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Nuova tecnologia a membrana per un’efficiente cattura del carbonio

La separazione del gas basata sulla tecnologia a membrana piuttosto che sulle tecniche di separazione convenzionali può fornire risultati migliori in termini di riduzione delle emissioni di anidride carbonica (CO2) dalle centrali elettriche e dalla produzione di cemento, oltre che di riduzione delle perdite di efficienza produttiva.
Nuova tecnologia a membrana per un’efficiente cattura del carbonio
Uno dei metodi più efficaci per catturare CO2 da fonti industriali è l’ossicombustione, in cui l’ossigeno (O2) richiesto viene separato dall’aria prima della combustione. Quest’atmosfera ricca di O2 e priva di azoto si traduce in gas effluenti finali costituiti per lo più da CO2 e acqua, fornendo un flusso di CO2 più concentrato per una più facile purificazione.

La principale domanda di energia per questo metodo proviene dalla generazione di O2, che di solito si ottiene attraverso la liquefazione dell’aria. Questo fabbisogno di energia è notevolmente ridotto grazie all’impiego di moduli di separazione integrati termicamente e basati su membrane per il trasporto di O2 in ceramica. Ciò potrebbe significare una riduzione fino al 60 % nella domanda di energia di cattura rispetto alla separazione criogenica dell’aria e una riduzione fino al 40 % rispetto agli approcci di cattura post-combustione.

I materiali a membrana altamente permeabili mostrano instabilità chimica nei confronti della CO2 e di altri componenti dei gas effluenti. Il progetto GREEN-CC, finanziato dall’UE, ha affrontato questa sfida sviluppando membrane altamente stabili e un modulo dimostrativo (PoC) per la generazione integrata di O2 nella produzione di cemento e per le centrali a ciclo combinato di ossicombustione e gassificazione integrata.

Aumento delle prestazioni

I ricercatori hanno studiato quattro possibili modelli di PoC utilizzando la fluidodinamica computazionale e l’analisi strutturale del metodo degli elementi finiti. Dopo aver valutato i vantaggi e gli svantaggi di ciascun concetto, hanno scelto quello più promettente. «Ciò comprendeva due membrane asimmetriche sui lati opposti di un intercalare, fornendo sia stabilità meccanica che canali di flusso per il gas di ventilazione. I componenti sono impilati in un alloggiamento di metallo che forma il modulo», spiega il coordinatore del progetto, il dott. Wilhelm Meulenberg.

I partner del progetto hanno altresì identificato e sintetizzato un’ampia gamma di materiali in laboratorio per prestazioni elevate e stabilità, conducendo inoltre esperimenti di permeazione e prove di stabilità per atmosfere contenenti CO2 e ossido di zolfo (SOx). La lantanio stronzio cobalto ferrite (LSCF), che è stabile in condizioni di gas effluenti di CO2, è stata ridimensionata per il modulo PoC da utilizzare come materiale di riferimento. I componenti a membrana sottile di LSCF di dimensioni standard (7 cm x 10 cm) sono stati sviluppati e sigillati nel modulo PoC e testati in condizioni operative realistiche per 650 ore.

Gli scienziati hanno studiato la capacità dei materiali compositi bifase di rimanere altamente stabili negli ambienti CO2 e SOx. «Per aumentare le prestazioni delle membrane, sono stati testati e selezionati diversi materiali catalitici attivi basati principalmente su ossidi di cerio e praseodimio, per essere usati come strati superficiali porosi sulla parte superiore delle membrane», spiega il dott. Meulenberg. «Le prove di stabilità per questi materiali sono state condotte in atmosfere contenenti CO2 e SOx e ne sono state misurate le prestazioni.»

Una vasta gamma di applicazioni

Il consorzio ha concentrato la dimostrazione della tecnologia a membrana su una membrana trasportatrice di O2 asimmetrica a film sottile con prestazioni superiori in termini di elevata permeazione di O2, selettività di O2 infinita ed elevata stabilità. Inoltre, è possibile costruire moduli PoC ottimizzati aggiuntivi utilizzando sia le membrane LSCF standard che le membrane bifase.

I materiali altamente stabili identificati dai partner del progetto promettono di poter essere utilizzati con tecnologie come reattori catalitici a membrana per la produzione di vettori energetici chimici. «Oltre alla cattura di CO2, GREEN-CC può essere applicato al campo dei reattori catalitici a membrana per la produzione di prodotti chimici di base, trasportatori chimici di energia, utilizzo di CO2, decomposizione dei rifiuti o separazione di gas puro», sottolinea il dott. Meulenberg.

I risultati di GREEN-CC andranno a vantaggio dei membri della comunità scientifica che lavorano sulle membrane per la separazione dei gas, sui reattori catalitici a membrana e in altri settori in cui vengono utilizzate le membrane. Anche il pubblico in generale ne trarrà giovamento attraverso la cattura della CO2 e la mitigazione dei cambiamenti climatici.

Keywords

GREEN-CC, separazione del gas, cattura del carbonio, ossicombustione, membrane di trasporto di O2