Il documento descrive i risultati delle attività svolte per la realizzazione di un modulo a membrana planare per la separazione di ossigeno ad alta temperatura, per la sua produzione efficiente in ambiti industriali.
In particolare, sono riportati i risultati relativi alle attività sperimentali svolte per la realizzazione di elementi di membrana con dimensioni di 60 x 60 mm con struttura a canali, necessari per l’alimentazione del gas di sweep. Innanzitutto, sono stati condotti test di permeazione in elio a temperatura ambiente sulle semicelle che hanno messo in luce valori di densità adeguati ed in linea con quelli ottenuti in precedenza su campioni di più piccole dimensioni. Le semicelle sono state giuntate utilizzando una pasta ceramica a base di polveri LSCF e sottoponendole a successivo trattamento termico a 1200 °C con applicazione di un carico di ~ 400 g per migliorare la planarità e la robustezza del componente finale. I campioni sono stati rilavorati per aprire i canali e le superfici laterali porose sono state sigillate utilizzando una pasta ceramica messa a punto appositamente così da assicurare la tenuta ai gas dell’elemento di membrana. Osservazioni SEM hanno confermato il successo del processo messo a punto per la realizzazione dei componenti ceramici.
In parallelo sono state condotte prove di permeazione a lungo termine su campioni di piccola scala per verificare la stabilità, durante l’esercizio in temperatura, dei materiali prodotti. Dopo circa 700 h di esposizione a 950 °C in aria, la membrana testata non ha mostrato variazioni significative né in termini di flusso di ossigeno permeato, né di difettosità dello strato denso, e la caratterizzazione microstrutturale post esercizio non ha evidenziato alcun degrado del materiale.
A partire dai risultati sperimentali è stato sviluppato un modello CFD in grado di descrivere l’influenza delle condizioni operative sulle prestazioni dell’elemento di membrana, che è stato anche utilizzato per condurre un’analisi di sensitività per condizioni differenti di temperatura.
Tenendo conto della geometria dell’elemento di membrana e dei vincoli dovuti alla necessità di separare il gas di processo (aria) dall’ossigeno permeato, è stata progettata la custodia di contenimento del componente ceramico. L’assemblaggio dell’elemento di membrana all’interno della custodia di Inconel 625 deve essere ottenuto mediante un opportuno sistema di giunzione che garantisca un’adeguata tenuta gas. È stato sviluppato e testato un materiale vetroceramico potenzialmente adatto ad accoppiare il materiale metallico con la membrana LSCF, mentre test aggiuntivi sono stati condotti con un vetroceramico commerciale. Nel primo caso sono state riscontrate problematiche relative all’evoluzione dell’Inconel ad elevata temperatura, mentre nel secondo caso difficoltà di giunzione dell’LSCF a causa di un diverso comportamento termomeccanico rispetto al materiale di giunzione. Tali criticità potrebbero essere risolte sostituendo il materiale metallico o individuando un materiale ceramico alternativo.