BR112017012854B1 - Processo para obtenção de hidrogênio e composto iônico alcalino não corrosivo, solução eletrolítica alcalina, composto iônico alcalino não corrosivo, e uso do composto iônico alcalino não corrosivo - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a um novo processo para obtenção de hidrogénio e um composto iônico fortemente alcalino que utiliza a reação de hidrólise para quebrar as moléculas da água, no qual a temperatura é mantida dentro de limites que permitem obter a liberação regular e estável de gás hidrogénio e não de vapor de hidrogénio, o que é obtido no método comum de obtenção de hidrogénio a partir de reações de hidrólise. Mais especificamente refere-se a um processo que possibilita a obtenção do gás hidrogénio em escala industrial, diferentemente dos processos do género atualmente conhecidos, que obtêm o gás hidrogénio apenas em escala laboratorial. O dito processo compreende combinar pelo menos um composto iônico (uma base e/ou um sal básico), água, pelo menos um ácido e pelo menos um metal. A presente invenção também se refere a uma solução eletrolítica alcalina e a um composto iônico fortemente alcalino e, paradoxalmente, não corrosivo.

Description

Campo Técnico

[001] A presente invenção se relaciona a processo para obtenção de hidrogênio, utilizando uma reação de hidrólise para quebrar a molécula da água. Mais especificamente refere-se a um processo que possibilita a obtenção do gás hidrogênio em escala industrial, diferentemente dos processos do gênero atualmente conhecidos, que obtêm o gás hidrogênio apenas em escala laboratorial. A presente invenção também se refere a uma solução eletrolítica alcalina e a um composto iônico que se apresenta com duas fases, uma fase líquida, fortemente alcalina não corrosiva, e um precipitado de hidróxido(s) exclusivamente, forte alcalino.

Descrição do Estado da Técnica

[002] São amplamente conhecidos os processos para obtenção de hidrogênio que utilizam pelo menos um metal em uma reação de hidrolise (reação química que envolve a quebra de uma molécula por ação da molécula de água).

[003] Um dos métodos mais usados na obtenção de hidrogênio em laboratório é a reação de um álcali com alumínio, pelo caráter anfótero do alumínio, que reage tanto com ácidos quanto com bases.

[004] Ao entrar em contato com a solução de NaOH, o alumínio metálico forma um complexo de Na e Al, e H2 gasoso. A reação é representada na seguinte equação:

[005] Nesse método, o alumínio se dissolve na solução aquosa de NaOH e libera hidrogênio, formando um aluminato.

[006] Para a obtenção do hidrogênio através desse método, já conhecido do estado da técnica, outros metais como o zinco, por exemplo, podem ser utilizados.

[007] Esse método comum de obtenção de hidrogênio a partir de reações de alumínio e uma base em uma reação de hidrólise é um método prático, porém não eficaz, pois o recolhimento de hidrogênio é inviável, uma vez que essas reações são rápidas, em razão da elevada temperatura da reação química, liberando vapor de água que prejudica a pureza do hidrogênio, e por não apresentar estabilidade duradoura, inviabilizando uma obtenção regular do hidrogênio. Além disso, o subproduto resultante da reação nesse método comum é apenas uma escória, sem utilidade importante.

Objetivos da Invenção

[008] A presente invenção pretende resolver essas deficiências propondo um novo processo para obtenção de hidrogênio que utiliza a reação de hidrólise para quebrar as moléculas da água, no qual a temperatura e a pressão são mantidas permitindo obter a liberação regular e estável de hidrogênio, o que não é obtido no método comum de obtenção de hidrogênio a partir de reações de hidrólise.

[009] Os objetivos acima e outros objetivos da presente invenção são alcançados em um processo que consiste em combinar, em uma reação de hidrólise, preferentemente na sequência a seguir, pelo menos uma substância básica (pelo menos uma base ou pelo menos um sal básico ou, alternativamente, pelo menos um sal associado com pelo menos uma base ou pelo menos um composto iônico que libera íons hidroxila na presença de água), água, pelo menos um metal, preferentemente um metal anfótero, preferentemente o alumínio e pelo menos um ácido, sendo que o ácido participa dessa combinação como o componente em menor proporção na reação, que desse modo, não altera a forte alcalinidade da solução.

