Solubility, diffusivity and permeability of gases in glassy polymers

Gas separation membranes of high CO2 permeability and selectivity have great potential in both natural gas sweetening and carbon dioxide capture. Many modified PIM membranes results permselectivity above Robinson upper bound. The big problem that should be solved for these polymers to be commercialized is their aging through time. In high glassy polymeric membrane such as PIM-1 and its modifications, solubility selectivity has more contribution towards permselectivity than diffusivity selectivity. So in this thesis work pure and mixed gas sorption behavior of carbon dioxide and methane in three PIM-based membranes (PIM-1, TZPIM-1 and AO-PIM-1) and Polynonene membrane is rigorously studied. Sorption experiment is performed at different temperatures and molar fraction. Sorption isotherms found from the experiment shows that there is a decrease of solubility as the temperature of the experiment increases for both gases in all polymers. There is also a decrease of solubility due to the presence of the other gas in the system in the mixed gas experiments due to competitive sorption effect. Variation of solubility is more visible in methane sorption than carbon dioxide, which will make the mixed gas solubility selectivity higher than that of pure gas solubility selectivity. Modeling of the system using NELF and Dual mode sorption model estimates the experimental results correctly Sorption of gases in heat treated and untreated membranes show that the sorption isotherms don’t vary due to the application of heat treatment for both carbon dioxide and methane. But there is decrease in the diffusivity coefficient and permeability of pure gases due to heat treatment. Both diffusivity coefficient and permeability decreases with increasing of heat treatment temperature. Diffusivity coefficient calculated from transient sorption experiment and steady state permeability experiment is also compared in this thesis work. The results reveal that transient diffusivity coefficient is higher than steady state diffusivity selectivity.

Study of the inter-annual variability of particle vertical fluxes in two moorings in the Ross Sea (Antarctica)

The most ocean - atmosphere exchanges take place in polar environments due to the low temperatures which favor the absorption processes of atmospheric gases, in particular CO2. For this reason, the alterations of biogeochemical cycles in these areas can have a strong impact on the global climate. With the aim of contributing to the definition of the mechanisms regulating the biogeochemical fluxes we have analyzed the particles collected in the Ross Sea in different years (ROSSMIZE, BIOSESO 1 and 2, ROAVERRS and ABIOCLEAR projects) in two sites (mooring A and B). So it has been developed a more efficient method to prepare sediment trap samples for the analyses. We have also processed satellite data of sea ice, chlorophyll a and diatoms concentration. At both sites, in each year considered, there was a high seasonal and inter-annual variability of biogeochemical fluxes closely correlated with sea ice cover and primary productivity. The comparison between the samples collected at mooring A and B in 2008 highlighted the main differences between these two sites. Particle fluxes at Mooring A, located in a polynia area, are higher than mooring B ones and they happen about a month before. In the mooring B area it has been possible to correlate the particles fluxes to the ice concentration anomalies and with the atmospheric changes in response to El Niño Southern Oscillations. In 1996 and 1999, years subjected to La Niña, the concentrations of sea ice in this area have been less than in 1998, year subjected to El Niño. Inverse correlation was found for 2005 and 2008. In the mooring A area significant differences in mass and biogenic fluxes during 2005 and 2008 has been recorded. This allowed to underline the high variability of lateral advection processes and to connect them to the physical forcing.

Trasporto di materia in membrane polimeriche e nanocomposite per la separazione di gas

