Preparazione di membrane polimeriche, inorganiche e catalitiche per processi in fase liquida

 

ABSTRACT

Il lavoro di ricerca riguarda la preparazione e caratterizzazione di nuove membrane, sia piane che capillari, con proprietà specifiche (grado di idrofobicità, porosità, attività catalitica, ecc.) e loro applicazione in vari processi di interesse industriale, quali, dissalazione delle acque, purificazione di correnti inquinate, trattamento di soluzioni fisiologiche, cristallizzatori, ecc. La ricerca include anche lo studio e l'ottimizzazione delle unità a membrana, in termini di miglioramento del trasferimento di materia e di energia e della riduzione delle perdite di carico e confronto delle loro prestazioni con quelle relative ai sistemi tradizionali.

 

Stato di avanzamento attività anno 2015

Attività svolta

- Membrane polimeriche piane porose in PES e PVDF sono state prodotte per NIPS impiegando solventi meno tossici (il trietilfosfato (TEP) e il dimetilsolfossido (DMSO)) rispetto a quelli generalmente utilizzati sia a livello di laboratorio che su scala industriale (DMF; DMA e NMP). La tecnica TIPS è stata inoltra testata utilizzando il solvente TEP per la produzione di membrane in PVDF.
- Sono state prodotte per NIPS fibre in PVDF, con e senza nanoparticelle di TiO2 usando come "pore formers" il PVP, da impiegare in ultrafiltrazione accoppiandole all'UV come pre-trattamento dell'osmosi inversa in impianti di dissalazione (FP7-NAWADES).
- E' stato completato il lavoro inerente lo sviluppo di membrane a stampo molecolare per il riconoscimento selettivo di dimetoato, teofillina e quercetina. In tutti i casi, partendo dalla sintesi di polimeri imprintati sono state preparate membrane ibride che hanno esibito buone proprietà di riconoscimento selettivo della molecola target.
- E' stato avviato uno studio sul rilascio controllato di captopril. In particolare, è stata studita la possibilità di preparare membrane ibride caricate con il captopril per evaporazione del solvente.
- Sono state ottimizzate le condizioni operative per la sintesi di membrane zeolitiche tubolari a topologia MFI (silicalite) lunghe 30 cm utilizzando il metodo di crescita secondario e la procedura di filtrazione cross-flow durante la fase di semina. Le membrane preparate sono state caratterizzate mediante prove di permeazione all'azoto prima e dopo la calcinazione. Infine, è stata testata la capacità delle membrane in dissalazione mediante distillazione sotto vuoto.
- Sono state sviluppate membrane funzionali e meccanicamente stabili mediante NIPS da impiegare nel trattamento di acque reflue e salmastre.
- E' stata ottimizzata la procedura di fabbricazione di membrane honeycomb mediante tecnica di self-assembly.
- Sono state preparate membrane responsive autopulenti
- Sono state sviluppate nuove membrane intelligenti per sensori e regolatori di umidità di microambienti.
- Sono state sviluppate membrane da ultrafiltrazione a base di PI e PVDF additivate con MWCNTs funzionalizzati, mediante tecniche NIPS, VIPS, dip- e spread-coating.
- Sono state preparate e caratterizzate membrane composite contenenti hydrogel supportato su membrane macroporose, variando monomero, cross-linker e additivi. Le membrane sono state impiegate in distillazione a membrana per la dissalazione e nella cristallizzazione di proteine e carbonato di calcio.
- Sono state condotte:
- prove di distillazione e cristallizzazione a membrana su succhi di frutta, utilizzando sia moduli commerciali che di laboratorio;
- prove di distillazione e cristallizzazione a membrana, utilizzando varie configurazioni (a contatto diretto, in vuoto o con stripping) su soluzioni altamente concentrate di cloruro di litio utilizzando moduli di laboratorio;
- Prove di distillazione e cristallizzazione a membrana su acque di scarico industriali tipo "produced water", utilizzando sia moduli commerciali che di laboratorio;
- Sono stati effettuati studi e modellazione di operazioni di distillazione a membrana con particolare attenzione ai fenomeni di polarizzazione termica
- Sono state condotte analisi economiche di sistemi a membrana, anche integrati, per il trattamento di acque saline, di acque industriali e di soluzioni altamente concentrate
- E' stata effettuata una ricerca sulle tecnologie a membrana per la produzione di acqua demineralizzata e per il trattamento degli spurghi;
-Sono state condotte attività di training relativamente alle procedure di laboratorio per la caratterizzazione delle membrane
- Sono stati effettuati test di disidratazione su microparticelle in polistirene mediante distillazione a membrana sotto vuoto (Vacuum Membrane Dryer) al variare del quantitativo di soluzione, dimensione delle particelle, area di membrana.