[0010] Como efeito técnico novo e vantajoso, a combinação do ácido nas devidas proporções com os demais componentes estabiliza a temperatura da reação química, o que possibilita manter a reação estável por maior tempo, e uma consequente obtenção mais efetiva e contínua de gás hidrogênio, o que possibilita o fornecimento de um fluxo com pressão suficiente para uso direto, sem a necessidade de armazenar o gás sob pressão para uso posterior. Além disso, pelo fato da reação química ocorrer completamente, obtém-se dois subprodutos vantajosos, a saber: a) uma massa precipitada formada principalmente por óxidos/hidróxido(s) fortemente alcalino(s), com pH acima de 12, não corrosivo e b) a água usada na reação de hidrólise adquire novas propriedades originadas pela reação química que dá origem a um inovador composto iônico líquido - fortemente alcalino, paradoxalmente, não corrosivo, forte antioxidante (não corrosivo porque é um neutralizador de corrosividade). Suas propriedades químicas podem ser usadas em diversas aplicações industriais, em produtos, sendo como um produto concentrado ou diluído, ou fazendo parte de outros produtos. Um exemplo não limitativo de produtos produzidos exclusivamente com esse composto iônico líquido ou seu substrato, (essência) e/ou com o precipitado de hidróxido(s), podemos destacar: antioxidantes, alcalinizantes (elevador de alcalinidade), anti-propagador de chamas e isolante térmico, refratários, coagulantes, entre outras aplicações e outros produtos.

[0011] Outra vantagem do processo objeto da presente invenção é que o mesmo possibilita obter hidrogênio em larga escala industrial através do aproveitamento da água oceânica, diferentemente da eletrólise.

[0012] Em um ensaio do processo objeto da presente invenção, em uma combinação preferida, foi usada a base Na(OH) (preferencialmente em escamas). O ensaio consistiu em combinar, em uma hidrólise realizada em vaso de pressão, 500g da base NaOH, 4.000g de água, 12g do ácido H2SO4, e 250g do metal alumínio. A reação resultou em uma vazão média de 7,5 L/min de gás hidrogênio, medida pelo fluxômetro calibrado à pressão de 3,5 kgf/cm2, durante 390 minutos, tendo sido feitas durante esse período cinco reposições do alumínio, de 250g cada uma, e três reposições de água de 1.500g.

[0013] O gás liberado não era armazenado, sendo direcionado diretamente para queima em um maçarico de corte com oxigênio vindo de um cilindro que não participa da reação, com o qual foram feitos cortes em chapas de aço 30x30x7” (76,2x76,2x17,78 cm) de espessura com eficiência. Observou-se que a temperatura da reação se manteve entre 93°C e 130°C após a sua estabilização (se desejado, podem ser alcançadas temperaturas superiores para aproveitamento de calor liberado da reação (vapor)).

[0014] Sendo interrompida a reposição do alumínio a reação chegou ao final, restando no vaso de pressão 5.935g de um precipitado com duas fases, líquido e pastoso de óxidos/hidróxidos. Como resultado adicional, foi verificado que no processo para obtenção de hidrogênio reivindicado na presente invenção, a reação química que ocorre no processo dá origem a um composto iônico precipitado de hidróxido(s) com pH acima de 12 e um inovador composto iônico líquido fortemente alcalino e, paradoxalmente, não corrosivo (poderoso antioxidante, poderoso alcalinizante). Tais características antagônicas conferem a esse composto iônico propriedades que possibilitam a sua aplicação como componente em diversos produtos industriais, entre eles, sua utilização como um neutralizador de corrosividade. Além dessa aplicação, esse composto iônico líquido pode ser utilizado em outras aplicações onde seja desejável aumentar de forma substancial a alcalinidade de alguma substância ou meios sem a correspondente presença indesejável da corrosividade. Um exemplo, de aplicação não limitativo, útil desse composto iônico precipitado de hidróxido(s) de elevada alcalinidade e não corrosivo e/ou do composto iônico líquido é a sua utilização como coagulante para uso em processos de clarificação de águas turvas, através da floculação de suas dispersões coloidais. O coagulante pode ter o pH ácido (como exemplo o sulfato de alumínio) ou alcalino e não ser corrosivo em qualquer um dos dois estados, obtido com uso dos subprodutos da referida reação de hidrólise, (líquido iônico e o(s) precipitado(s) hidróxido(s) de preferência o hidróxido de alumínio)), de preferência aumentando a concentração do ácido nas devidas proporções na reação de neutralização, podendo ainda ser acrescentado composto iônico líquido fortemente alcalino e, paradoxalmente, não corrosivo para neutralização da corrosividade do ácido usado na reação.