Membrane-based separation processes are acquiring, in the last years, an increasing importance because of their intrinsic energetic and environmental sustainability: some types of polymeric materials, showing adequate perm-selectivity features, appear rather suitable for these applications, because of their relatively low cost and easy processability. In this work have been studied two different types of polymeric membranes, in view of possible applications to the gas separation processes, i.e. Mixed Matrix Membranes (MMMs) and high free volume glassy polymers. Since the early 90’s, it has been understood that the performances of polymeric materials in the field of gas separations show an upper bound in terms of permeability and selectivity: in particular, an increase of permeability is often accompanied by a decrease of selectivity and vice-versa, while several inorganic materials, like zeolites or silica derivates, can overcome this limitation. As a consequence, it has been developed the idea of dispersing inorganic particles in polymeric matrices, in order to obtain membranes with improved perm-selectivity features. In particular, dispersing fumed silica nanoparticles in high free volume glassy polymers improves in all the cases gases and vapours permeability, while the selectivity may either increase or decrease, depending upon material and gas mixture: that effect is due to the capacity of nanoparticles to disrupt the local chain packing, increasing the dimensions of excess free volume elements trapped in the polymer matrix. In this work different kinds of MMMs were fabricated using amorphous Teflon® AF or PTMSP and fumed silica: in all the cases, a considerable increase of solubility, diffusivity and permeability of gases and vapours (n-alkanes, CO2, methanol) was observed, while the selectivity shows a non-monotonous trend with filler fraction. Moreover, the classical models for composites are not able to capture the increase of transport properties due to the silica addition, so it has been necessary to develop and validate an appropriate thermodynamic model that allows to predict correctly the mass transport features of MMMs. In this work, another material, called poly-trimethylsilyl-norbornene (PTMSN) was examined: it is a new generation high free volume glassy polymer that, like PTMSP, shows unusual high permeability and selectivity levels to the more condensable vapours. These two polymer differ each other because PTMSN shows a more pronounced chemical stability, due to its structure double-bond free. For this polymer, a set of Lattice Fluid parameters was estimated, making possible a comparison between experimental and theoretical solubility isotherms for hydrocarbons and alcoholic vapours: the successfully modelling task, based on application of NELF model, offers a reliable alternative to direct sorption measurement, which is extremely time-consuming due to the relevant relaxation phenomena showed by each sorption step. For this material also dilation experiments were performed, in order to quantify its dimensional stability in presence of large size, swelling vapours.

Caratterizzazione di membrane inorganiche per la separazione di idrogeno da gas di reforming

The work of this thesis has been focused on the characterisation of inorganic membranes for the hydrogen purification from steam reforming gas. Composite membranes based on porous inorganic supports coated with palladium silver alloys and ceramic membranes have been analysed. A brief resume of theoretical laws governing transport of gases through dense and porous inorganic membranes and an overview on different methods to prepare inorganic membranes has been also reported. A description of the experimental apparatus used for the characterisation of gas permeability properties has been reported. The device used permits to evaluate transport properties in a wide range of temperatures (till 500°C) and pressures (till 15 bar). Data obtained from experimental campaigns reveal a good agreement with Sievert law for hydrogen transport through dense palladium based membranes while different transport mechanisms, such as Knudsen diffusion and Hagen-Poiseuille flow, have been observed for porous membranes and for palladium silver alloy ones with pinholes in the metal layer. Mixtures permeation experiments reveal also concentration polarisation phenomena and hydrogen permeability reduction due to carbon monoxide adsorption on metal surface.

Studio Sperimentale e Modellazione della Separazione di Proteine con Membrane di Affinità

Chromatography represents one of the most important and widely used unit operation in the biotechnology industry. However this technique suffers from several limitations such as high pressure drop, slow mass transfer through the diffusive pores and strong dependence of the binding capacity on flow rate. In this work, affinity membranes with improved capacity have been considered as an alternative technology for the capturing step in antibody manufacturing. Several affinity membranes have been prepared starting from various membrane supports. Different affinity ligands have been utilized like Protein A, the natural ligand of choice for antibodies, as well as synthetic ligands that exhibit affinity for the Fc portion of antibodies. The membranes have been characterized in detail: binding and elution performance was evaluated in adsorption experiments using pure IgG solutions, while membrane selectivity was evaluated using complex solutions like a cell culture supernatant. The most promising affinity membranes were extensively tested in dynamic experiments. The effects of operating parameters like feed concentration and flow rate on separation performances like binding capacity, selectivity and process yield have been studied in detail in order to find the optimal conditions for binding and elution steps. The membranes have been used over several complete chromatographic cycles to evaluate the effects of ageing and of membrane regeneration on dynamic binding capacity. A novel mathematical model is proposed that can describe all the chromatographic steps involved in the membrane affinity chromatography process for protein purification. The mathematical description is based on the species continuity equation coupled with a proper binding kinetic equation, and suitable to describe adequately the dispersion phenomena occurring both in the micro-porous membranes as well as in the extra-column devices used in the system. The model considers specifically all the different chromatographic steps, namely adsorption, washing and elution. The few relevant fitting parameters of the model were derived from a calibration with the experimental affinity cycles performed with pure IgG solutions, then the model is used to describe experimental data obtained in chromatographic cycles carried out with complex feeds as the cell culture supernatant. Simulations reveal a good agreement with experimental data in all the chromatography steps, both in the case of pure IgG solutions and for the cell culture supernatant considered.

