Membrane e catalizzatori innovativi riducono le emissioni di gas serra nell’industria chimica
Il C2H4 è prodotto in quantità maggiori rispetto a qualsiasi altro composto organico e gran parte di esso è destinato al polietilene, la plastica più comunemente usata oggi. In Europa la produzione di C2H4 avviene mediante cracking di nafta, ma ciò comporta l’emissione di grandi quantità di anidride carbonica (CO2) come sottoprodotto. Un modo per ridurre la produzione di CO2 è produrre C2H4 dal metano (CH4), che è più ampiamente disponibile, meno inquinante ed economico rispetto alla nafta. Tuttavia, il processo di conversione del metano in C2H4, noto come accoppiamento ossidativo del metano, non è commercialmente praticabile a causa della sua basa resa. Il progetto MEMERE, finanziato dall’UE, ha affrontato questa sfida progettando e collaudando un innovativo reattore a membrana per la conversione diretta di CH4 in C2H4 utilizzando la separazione dell’aria integrata. L’iniziativa mirava ad aumentare la resa dell’etilene abbassando al contempo i costi di produzione e riducendo l’intensità energetica e le emissioni rispetto alle attuali tecnologie all’avanguardia. I ricercatori hanno sviluppato membrane selettive dell’ossigeno innovative, economiche eppure più resistenti per un’efficace separazione dell’aria e un’alimentazione distributiva di ossigeno nel reattore. «L’obiettivo è fornire una solida prova di concetto e la validazione della tecnologia al livello 5 di maturità tecnologica progettando, costruendo, mettendo in funzione e validando un modulo prototipo basato sulla tecnologia di accoppiamento ossidativo del metano che verrà integrato in un mini-impianto trasportato in un container», afferma il coordinatore del progetto, Fausto Gallucci.
Un nuovo approccio
I partner del progetto si sono concentrati sulla separazione dell’aria attraverso membrane a conduzione mista ionico-elettronica (MIEC, mixed ionic-electronic conducting) integrate nel reattore all’interno di un reattore operato ad alta temperatura per l’accoppiamento ossidativo del metano. «Combinando diverse fasi del processo in una singola unità multifunzionale speravamo di ottenere rese molto più elevate rispetto ai reattori convenzionali», spiega Gallucci. Nell’accoppiamento ossidativo del metano vi è la separazione dell’ossigeno, che viene immesso nel reattore attraverso membrane ceramiche, mentre la reazione avviene su un catalizzatore che è in grado di funzionare a bassa concentrazione di ossigeno. Questa combinazione consente rese più elevate e costi inferiori rispetto alle tecnologie standard. Di conseguenza, il consorzio ha sviluppato catalizzatori più stabili nelle condizioni di reazione e soprattutto a bassa concentrazione di ossigeno e ha creato membrane che possono essere utilizzate in condizioni reattive. «Abbiamo sviluppato membrane porose di ossido di magnesio per l’immissione dell’ossigeno ad alta temperatura. Queste sono stati ridimensionate e testate. Allo stesso tempo, abbiamo sviluppato membrane a due e tre fasi per la separazione dell’ossigeno in reattori in cui è presente una grande quantità di CO2, che è un veleno per la maggior parte delle membrane a O2 attualmente disponibili», osserva Gallucci.
Molteplici vantaggi
MEMERE ha prodotto con successo una grande quantità di nuove conoscenze, dalla scienza fondamentale all’analisi tecno-economica e del ciclo di vita. Secondo Gallucci: «I risultati più interessanti includono il modo in cui abbiamo sviluppato nuove tecnologie per membrane e catalizzatori stampati in 3D. Allo stesso tempo, numerosi dottorandi e laureandi sono stati in grado di lavorare direttamente sulla tecnologia in stretta collaborazione con l’industria». Il miglioramento dell’efficienza dell’industria chimica aiuterà l’Europa a diventare più competitiva sul mercato globale, consentendole così di investire in nuove tecnologie più sostenibili e di ridurre le emissioni di gas a effetto serra. Inoltre, il progetto andrà a beneficio della società, poiché verranno creati nuovi posti di lavoro sia nei settori delle membrane e dei catalizzatori che in altri settori industriali. «La tecnologia MEMERE può essere utilizzata anche su scala medio-piccola per convertire il CH4 prodotto in aree remote dove le tecnologie convenzionali non possono essere attualmente sfruttate», conclude Gallucci.
Parole chiave
MEMERE, membrana, reattore, metano (CH4), catalizzatore, anidride carbonica, accoppiamento ossidativo del metano (OCM)