L'aumento della domanda energetica per far fronte alle esigenze dello sviluppo economico mondiale, la necessità dell'utilizzo di energia meno inquinante e l'esaurimento delle risorse energetiche non rinnovabili hanno portato alla formulazione di una "hydrogen economy" come possibile risposta per uno sviluppo sostenibile. L'ottenimento di idrogeno puro a costi contenuti rappresenta uno dei principali ostacoli all'attualizzazione della "hydrogen economy" in quanto, nel bilancio economico dei processi industriali per la produzione di idrogeno, le operazioni di purificazione necessarie per garantire l'ottenimento di idrogeno ad elevata purezza rappresentano un costo considerevole. Una delle proposte più promettenti in termini di costi ed efficienza di purificazione consiste nell'impiego di membrane per la separazione di H2 dalle miscele gassose ottenute negli impianti industriali (principalmente impianti di steam reforming). Le membrane che garantiscono una selettività del 100% all'idrogeno sono membrane dense sulle quali la molecola di H2 si adsorbe, si dissocia e ionizza. I protoni e gli elettroni migrano per diffusione attraverso la membrana e la molecola viene riformata dalla parte del permeato. Questo meccanismo è utilizzato dalle membrane dense metalliche che tuttavia subiscono processi degradativi a causa delle condizioni operative degli impianti, in particolare a causa delle elevate temperature di esercizio richieste (800ºC ca.) e alla presenza di impurezze quali H2S, CO e CO2. Lo scopo di questa tesi è la realizzazione una membrana ceramica costituita da un supporto poroso e da un film sottile e denso, entrambi realizzati tramite colaggio su nastro. Il supporto deve conferire resistenza meccanica e favorire la cinetica di scambio all'interfaccia gas-solido aumentando la superficie di contatto, mentre il film sottile e denso è quello responsabile della separazione vera e propria. Lo strato sottile e denso che si vuole realizzare deve essere formato da un materiale composito ceramico-ceramico (cer-cer), ovvero un sistema in cui sono presenti due fasi ceramiche, una conduttrice protonica ed una conduttrice elettronica, in modo tale da garantire una permeazione dell'idrogeno in maniera non galvanica (cioè senza campo elettrico applicato), aspetto molto importante nel bilancio energetico del processo. La membrana realizzata interamente con materiali ceramici offre vantaggi significativi in termini di stabilità termomeccanica e termochimica rispetto alle più comuni membrane metalliche. In dettaglio il lavoro svolto può essere riassunto: oIndividuazione delle due fasi ceramiche con compatibilità chimica e termomeccanica per la realizzazione del composito cer-cer; oStudio sull'additivazione di un promotore di sinterizzazione per il sistema individuato; oOttimizzazione della sospensione utilizzata per il processo del colaggio su nastro per l'ottenimento dei due strati che costituiscono la membrana; oOttimizzazione delle condizioni per la sinterizzazione della membrana realizzata.
Studio ed ottimizzazione di processi per la produzione di membrane ceramiche per la separazione di idrogeno
E Mercadelli;A Sanson
2014
Abstract
L'aumento della domanda energetica per far fronte alle esigenze dello sviluppo economico mondiale, la necessità dell'utilizzo di energia meno inquinante e l'esaurimento delle risorse energetiche non rinnovabili hanno portato alla formulazione di una "hydrogen economy" come possibile risposta per uno sviluppo sostenibile. L'ottenimento di idrogeno puro a costi contenuti rappresenta uno dei principali ostacoli all'attualizzazione della "hydrogen economy" in quanto, nel bilancio economico dei processi industriali per la produzione di idrogeno, le operazioni di purificazione necessarie per garantire l'ottenimento di idrogeno ad elevata purezza rappresentano un costo considerevole. Una delle proposte più promettenti in termini di costi ed efficienza di purificazione consiste nell'impiego di membrane per la separazione di H2 dalle miscele gassose ottenute negli impianti industriali (principalmente impianti di steam reforming). Le membrane che garantiscono una selettività del 100% all'idrogeno sono membrane dense sulle quali la molecola di H2 si adsorbe, si dissocia e ionizza. I protoni e gli elettroni migrano per diffusione attraverso la membrana e la molecola viene riformata dalla parte del permeato. Questo meccanismo è utilizzato dalle membrane dense metalliche che tuttavia subiscono processi degradativi a causa delle condizioni operative degli impianti, in particolare a causa delle elevate temperature di esercizio richieste (800ºC ca.) e alla presenza di impurezze quali H2S, CO e CO2. Lo scopo di questa tesi è la realizzazione una membrana ceramica costituita da un supporto poroso e da un film sottile e denso, entrambi realizzati tramite colaggio su nastro. Il supporto deve conferire resistenza meccanica e favorire la cinetica di scambio all'interfaccia gas-solido aumentando la superficie di contatto, mentre il film sottile e denso è quello responsabile della separazione vera e propria. Lo strato sottile e denso che si vuole realizzare deve essere formato da un materiale composito ceramico-ceramico (cer-cer), ovvero un sistema in cui sono presenti due fasi ceramiche, una conduttrice protonica ed una conduttrice elettronica, in modo tale da garantire una permeazione dell'idrogeno in maniera non galvanica (cioè senza campo elettrico applicato), aspetto molto importante nel bilancio energetico del processo. La membrana realizzata interamente con materiali ceramici offre vantaggi significativi in termini di stabilità termomeccanica e termochimica rispetto alle più comuni membrane metalliche. In dettaglio il lavoro svolto può essere riassunto: oIndividuazione delle due fasi ceramiche con compatibilità chimica e termomeccanica per la realizzazione del composito cer-cer; oStudio sull'additivazione di un promotore di sinterizzazione per il sistema individuato; oOttimizzazione della sospensione utilizzata per il processo del colaggio su nastro per l'ottenimento dei due strati che costituiscono la membrana; oOttimizzazione delle condizioni per la sinterizzazione della membrana realizzata.I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
