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Membrane per la produzione efficiente di gas tecnici in processi industriali: materiali alternativi e studio di giunzioni metallo ceramiche

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Membrane per la produzione efficiente di gas tecnici in processi industriali: materiali alternativi e studio di giunzioni metallo ceramiche

Questo rapporto descrive i risultati relativi all’attività sperimentale di sviluppo di un modulo a membrana planare per separazione di ossigeno ad alta temperatura, per la produzione efficiente di gas in processi industriali. In particolare, sono riportati gli esiti di uno studio su materiali innovativi per lo sviluppo di membrane ceramiche per separazione di ossigeno, con l’obiettivo di migliorarne il comportamento termomeccanico, e i risultati sperimentali relativi alle attività di sviluppo e caratterizzazione di giunzioni metallo–ceramiche.

Il documento descrive i risultati delle attività incrementali svolte per la realizzazione di un modulo a membrana planare per la separazione efficiente ad alta temperatura di ossigeno da impiegare per la sua produzione in ambiti industriali. Precedenti attività hanno evidenziato la rilevanza dell’opportunità di disporre di moduli a membrana per la produzione di ossigeno puro in diversi processi del settore industriale, con potenziali, importanti benefici di efficienza energetica dei processi e la loro decarbonizzazione.

Gli sforzi delle ricerche sono stati principalmente concertanti sul sistema di giunzione fra la membrana ceramica e il materiale metallico del modulo, che garantisca un’adeguata tenuta gas. Sono pertanto proseguiti i test di giunzione iniziati in periodo precedente, utilizzando un materiale vetroceramico sviluppato in laboratorio, potenzialmente adatto ad accoppiare il materiale metallico (Inconel 625) con la membrana LSCF e, in parallelo, utilizzando un materiale vetroceramico commerciale.

 

In particolare, nel primo caso, si è proceduto ad automatizzare il processo di deposizione dello slurry vetroso, avviando lo sviluppo di un processo di stampa 3d tramite la tecnica del robocasting. È stata individuata una pasta vetrosa con caratteristiche reologiche adatte e sono stati avviati i primi test per definire i parametri ottimali, così da cercare di ottenere una giunzione con spessore e morfologia ben controllati.

 

Nel secondo caso, sono state realizzate giunzioni omogenee accoppiando campioni dello stesso materiale (membrana-membrana, metallo-metallo) utilizzando il foglio di vetroceramico commerciale. In tutte le prove effettuate è stata osservata la rottura della giunzione causata da una cricca nel sigillante, parallela alle interfacce. La rottura risulta meno evidente giuntando materiali con minore espansione termica, suggerendo quindi che la cricca si formi a causa della differente dilatazione tra gli strati. È stato sviluppato un modello termomeccanico che suffraga questa ipotesi. Il metallo e il ceramico con l’espansione più contenuta (rispettivamente acciaio ODS e composito 70CGO-30LSCF) sono stati giuntati, ottenendo una morfologia del vetroceramico promettente.

 

In parallelo è stato avviato uno studio di letteratura su materiali innovativi per lo sviluppo di membrane ceramiche per separazione di ossigeno, con l’obiettivo di migliorarne il comportamento termomeccanico. Tale studio ha messo in luce che i compositi a fase doppia consentono di combinare un sufficiente flusso di permeazione di ossigeno e un comportamento dilatometrico compatibile con metalli e sigillanti vetroceramici. Con alcune polveri ceramiche di varia morfologia sono state anche eseguite alcune prove di manufacturing di membrane asimmetriche tramite tape casting sequenziale, dimostrando che il processo può essere applicato per polveri con area superficiale specifica fino a 10 m2/g e quindi si presta ad essere esteso anche a materiali innovativi per i quali non siano disponibili polveri con bassa area superficiale specifica.

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