[0015] Ainda, a partir de diferentes substâncias químicas e metais combinados no processo, podem ser obtidos do referido precipitado (hidróxidos) e líquido iônico, combinado com outros reagentes, novas substâncias: hidróxidos, sulfatos, compostos iónicos complexos, entre outros (sendo todas elas substâncias não corrosivas (seja ácidas ou básicas)). Sendo que os subprodutos da reação química poderão ter novas características, isso quando um ou mais de um do(s) reagente(s) da fórmula for diferente dos exemplos descritos.

[0016] No ensaio do processo objeto da presente invenção, acima descrito, após algum período de decantação as fases do precipitado mostraram-se nitidamente separadas, evidenciando-se um líquido iônico fortemente alcalino transparente sobre uma pasta branca, ambos inodoros, sendo apenas o líquido iônico volátil. Por fim, foi verificado que a fase líquida apresenta um pH de 13,6 (podendo o pH variar conforme as configurações das fórmulas).

[0017] Em um experimento posterior realizado após 72 horas de repouso do precipitado (óxido/hidróxido), a fase liquida foi drenada e substituída por água mineral com pH de 4,58, que em contato com a fase sólida do precipitado teve suas propriedades imediatamente alteradas, passando a apresentar o mesmo pH de 13,1 da fase líquida drenada, mostrando que tais propriedades são intrínsecas da fase pastosa do precipitado, que são transferidas por diluição para fase líquida.

[0018] Um experimento foi realizado para observação do pH e alcalinidade, com o uso do composto iônico líquido, densidade 1,10 g/cm3. Foi utilizado uma amostra de água - 500 ml, pH de 4,01, e adicionou-se 0,12 ml do composto iônico líquido com pH 13,1. Logo em seguida foram realizadas as medições de pH e alcalinidade, onde foi observado que o pH passou para 7 e a alcalinidade para 70 ppm. Desse modo empiricamente conclui-se que 1 litro do composto iônico líquido, concentrado, é capaz de reagir e alcançar o mesmo resultado em aproximadamente 41.666 litros de água que tenha as mesmas características da água usada no experimento.

[0019] A seguir são apresentadas duas formas não limitativas do processo, que priorizam a produção do composto iônico líquido em detrimento da produção de hidrogênio: A primeira forma visa uma primeira reação diferente para produção do precipitado (hidróxido(s)) e o composto iônico líquido alcalino não corrosivo, e compreende primeiramente combinar, em uma reação de neutralização parcial, uma base e um ácido, para somente depois, ao final dessa reação adicionar água. O metal poderá ser adicionado posteriormente, em qualquer momento.

[0020] A segunda forma, por não provocar previamente uma reação de neutralização parcial, é um processo lento, e compreende primeiramente combinar uma substância básica (pelo menos uma base ou pelo menos um sal básico ou, alternativamente, pelo menos um sal associado com pelo menos uma base ou pelo menos um composto iônico que libera íons hidroxila na presença de água), água, e pelo menos um ácido, em um recipiente apropriado, pelo menos parcialmente aberto.

