Aree di ricerca:

 

L’Intensificazione di Processo è una strategia tesa alla implementazione di nuove metodologie di progetto dei processi chimici e tecnologici, con l’obiettivo di ridurre i costi di produzione, l’ingombro delle apparecchiature a parità di produttività, i consumi energetici e le emissioni di correnti di scarto. L’attività di ricerca concerne lo sviluppo di singole operazioni a membrana di potenziale interesse per tale strategia, l’ottimizzazione dei materiali e dei parametri operativi, la realizzazione di sistemi e procedure avanzate di controllo remoto.

 

La possibilità di ridisegnare importanti cicli produttivi integrando le diverse operazioni a membrana disponibili sia quali unità di separazione che di reazione, costituisce una attraente opportunità in riferimento ai positivi effetti sinergici che possono essere conseguiti. L’attività di ricerca riguarda lo studio della evoluzione dei processi a membrana, l’analisi energetica ed exergetica degli schemi integrati, l’ottimizzazione delle condizioni operative, la valutazione del livello di sostenibilità del processo.

 

Le operazioni di cristallizzazione ed emulsificazione a membrana costituiscono le due più recenti applicazioni della tecnologia dei contattori a membrana. Per quanto attiene ai cristallizzatori a membrana, l’attività di ricerca è rivolta alla prototipizzazione del dispositivo, allo studio delle cinetiche di nucleazione e crescita, all’investigazione degli effetti fluido-dinamici dei sistemi in flusso sulla distribuzione delle dimensioni, la forma e la qualità dei cristalli. Gli studi sugli emulsificatori sono relativi alla modellistica del sistema, alla ottimizzazione delle caratteristiche morfologiche delle membrane adoperate, all’identificazione delle condizioni operative che consentano di ottenere micro- e nano-emulsioni monodisperse e stabili.

 

L’eterogenizzazione di catalizzatori all’interno di membrane costituisce un settore di ricerca di notevole interesse, sia da un punto di vista industriale che ambientale. In tale prospettiva, l’attività di ricerca è focalizzata all’individuazione delle condizioni ottimali per l’eterogenizzazione di catalizzatori all’interno di membrane polimeriche, da impiegare in reattori catalitici a membrana, per condurre reazioni di ossidazione selettiva di substrati organici e nella mineralizzazione completa di inquinanti comunemente presenti nei reflui industriali e agricoli. Lo studio comprende la caratterizzazione delle proprietà chimico-fisiche dei catalizzatori nella nuova configurazione, l’ottimizzazione dei parametri operativi dei processi di interesse e la loro analisi modellistica.

 

L'impiego di membrane per la separazione in continuo di uno o più componenti da soluzioni, accoppiato con il metodo fotocatalitico, permette di sfruttare la sinergia di entrambe le tecniche nella fotodegradazione di inquinanti in soluzioni acquose. Lo studio prevede: l'ottimizzazione delle proprietà chimico-fisiche dei reattori a membrana utilizzando particolari reagenti modello o reflui reali; scelta e preparazione dei fotocatalizzatori (vari tipi di catalizzatori policristallini a base di TiO2 contenenti anche fotosensibilizzatori ed additivi in modo da incrementare la fotoattività); test e scelta di adatti materiali polimerici stabili sotto illuminazione; modellazione e costruzione di fotoreattori da laboratorio a membrane; preparazione delle membrane fotocatalitiche mediante differenti tecniche di immobilizzazione dei fotocatalizzatori (in/su varie membrane commerciali, inglobamento in membrane organiche ed anche inorganiche basate su TiO2, preparate con tecniche diverse); test ed ottimizzazione della prestazione dei fotoreattori a membrane sotto radiazioni UV-vis con lampade ad alta e media pressione e/o luce solare.

 

Lo sviluppo di nuovi processi a membrana è attualmente limitata dalla scarsa resistenza termica e chimica dei polimeri attualmente utilizzati, e dalla loro modesta permselettività intrinseca. D’altra parte le membrane inorganiche sono scarsamente riproducibili e costano troppo.

Per migliorarne le proprietà, i migliori materiali polimerici disponibili (permeabili, selettivi, resistenti, quali polieterchetoni, perfluoropolimeri amorfi) sono mescolati ad opportuni filler inorganici (ad es. zeoliti, inerti o con proprietà catalitiche). Le membrane ibride sono allo stesso tempo più permeabili e più selettive, e tollerano solventi e temperature medio-alte. Esempi delle numerose applicazioni potenziali sono nella separazione di gas (O₂/N₂, H₂/N₂, He/H₂, etc.), nel trattamento di gas naturale (dew-pointing, separazione di CO₂ e H₂S, recupero di He), nelle separazioni alcani/alcheni, nel sequestro di CO₂ da fumi di combustione, nel recupero di vapori organici dall’aria, nelle separazioni di soluzioni acqua/organico e organico/organico.

 

L’impiego di complessanti solubili in fase organica (che costituiscono il cardine del trasporto in membrane liquide, supportate o di altri tipi) e di complessanti (principalmente macromolecole con gruppi specifici) solubili in fase acquosa capaci di legare ioni permette di facilitare la rimozione di questi ultimi mediante membrane con elevata permeabilità. Entrambi i processi permettono di realizzare la separazione, purificazione e concentrazione di specie chimiche (ioni metallici da acque di scarico; alcuni tipi di molecole biologiche, ad esempio amminoacidi da brodi di fermentazione; ecc.) di ampio interesse nelle industrie chimica e farmaceutica e nel settore ambientale. Scopo della ricerca è lo studio delle condizioni chimiche (tipi di solventi organici e/o loro miscele, pH, concentrazione, ecc.) che influenzano l'equilibrio di estrazione; le condizioni chimiche che determinano la separazione delle specie (estrazione e successivo rilascio); tipo di estraente; tipo di specie chimica che induce il gradiente di concentrazione; tipo di membrana (grado di idrofobicità, dimensioni dei pori, configurazione della membrana, ecc.); dipendenza del flusso di materia dalla temperatura; tecniche di rigenerazione e/o di stabilizzazione delle membrane; condizioni chimico-fisiche che danno stabilità operativa e che massimizzano la velocità di trasporto; rapporto tra complessante e tipi diversi di diluenti; fattori di separazione; competizione di trasporto rispetto ad altre specie chimiche, ecc. Parallelamente alla parte sperimentale vengono studiati i meccanismi che regolano il trasporto in membrane liquide supportate.