 

Risultati conseguiti

- Le membrane prodotte per NIPS impiegando solventi green, hanno dimostrato un'ottima resistenza meccanica e permeabilità all'acqua compresa tra 17000 e 45000 l/ m2hbar. Membrane piane prodotte mediante TIPS hanno mostrato pori dell'ordine di 0.2 - 0.4 micron.
- Fibre in PVDF con e senza nanoparticelle sono state prodotte con e senza surfattante per ottimizzare la dispersione della TiO2 nel solvente impiegato. La concentrazione di TiO2 ottimale è stata pari a 0.5 p/p%, in quanto le proprietà della fibra prodotta con questa concentrazione risultano essere simili a quelle della fibra di riferimento senza TiO2. I flussi all'acqua sono stati pari a 100-150 l/hm2 bar.
- Per il riconoscimento selettivo di quercetina, le membrane contenenti il 25 % in peso di polimero hanno mostrato un fattore di imprinting pari a 3.6, una selettività quercetina/naringina di 4.5 e quercetina/crisina pari a 1.8. Le membrane specifiche per il dimetoato hanno esibito una capacità di legame totale di 32.0 µmol/gmemb, una capacità di legame specifico di 23.0 µmol/gmemb ed una selettività dimetoato /trichlorfon paria 5.5. Tutte le membrane hanno mostrato permeabilità da UF. Nel caso della teofillina sono state ottenute membrane con capacità di legame specifica pari a 6.5 µmol/gmemb.ed una selettività di 88.6 nei confronti dell'omologo strutturale caffeina.
- Membrane ibride caricate con il captopril hanno esibito in "ex vivo" cinetiche di rilascio lineari.
- Membrane zeolitiche lunghe 30 cm sono state sintetizzate mediante il metodo di crescita secondaria e sono state testate in distillazione sotto vuoto, utilizzando soluzioni di cloruro di sodio a diversa concentrazione, fornendo alti flussi di permeato ed ottimi valori di reiezione.
- Sono stati definiti protocolli sperimentali per la preparazione di membrane 'honeycomb' ordinate su superfici di circa 70 cm2 con dimensioni dei pori da 5.0 a 0.2 micron e capacità di permeazione al vapore acqueo fino a due ordini di grandezza superiore a quella di membrane commerciali.
- Le membrane-sensori preparate, funzionalizzate con nanotubi di carbonio, sono state capaci di regolare in tempo reale i livelli di umidità nell'ambiente.
- Le membrane ibrido-composite autopulenti hanno mitigato i fenomeni di sporcamento durante processi di MF di acque vegetali provenienti dalla spremitura di olio di oliva.
- Le membrane di PI e PVDF a matrice mista ottenute con i MWCNTs funzionalizzati hanno mostrato migliori proprietà di trasporto e meccaniche rispetto alle polimeriche. Per quelle in PVDF, è stato investigato l'effetto dei MWCNTs e degli additivi porogeni (LiCl e PVP), sul polimorfismo e l'effetto del polimorfismo sulle proprietà meccaniche, di trasporto e grado di idrofilicità della membrana. Impiegando LiCl come porogeno si sono ottenute membrane di PVDF in sola fase ² (polimorfo con il più alto momento di dipolo del PVDF e con proprietà piezoelettriche di maggiore interesse).
- Sono state preparate membrane composite contenenti hydrogel con specifiche proprietà chimico-fisiche e stabilità meccanica mediante selezione di monomeri, cross-linker e di additivi nanostrutturati. Le membrane sono state testate per la mineralizzazione biomimetica del carbonato di calcio. Sono state ottenute diverse morfologie cristalline dipendenti dalla composizione chimica dell'hydrogel utilizzato. Le membrane composite sono state inoltre impiegate in processi di dissalazione mediante distillazione a membrana, mostrando un aumento dei flussi trans-membrana e delle reiezioni di sale rispetto alle membrane non funzionalizzate usate come supporto.
- Le prove di distillazione su succhi di frutta hanno prodotto succhi altamente concentrati in cui vengono preservate le proprietà organolettiche, nutrizionali e antiossidanti del succo fresco.
- Le prove di cristallizzazione a membrana su soluzioni di LiCl hanno fornito cristalli di buona qualità con costi di produzione (circa 2.2$/kg) competitivi con quelli dei laghi salini (circa 2$/kg).
- Le analisi di costo della cristallizzazione a membrana di acque di scarico industriali prevedono un costo variabile tra 1.52$/m3 e 1.24$/m3, a seconda del tipo di membrana utilizzata.
- E' stato elaborato uno stato dell'arte sulle tecnologie a membrana per la produzione di acqua demineralizzata e per il trattamento degli spurghi.
- E' stato condotto un training per personale ENEL sulle procedure di laboratorio per la caratterizzazione delle membrane e per personale ITRI sulle operazioni di distillazione e cristallizzazione a membrana.
- Mediante il Vacuum Membrane Dryer è stato possibile disidratare efficacemente alimentazioni contenenti microparticelle di diversa dimensione e recuperare acqua pulita lato permeato. Sono state, inoltre, identificate le condizioni operative necessarie per operare con alti valori di produttività.