Studio del metodo dell'assorbimento diretto della CO2 per l'analisi del radiocarbonio

L’attuale rilevanza rappresentata dalla stretta relazione tra cambiamenti climatici e influenza antropogenica ha da tempo posto l’attenzione sull’effetto serra e sul surriscaldamento planetario così come sull’aumento delle concentrazioni atmosferiche dei gas climaticamente attivi, in primo luogo la CO2. Il radiocarbonio è attualmente il tracciante ambientale per eccellenza in grado di fornire mediante un approccio “top-down” un valido strumento di controllo per discriminare e quantificare il diossido di carbonio presente in atmosfera di provenienza fossile o biogenica. Ecco allora che ai settori applicativi tradizionali del 14C, quali le datazioni archeometriche, si affiancano nuovi ambiti legati da un lato al settore energetico per quanto riguarda le problematiche associate alle emissioni di impianti, ai combustibili, allo stoccaggio geologico della CO2, dall’altro al mercato in forte crescita dei cosiddetti prodotti biobased costituiti da materie prime rinnovabili. Nell’ambito del presente lavoro di tesi è stato quindi esplorato il mondo del radiocarbonio sia dal punto di vista strettamente tecnico e metodologico che dal punto di vista applicativo relativamente ai molteplici e diversificati campi d’indagine. E’ stato realizzato e validato un impianto di analisi basato sul metodo radiometrico mediante assorbimento diretto della CO2 ed analisi in scintillazione liquida apportando miglioramenti tecnologici ed accorgimenti procedurali volti a migliorare le performance del metodo in termini di semplicità, sensibilità e riproducibilità. Il metodo, pur rappresentando generalmente un buon compromesso rispetto alle metodologie tradizionalmente usate per l’analisi del 14C, risulta allo stato attuale ancora inadeguato a quei settori applicativi laddove è richiesta una precisione molto puntuale, ma competitivo per l’analisi di campioni moderni ad elevata concentrazione di 14C. La sperimentazione condotta su alcuni liquidi ionici, seppur preliminare e non conclusiva, apre infine nuove linee di ricerca sulla possibilità di utilizzare questa nuova classe di composti come mezzi per la cattura della CO2 e l’analisi del 14C in LSC.

Polymeric membranes for CO2 separation: effect of aging, humidity and facilitated transport

Polymeric membranes represent a promising technology for gas separation processes, thanks to low costs, reduced energy consumption and limited waste production. The present thesis aims at studying the transport properties of two membrane materials, suitable for CO2 purification applications. In the first part, a polyimide, Matrimid 5218, has been throughout investigated, with particular reference to the effect of thermal treatment, aging and the presence of water vapor in the gas transport process. Permeability measurements showed that thermal history affects relevantly the diffusion of gas molecules across the membrane, influencing also the stability of the separation performances. Subsequently, the effect of water on Matrimid transport properties has been characterized for a wide set of incondensable penetrants. A monotonous reduction of permeability took place at increasing the water concentration within the polymer matrix, affecting the investigated gaseous species to the same extent, despite the different thermodynamic and kinetic features. In this view, a novel empirical model, based on the Free Volume Theory, has been proposed to qualitatively describe the phenomenon. Moreover, according to the accurate representation of the experimental data, the suggested approach has been combined with a more rigorous thermodynamic tool (NELF Model), allowing an exhaustive description of water influence on the single parameters contributing to the gas permeation across the membrane. In the second part, the study has focused on the synthesis and characterization of facilitated transport membranes, able to achieving outstanding separation performances thanks to the chemical enhancement of CO2 permeability. In particular, the transport properties have been investigated for high pressure CO2 separation applications and specific solutions have been proposed to solve stability issues, frequently arising under such severe conditions. Finally, the effect of different process parameters have been investigated, aiming at the identification of the optimal conditions capable to maximize the separation performance.

