Operazioni a membrana per produzione di idrogeno per celle a combustibile

ABSTRACT

La ricerca sperimentale relativa al suddetto modulo riguarda due aspetti:

• Aspetti di modellistica e sperimentali della produzione di idrogeno puro mediante reazioni di steam reforming di interesse in reattori a membrane inorganiche, da usare in celle a combustibile;

• Produzione di membrane polimeriche e loro caratterizzazione per celle a combustibile.

Stato di Avanzamento attività

Attività svolta

La ricerca svolta nel presente modulo è stata basata sullo studio dei reattori a membrane inorganiche a base di palladio, sulla sintesi e caratterizzazione di membrane polimeriche per l'arricchimento in idrogeno di correnti di retentato provenienti da reattori a membrana ed in applicazioni riguardanti la cattura e sequestro della CO2, nonché sullo sviluppo di membrane zeolitiche per i medesimi scopi. Inoltre, nuove membrane composite a base di Pd-Au sono state caratterizzate per il loro utilizzo in reazioni di reforming del biogas e del bioetanolo. I risultati conseguiti hanno completamente coinciso con quelli attesi, in particolare riguardo ai seguenti aspetti di ricerca:
• Produzione di idrogeno da steam reforming del biogas in reattori a membrana composita ed autosupportata a base di palladio e sue leghe.
• Modellazione di processi di reazione di water gas shift mediante applicazione di modelli di calcolo relativo alle reti neurali artificiali.
• Produzione di idrogeno da reazione di water gas shift in reattori a membrana autosupportata a base di Pd-Ag.
• Test di separazione della CO2 da correnti gassose di interesse mediante membrane polimeriche e zeolitiche.
• Steam reforming dell'etanolo in reattori a membrane a base di palladio.
• Steam reforming del metano in reattori a membrana composita a base di Pd-Au.

La ricerca vertente sullo studio dei processi di reforming in reattori a membrane inorganiche ha riguardato test sperimentali realizzati mediante l'ausilio di membrane di palladio e palladio-argento sia supportate su supporti porosi (acciaio e ceramica) sia auto-supportata (anche commerciali) nonché membrane supportate a base di palladio-oro al fine di ottimizzare i risultati in termini di conversione, recupero di idrogeno ad alto indice di purezza e resa di idrogeno. Al fine di realizzare confronti, sono stati condotti gli test sperimentali in reattori tradizionali operanti nelle medesime condizioni di reazione di quelli a membrana al fine di evidenziarne i vantaggi dovuti all'utilizzo di questi ultimi. Studi di modellistica sono stati effettuati sulla reazione di water gas shift in reattori a membrana autosupportata di Pd-Ag. Inoltre, sono state sviluppate membrane zeolitiche al fine di separare la CO2 da correnti gassose di interesse nonché membrane polimeriche per i medesimi scopi, oltre che per l'arricchimento in idrogeno di correnti di retentato provenienti da reattori a membrana.

Risultati conseguiti

Riguardo allo studio sulla produzione di idrogeno in reattori a membrane a base di palladio sia supportate sia autosupportate, in tutte le campagne sperimentali realizzate nel presente modulo i risultati ottenuti hanno evidenziato che rispetto ai reattori a letto fisso convenzionali, operanti alle stesse condizioni di esercizio, i reattori a membrana danno luogo a migliori prestazioni in termini di maggiori conversioni, rese e selettività di idrogeno con l'ulteriore vantaggio del recupero di idrogeno ad alto indice di purezza. La modellazione e simulazione della reazione di water gas shift ha consentito di ottimizzare i test sperimentali dando luogo a risultati migliori con minore impatto sul tempo di esecuzione dei test medesimi.
Circa il sequestro e cattura della CO2, la caratterizzazione di membrane polimeriche e zeolitiche ha dato luogo a risultati in termini di fattori di separazione della CO2 e selettività ideali. In merito all'arricchimento in idrogeno di correnti di retentato provenienti da reattori a membrana, i risultati sperimentali su varie tipologie di membrane hanno dato luogo a risultati incoraggianti in termini di selettività ideale idrogeno/altro gas d'interesse.