è stata completata l’attività sperimentale nell’ambito del progetto europeo GREEN-CC, volta alla valutazione delle prestazioni di membrane LSCF asimmetriche in termini di prestazioni e stabilità in atmosfere ricche in CO2.