Le simulazioni computazionali atomistiche e non atomistiche, sono divenute in quest'ultimi anni, sempre più attendibili; il contributo che la chimica computazionale può fornire alla ricerca è perciò divenuto importante e soprattutto efficace. Le simulazioni atomistiche e non atomistiche possono fornire un gran numero di informazioni in tempi relativamente brevi ed in particolare:
a) Stima di diverse proprietà dei materiali e dei processi;
b) Interpretazioni di ambigui risultati sperimentali, allo scopo di comprendere meglio particolari processi;
c) Design di nuovi materiali o di nuovi processi.
Sulla base di tali considerazione, nei laboratori dell'Istituto per la Tecnologia delle Membrane (ITM-CNR) sono in atto diverse ricerche che utilizzano tecniche computazionali con gli obbiettivi appena esposti. In particolare, sviluppo di nuovi materiali polimerici, o miglioramento degli esistenti, utilizzati per la formazioni di membrane con specifiche caratteristiche [figura 1], simulazione atomistiche e non atomistiche dei processi di trasporto in membrane zeolitiche [figura 2] ed inoltre modellizzazioni del processo di emulsificazione a membrana.
Molti processi separativi tecnologicamente importanti si basano sull'impiego di membrane progettate con specifiche proprietà permeo-selettive. La sintesi di tali membrane è un processo lungo e laborioso, che include procedure di screening per identificare i materiali amorfi a livello molecolare. Inoltre, le attuali tecniche sperimentali non permettono di identificare con sufficiente precisione le disposizioni atomiche all'interno di materiali amorfi. I continui progressi nella potenza dei calcolo hanno reso le metodologie teoriche,un efficace strumento di analisi in grado di sopperire alla mancanza di informazioni strutturali. Il molecular modelling di membrane polimeriche amorfe si è rivelato utile per la descrizione della complessa morfologia e dei meccanismi di trasporto di molecole permeanti con una accuratezza confrontabile con quella sperimentale.
Le membrane zeolitiche in alcuni campi hanno evidenziato particolari vantaggi rispetto a quelle polimeriche, quali resistenza termica, stabilità chimica e fisica. Nei laboratori dell' ITM-CNR, si stanno conducendo delle simulazioni atomistiche e non atomistiche allo scopo di riprodurre la permeabilità di tali membrane. Le simulazioni atomistiche forniscono i parametri fondamentali che caratterizzano la diffusione nei materiali zeolitici, utilizzati per la preparazione delle membrane stesse (coefficienti di diffusioni, isoterme d'adsorbimento), le simulazioni non atomistiche utilizzano questi parametri per ottenere i flussi e le permeabilità delle membrane. Questa procedura, a due livelli, permette di correlare le proprietà strutturali del materiali con le proprietà di trasporto delle membrane costituite da quest'ultimi. Nell' ITM-CNR sono state condotte simulazioni su membrane di Silicalite-1 e ZSM5, ed inoltre, a titolo di confronto, su zeoliti non ancora utilizzati nella preparazione di membrane. I gas utilizzati nelle simulazioni sono gas inorganici, organici e gas nobili, in particolari : H2, N2, O2, CO2, SF6, CF4, CH4, i-C4H10, He, Ne, Ar, Xe.
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