Fenomeni di trasporto ed elettrostatici in membrane da Nanofiltrazione

Fenomeni di trasporto ed elettrostatici in membrane da Nanofiltrazione La capacità di predire le prestazioni delle membrane da nanofiltrazione è molto importante per il progetto e la gestione di processi di separazione a membrana. Tali prestazioni sono strettamente legate ai fenomeni di trasporto che regolano il moto dei soluti all’interno della matrice della membrana. Risulta, quindi, di rilevante importanza la conoscenza e lo studio di questi fenomeni; l’obiettivo finale è quello di mettere a punto modelli di trasporto appropriati che meglio descrivano il flusso dei soluti all’interno della membrana. A fianco dei modelli di trasporto ricopre, quindi, una importanza non secondaria la caratterizzazione dei parametri aggiustabili propri della membrana sulla quale si opera. La procedura di caratterizzazione di membrane deve chiarire le modalità di svolgimento delle prove sperimentali e le finalità che esse dovrebbero conseguire. Tuttavia, nonostante i miglioramenti concernenti la modellazione del trasporto di ioni in membrana ottenuti dalla ricerca negli ultimi anni, si è ancora lontani dall’avere a disposizione un modello univoco in grado di descrivere i fenomeni coinvolti in maniera chiara. Oltretutto, la palese incapacità del modello di non riuscire a prevedere gli andamenti sperimentali di reiezione nella gran parte dei casi relativi a miscele multicomponenti e le difficoltà legate alla convergenza numerica degli algoritmi risolutivi hanno fortemente limitato gli sviluppi del processo anche e soprattutto in termini applicativi. Non da ultimo, si avverte la necessità di poter prevedere ed interpretare l’andamento della carica di membrana al variare delle condizioni operative attraverso lo sviluppo di un modello matematico in grado di descrivere correttamente il meccanismo di formazione della carica. Nel caso di soluzioni elettrolitiche, infatti, è stato riconosciuto che la formazione della carica superficiale è tra i fattori che maggiormente caratterizzano le proprietà di separazione delle membrane. Essa gioca un ruolo importante nei processi di trasporto ed influenza la sua selettività nella separazione di molecole caricate; infatti la carica di membrana interagisce elettrostaticamente con gli ioni ed influenza l’efficienza di separazione degli stessi attraverso la partizione degli elettroliti dalla soluzione esterna all’interno dei pori del materiale. In sostanza, la carica delle membrane da NF è indotta dalle caratteristiche acide delle soluzioni elettrolitiche poste in contatto con la membrana stessa, nonché dal tipo e dalla concentrazione delle specie ioniche. Nello svolgimento di questo lavoro sono stati analizzati i principali fenomeni di trasporto ed elettrostatici coinvolti nel processo di nanofiltrazione, in particolare si è focalizzata l’attenzione sugli aspetti relativi alla loro modellazione matematica. La prima parte della tesi è dedicata con la presentazione del problema generale del trasporto di soluti all’interno di membrane da nanofiltrazione con riferimento alle equazioni alla base del modello DSP&DE, che rappresenta una razionalizzazione dei modelli esistenti sviluppati a partire dal modello DSPM, nel quale sono stati integrarti i fenomeni di esclusione dielettrica, per quanto riguarda la separazione di elettroliti nella filtrazione di soluzioni acquose in processi di Nanofiltrazione. Il modello DSP&DE, una volta definita la tipologia di elettroliti presenti nella soluzione alimentata e la loro concentrazione, viene completamente definito da tre parametri aggiustabili, strettamente riconducibili alle proprietà della singola membrana: il raggio medio dei pori all’interno della matrice, lo spessore effettivo e la densità di carica di membrana; in più può essere considerato un ulteriore parametro aggiustabile del modello il valore che la costante dielettrica del solvente assume quando confinato in pori di ridotte dimensioni. L’impostazione generale del modello DSP&DE, prevede la presentazione dei fenomeni di trasporto all’interno della membrana, descritti attraverso l’equazione di Nerst-Planck, e lo