Nel presente documento sono presentate le attività di ricerca relative allo sviluppo di tecnologie a membrana per la separazione dell’ossigeno ad alta temperatura da integrare in processi industriali, con l’obiettivo di ridurre il fabbisogno energetico e i costi di produzione di questo gas nei processi industriali ad alta temperatura. In particolare, sono riportati i risultati relativi alle attività sperimentali svolte per la realizzazione, ottimizzazione e caratterizzazione delle membrane ceramiche per separazione di ossigeno.  Membrane planari asimmetriche (diametro ~ 15 mm), realizzate mediante tecnica di tape casting sequenziale, sono state testate ad elevata temperatura (700 – 1020°C) in aria e in ossigeno puro. I risultati dei test hanno messo in luce ottime prestazioni in termini di permeazione, densità dello strato e stabilità nel corso dei cicli termici. Tali risultati sono stati confermati anche dalla caratterizzazione microstrutturale condotta sui campioni eserciti.

L’attività di manufacturing è stata concentrata sullo scale-up dei campioni di membrana, partendo dall’ottimizzazione del processo di deposizione mediante tape casting di campioni con larga area e spessore uniforme. Successivamente sono state eseguite prove di taglio di strati porosi, così da realizzare gli interlayer necessari per conferire al campione di membrana una struttura a canali e alimentare il gas di sweep, e successive prove di laminazione di questi con le membrane asimmetriche. I campioni laminati sono stati successivamente sinterizzati ad alta temperatura, ottenendo delle strutture con membrane multistrato planari (semi celle) prive di difetti.

Per l’assemblaggio del modulo a membrana è necessario prevedere un sistema di sigillatura dei campioni ceramici che garantisca la chiusura di tutte le porosità laterali del supporto. A tal fine sono state sviluppate delle paste ceramiche, che sono state applicate sulla superficie laterale dei campioni e successivamente trattate termicamente. La caratterizzazione successiva ha evidenziato l’ottenimento di una sufficiente densità per operare sia come sigillante che come pasta di assemblaggio. Inoltre, sono stati condotti i primi test di giunzione di membrane ceramiche con campioni di materiale metallico del modulo, utilizzando un sigillante vetroceramico.

Infine, a partire dai risultati delle prove di permeazione condotte in laboratorio su campioni di membrana ceramica asimmetrica, è stato realizzato un modello numerico descrittivo del comportamento fluidodinamico del modulo a membrana, che sarà utilizzato per ottimizzarne il funzionamento e l’efficienza, in vista della successiva fase di progettazione di dettaglio.