[0021] Preferentemente deve-se aguardar a mistura atingir a temperatura ambiente para acrescentar o pelo menos um metal anfótero, preferentemente o alumínio

[0022] Durante a reação química pode ocorrer ampla evaporação (isso apenas quando a reação não sofrer influência da pressão) no final ou próximo do final da reação pode ser adicionado mais água e/ou metal (reagentes). Esse processo pode prolongar-se por algumas horas ou dias, e, caso haja alguma interrupção, o processo deve ser reiniciado.

[0023] Em outro ensaio foram comprovadas as propriedades (fortemente antioxidante) que possibilitam a utilização do composto iônico como um neutralizador de corrosividade.

[0024] No experimento foi adicionado 6 ml do composto iônico líquido da presente invenção com pH de 13,71 em 20 ml de uma solução de ácido H2SO4 com densidade de 1,265 g/cm3, cujo pH era de 1,5. Ocorreu assim uma reação de neutralização parcial. Em seguida foi medido o pH da solução resultante, que se apresentava com pH de 1,7. Essa solução foi aplicada em uma peça de tecido de algodão, que não sofreu nenhuma corrosão da solução ácida. Mostrando, portanto, sua eficácia como um neutralizador de corrosividade de substâncias ácidas, sendo possível manter a(s) substância(s) ácida(s).

[0025] Em outro ensaio, foi observada a viabilidade de aplicação do precipitado (hidróxidos) e/ou composto iônico líquido, por exemplo, em produtos de características refratárias. Dez folhas de papel de impressão foram grampeadas e impregnadas com o composto iônico líquido. Após a sua secagem total, as folhas de papel foram dispostas sobre uma chama de 700 graus Celsius que incidia perpendicularmente contra o seu centro.

[0026] As folhas tratadas com o composto iônico líquido resistiram a combustão, mostrando a sua eficácia como um anti-propagador de chamas e isolante térmico.

[0027] Uma aplicação útil desse precipitado (hidróxido(s)) e/ou composto iônico líquido, fortemente alcalino é a sua utilização concentrado ou diluído, para uso em produtos anti-propagador de chamas e isolante térmico e refratários, por exemplo, no preparo da massa de cimentos para reboco e no preparo de concreto (substituindo parcialmente ou totalmente a água necessária no preparo da massa), usados na construção civil.

[0028] A presente invenção também se refere a uma solução eletrolítica alcalina para uso no processo objeto da presente invenção, com a finalidade de viabilizar o armazenamento de uma solução previamente preparada para uso posterior no referido processo, sendo acrescentado à mesma apenas o metal na ocasião do uso do processo, reduzindo os riscos inerentes à manipulação das substâncias corrosivas utilizadas no processo. Essa solução eletrolítica alcalina é resultado da combinação de pelo menos uma substância básica (pelo menos uma base ou pelo menos um sal ou, alternativamente, pelo menos um sal associado com pelo menos uma base ou pelo menos um composto iônico que libera íons hidroxila na presença de água), água, pelo menos um metal anfótero que reage com bases e ácidos, preferentemente o alumínio, pelo menos um ácido, sendo que o ácido participa da reação como o componente em menor proporção, que desse modo, não altera a forte alcalinidade da solução.

[0029] Num exemplo de execução a solução eletrolítica objeto da presente invenção pode ser obtida combinando 500g da base NaOH, 4.000g de água, 12g do ácido H2SO4.

[0030] Em outro exemplo de execução, não limitativo, pode ser obtido um litro (1000 ml) da solução eletrolítica objeto da presente invenção, combinando 100g de NaOH, 2g Na2CO3, 1.000 ml de H2O, e 10 ml de solução ácida de H2SO4 com densidade de 1,265 g/cm3.

[0031] Os exemplos acima não são limitativos e devem ser entendidos apenas como uma concretização particular da invenção; outros produtos e subprodutos sólidos, líquidos ou gasosos poderão ser obtidos por meio desse método de hidrólise alcalina, através de outras possíveis fórmulas, que resulta das combinações químicas entre pelo menos uma substância básica (pelo menos uma base ou pelo menos um sal básico ou, alternativamente, pelo menos um sal associado com pelo menos uma base ou pelo menos um composto iônico que libera íons hidroxila na presença de água), água, pelo menos um metal e pelo menos um ácido.