studio della ripartizione a ridosso dell’interfaccia membrana/soluzione esterna, che tiene in conto di diversi contributi: l’impedimento sterico, la non idealità della soluzione, l’effetto Donnan e l’esclusione dielettrica. Il capitolo si chiude con la presentazione di una procedura consigliata per la determinazione dei parametri aggiustabili del modello di trasporto. Il lavoro prosegue con una serie di applicazioni del modello a dati sperimentali ottenuti dalla caratterizzazione di membrane organiche CSM NE70 nel caso di soluzioni contenenti elettroliti. In particolare il modello viene applicato quale strumento atto ad ottenere informazioni utili per lo studio dei fenomeni coinvolti nel meccanismo di formazione della carica; dall’elaborazione dei dati sperimentali di reiezione in funzione del flusso è possibile ottenere dei valori di carica di membrana, assunta quale parametro aggiustabile del modello. che permettono di analizzare con affidabilità gli andamenti qualitativi ottenuti per la carica volumetrica di membrana al variare della concentrazione di sale nella corrente in alimentazione, del tipo di elettrolita studiato e del pH della soluzione. La seconda parte della tesi relativa allo studio ed alla modellazione del meccanismo di formazione della carica. Il punto di partenza di questo studio è rappresentato dai valori di carica ottenuti dall’elaborazione dei dati sperimentali di reiezione con il modello di trasporto, e tali valori verranno considerati quali valori “sperimentali” di riferimento con i quali confrontare i risultati ottenuti. Nella sezione di riferimento è contenuta la presentazione del modello teorico “adsorption-amphoteric” sviluppato al fine di descrivere ed interpretare i diversi comportamenti sperimentali ottenuti per la carica di membrana al variare delle condizioni operative. Nel modello la membrana è schematizzata come un insieme di siti attivi di due specie: il gruppo di siti idrofobici e quello de siti idrofilici, in grado di supportare le cariche derivanti da differenti meccanismi chimici e fisici. I principali fenomeni presi in considerazione nel determinare la carica volumetrica di membrana sono: i) la dissociazione acido/base dei siti idrofilici; ii) il site-binding dei contro-ioni sui siti idrofilici dissociati; iii) l’adsorbimento competitivo degli ioni in soluzione sui gruppi funzionali idrofobici. La struttura del modello è del tutto generale ed è in grado di mettere in evidenza quali sono i fenomeni rilevanti che intervengono nel determinare la carica di membrana; per questo motivo il modello permette di indagare il contributo di ciascun meccanismo considerato, in funzione delle condizioni operative. L’applicazione ai valori di carica disponibili per membrane Desal 5-DK nel caso di soluzioni contenenti singoli elettroliti, in particolare NaCl e CaCl2 permette di mettere in evidenza due aspetti fondamentali del modello: in primis la sua capacità di descrivere andamenti molto diversi tra loro per la carica di membrana facendo riferimento agli stessi tre semplici meccanismi, dall’altra parte permette di studiare l’effetto di ciascun meccanismo sull’andamento della carica totale di membrana e il suo peso relativo. Infine vengono verificate le previsioni ottenute con il modello dal suddetto studio attraverso il confronto con dati sperimentali di carica ottenuti dall’elaborazione dei dati sperimentali di reiezione disponibili per il caso di membrane CSM NE70. Tale confronto ha messo in evidenza le buone capacità previsionali del modello soprattutto nel caso di elettroliti non simmetrici quali CaCl2 e Na2SO4. In particolare nel caso un cui lo ione divalente rappresenta il contro-ione rispetto alla carica propria di membrana, la carica di membrana è caratterizzata da un andamento unimodale (contraddistinto da un estremante) con la concentrazione di sale in alimentazione. Il lavoro viene concluso con l’estensione del modello ADS-AMF al caso di soluzioni multicomponenti: è presentata una regola di mescolamento che permette di ottenere la carica per le soluzioni elettrolitiche multicomponenti a partire dai valori disponibili per i singoli ioni componenti la miscela.

