Development of metal/ceramic membranes for hydrogen purification at medium/high temperatures

Lo scopo dell’attività di ricerca (completamente sviluppata presso il CNR-ICMATE, Area della Ricerca di Padova) era lo sviluppo di membrane sottili e planari per la separazione di idrogeno in processi ad alta temperatura (400°C, membrane metalliche) e processi a media temperatura (< 150°C, membrane di zeolite), supportate da substrati porosi ceramici. Le membrane metalliche sono state depositate mediante processi PVD e le membrane di zeolite sono state cresciute su substrati ceramici mediante sintesi idrotermale. I vantaggi dell’utilizzo delle tecniche PVD sono esposti nel capitolo inerente all’interno della tesi. La deposizione PVD è particolarmente utile nel caso di leghe metalliche, dal momento che il co-sputtering di metalli puri può sopprimere la formazione di intermetallici e permettere un fine controllo sulla stechiometria finale. Un obiettivo del lavoro era inerente lo sviluppo di nuove membrane composite combinando substrati porosi, aventi limitate dimensioni dei pori e superfici lisce, con una nuova tecnica di deposizione, l’HiPIMS (High power Impulse Magnetron Sputtering), per depositare membrane strati densi e molto sottili di leghe a base di palladio (Pd-Ag 77-23 wt%), per ridurre lo spessore finale e quindi il contenuto in palladio, in moda da rispettare i target fissati dal Dipartimento dell’Energia statunitense (DoE) in termini di costo e flusso di idrogeno. In aggiunta l’attività si è dedicata allo studio di nuove e promettenti leghe, soprattutto leghe prive di palladio, ponendo l’attenzione su leghe a base di vanadio, in modo da adempiere alle recenti linee guida stabilite dalla Comunità Europea in merito agli elementi critici. Si è studiata una lega binaria (V90Pd10) e una lega ternaria (V84,2Ni10,5Ti5,3), entrambe preparate per la prima mediante tecniche PVD (vengono preparate principalmente mediante arc melting). Allo scopo di confrontare diverse membrane e i meccanismi di flusso coinvolti, è stata intrapresa un’attività di ricerca parallela inerente la preparazione di membrane sottili di zeoliti, cresciute direttamente su supporti ceramici porosi. Tra le varie strutture zeolitiche disponibili, l’idrossi-sodalite rappresenta la scelta migliore per preparare membrane per la separazione di idrogeno, grazie ai canali compatibili con la dimensione della molecola di idrogeno. Membrane di idrossi-sodalite sono già documentate in letteratura, ma lo scopo della ricerca coinvolgeva l’obiettivo di preparare membrane di zeolite in un unico processo idrotermale, semplificando di molto l’approccio alla sintesi. Le misure di permeabilità in idrogeno sono state eseguite in una stazione di test completamente sviluppata da competenze del CNR-ICMATE (sia per quanto riguarda il layout sperimentale sia per l’interfaccia Labview) per raccogliere i dati relativi alla permeanza e alla selettività H2/N2 delle membrane prodotte.