[0032] Cada um dos elementos descritos acima, ou mais de um, em conjunto, podem encontrar uma nova aplicação útil em outros produtos e/ou processos, ou obter efeitos úteis diferentes dos descritos acima.

[0033] Outros resultados e aplicações não aqui descritas podem ser alcançados pelo processo objeto da presente invenção.

Claims (17)

1. Processo para obtenção de hidrogênio e composto iônico alcalino não corrosivo, caracterizado pelo fato de que combina, em uma reação de hidrólise alcalina, pelo menos uma substância básica, água, pelo menos um ácido, e pelo menos um metal.

2. Processo para obtenção de hidrogênio e composto iônico alcalino não corrosivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a substância básica é pelo menos uma base ou pelo menos um composto iônico que libere íons hidroxila.

3. Processo para obtenção de hidrogênio e composto iônico alcalino não corrosivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a substância básica é pelo menos um sal básico.

4. Processo para obtenção de hidrogênio e composto iônico alcalino não corrosivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a substância básica é pelo menos um sal básico associado com pelo menos uma base.

5. Processo para obtenção de hidrogênio e composto iônico alcalino não corrosivo, de acordo com as reivindicações 1, 2 e 4, caracterizado pelo fato de que pelo menos um metal é escolhido entre os metais anfóteros.

6. Processo para obtenção de hidrogênio e composto iônico alcalino não corrosivo, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3 e 4, caracterizado pelo fato de que pelo menos um metal é escolhido entre os metais anfóteros que reagem com bases, ácido e/ou sais básicos.

7. Processo para obtenção de hidrogênio e composto iônico alcalino não corrosivo, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 e 6, caracterizado pelo fato de que o metal é preferentemente o alumínio.

8. Processo para obtenção de hidrogênio e composto iônico alcalino não corrosivo, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7, caracterizado pelo fato de que o ácido participa da combinação como o componente em menor proporção na reação.

9. Solução eletrolítica alcalina para uso em processo para obtenção de hidrogênio e composto iônico alcalino não corrosivo, conforme definido na reivindicação 1, para ser juntada posteriormente ao pelo menos um metal, para iniciar a reação de hidrólise, caracterizada pelo fato de ser o resultado da reação entre pelo menos uma substância básica, água, e pelo menos um ácido.

10. Solução eletrolítica alcalina, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a substância básica é pelo menos uma base ou pelo menos um composto iônico que libere íons hidroxila.

11. Solução eletrolítica alcalina, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a substância básica é pelo menos um sal básico.

12. Solução eletrolítica alcalina, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a substância básica é pelo menos um sal básico associado com pelo menos uma base.

13. Solução eletrolítica alcalina, de acordo com as reivindicações 9, 10, 11 e 12, caracterizado pelo fato de que o ácido participa da reação como o componente em menor proporção.

14. Composto iônico alcalino não corrosivo, caracterizado pelo fato de ser produzido de acordo com o processo como definido na reivindicação 1.

15. Composto iônico alcalino não corrosivo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de o composto iônico, em sua fase líquida, ser um forte antioxidante inorgânico e um forte alcalinizante (elevador de alcalinidade) não corrosivo.

16. Composto iônico alcalino não corrosivo de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de o composto iônico, no precipitado da reação de hidrólise alcalina, ser uma massa formada principalmente de hidróxidos fortemente alcalino(s), com pH acima de 12, e não corrosivo.

17. Uso do composto iônico alcalino não corrosivo, conforme definido na reivindicação 14, caracterizado pelo fato de ser em sua fase líquida, como um componente refratário, um anti-propagador de chamas e isolante térmico, um coagulante fortemente alcalino não corrosivo, um neutralizador de corrosividade de substâncias ácidas, sendo possível manter a substância(s) ácida(s).