Caratterizzazione di membrane metalliche e ionomeriche per applicazioni energetiche

The work of this thesis has been focused on the characterization of metallic membranes for the hydrogen purification from steam reforming process and also of perfluorosulphonic acid ionomeric (PFSI) membranes suitable as electrolytes in fuel cell applications. The experimental study of metallic membranes was divided in three sections: synthesis of palladium and silver palladium coatings on porous ceramic support via electroless deposition (ELD), solubility and diffusivity analysis of hydrogen in palladium based alloys (temperature range between 200 and 400 °C up to 12 bar of pressure) and permeation experiments of pure hydrogen and mixtures containing, besides hydrogen, also nitrogen and methane at high temperatures (up to 600 °C) and pressures (up to 10 bar). Sequential deposition of palladium and silver on to porous alumina tubes by ELD technique was carried out using two different procedures: a stirred batch and a continuous flux method. Pure palladium as well as Pd-Ag membranes were produced: the Pd-Ag membranes’ composition is calculated to be close to 77% Pd and 23% Ag by weight which was the target value that correspond to the best performance of the palladium-based alloys. One of the membranes produced showed an infinite selectivity through hydrogen and relatively high permeability value and is suitable for the potential use as a hydrogen separator. The hydrogen sorption in silver palladium alloys was carried out in a gravimetric system on films produced by ELD technique. In the temperature range inspected, up to 400°C, there is still a lack in literature. The experimental data were analyzed with rigorous equations allowing to calculate the enthalpy and entropy values of the Sieverts’ constant; the results were in very good agreement with the extrapolation made with literature data obtained a lower temperature (up to 150 °C). The information obtained in this study would be directly usable in the modeling of hydrogen permeation in Pd-based systems. Pure and mixed gas permeation tests were performed on Pd-based hydrogen selective membranes at operative conditions close to steam-reforming ones. Two membranes (one produced in this work and another produced by NGK Insulators Japan) showed a virtually infinite selectivity and good permeability. Mixture data revealed the existence of non negligible resistances to hydrogen transport in the gas phase. Even if the decrease of the driving force due to polarization concentration phenomena occurs, in principle, in all membrane-based separation systems endowed with high perm-selectivity, an extensive experimental analysis lack, at the moment, in the palladium-based membrane process in literature. Moreover a new procedure has been introduced for the proper comparison of the mass transport resistance in the gas phase and in the membrane. Another object of study was the water vapor sorption and permeation in PFSI membranes with short and long side chains was also studied; moreover the permeation of gases (i.e. He, N2 and O2) in dry and humid conditions was considered. The water vapor sorption showed strong interactions between the hydrophilic groups and the water as revealed from the hysteresis in the sorption-desorption isotherms and thermo gravimetric analysis. The data obtained were used in the modeling of water vapor permeation, that was described as diffusion-reaction of water molecules, and in the humid gases permeation experiments. In the dry gas experiments the permeability and diffusivity was found to increase with temperature and with the equivalent weight (EW) of the membrane. A linear correlation was drawn between the dry gas permeability and the opposite of the equivalent weight of PFSI membranes, based on which the permeability of pure PTFE is retrieved in the limit of high EW. In the other hand O2 ,N2 and He permeability values was found to increase significantly, and in a similar fashion, with water activity. A model that considers the PFSI membrane as a composite matrix with a hydrophilic and a hydrophobic phase was considered allowing to estimate the variation of gas permeability with relative humidity on the basis of the permeability in the dry PFSI membrane and in pure liquid water.

Un piano territoriale per la riduzione della concentrazione di CO2 nell'atmosfera e la produzione energetica da fonti rinnovabili per mezzo della filiera delle biomasse

Il progetto propone uno studio per verificare la fattibilita' di un piano territoriale (ideato per il bacino del Po ma di fatto estendibile a tutti i bacini fluviali) per la creazione di una filiera di colture bioenergetiche (biomasse) che, trasportate per mezzo della navigazione fluviale (uno dei mezzi di trasporto a minore emissione di CO2), alimentino una o piu' centrali a nuova tecnologia che associno alla produzione di calore (teleriscaldamento e raffreddamento) e di energia la separazione dei fumi. La CO2 catturata dalla crescita delle biomasse e recuperata dalla combustione, puo' quindi essere segregata nel sottosuolo di aree costiere subsidenti contrastando il fenomeno dell’abbassamento del suolo. Ricavando benefici in tutti i passaggi di attuazione del piano territoriale (lancio dell'agricoltura bioenergetica, rilancio della navigazione a corrente libera, avvio di una economia legata alla logistica del trasporto e dello stoccaggio delle biomasse, generazione di energia pulita, lotta alla subsidenza) il progetto, di fatto, consente di catturare ingenti quantitativi di CO2 dall'atmosfera e di segregarli nel sottosuolo, riducendo l'effetto serra. Nel corso del Dottorato e' stata sviluppata una metodologia di valutazione della sostenibilita' economica ed ambientale del progetto ad un bacino fluviale, che consta di una modulistica di raccolta dei dati di base e di una procedura informatizzata di analisi.