ITRM20100700A1 - Elettrodo, in particolare per la reazione di idrolisi dell acqua. - Google Patents

Description

Elettrodo, in particolare per la reazione di idrolisi dell'acqua

La presente invenzione riguarda un elettrodo, in particolare per la reazione di idrolisi dell'acqua.

L'invenzione sfrutta le consolidate conoscenze scientifiche relative alla produzione di ossidrogeno o gas di Brown.

L'ossidrogeno è una miscela di gas di idrogeno e ossigeno, tipicamente nella proporzione atomica di 2 a 1, la stessa dell'acqua. Il processo elettrochimico che consente di produrre questa miscela di gas è l'elettrolisi. Una volta innescata la miscela (l'energia minima necessaria per accendere una tale miscela con una scintilla è di circa 0,02 mJ) essa produce una "fiamma" che ha caratteristiche tali da poter essere utilizzata in diversi campi:

- saldatura di diversi tipi metalli,

- fusione di diversi tipi di metalli,

- lucidatura di plastiche e metalli,

- trattamento antiossidante per ferro.

Inoltre, 1'ossidrogeno può essere utilizzato come combustibile per le celle a combustione.

Com'è ben noto e giàdetto in precedenza, quindi, la tecnica nota per la produzione di ossidrogeno fa riferimento all'elletrolisi. Il funzionamento tipico del processo di elettrolisi è il seguente: il passaggio di corrente elettrica causa la decomposizione dell'acqua in ossigeno ed idrogeno gassosi.

La cella elettrolitica è in genere composta da due elettrodi di un metallo inerte, ad esempio platino, immersi in una soluzione elettrolitica e connessi ad una sorgente di corrente, in genere una batteria da 6volt. La corrente elettrica dissocia la molecola d'acqua negli ioni H30<+>e 0H<~>.

Nelle celle elettrolitiche, al catodo gli ioni idrogeno acquistano elettroni in una reazione di riduzione che porta alla formazione di idrogeno gassoso, secondo lo schema di reazione:

mentre all'anodo, gli ioni idrossido subiscono ossidazione e cedono elettroni, secondo lo schema:

Il bilancio complessivo della cella è quindi il seguente:

ovvero nella reazione di idrolisi si formerà un volume di idrogeno doppio del volume di ossigeno.

Un tipico esempio di apparato per l'elettrolisi dell'acqua è rappresentato dal voltmetro di Hofmann, che consiste di 3 cilindri verticali uniti, solitamente in vetro. Il cilindro centrale è aperto in cima per permettere l'aggiunta di una soluzione elettrolitica costituita da acqua e da un composto ionico, per migliorarne la conduttività, ad esempio piccole quantità di acido solforico. Un elettrodo in platino viene messo sul fondo di ognuno dei cilindri esterni, connesso con i terminali positivi e negativi di una sorgente elettrica.

La corrente necessaria per l'idrolisi proviene quindi da un alimentatore e riesce a fluire nei due cilindri grazie al liquido presente nel voltmetro di Hoffman (soluzione elettrolitica). Come conseguenza del passaggio di corrente, si nota un fenomeno di effervescenza, cioè il formarsi di bolle di gas alla base dei due cilindri, in corrispondenza degli elettrodi. L'acqua si scinde nei due gas costituenti, idrogeno ed ossigeno. L'idrogeno appare dal catodo (l'elettrodo caricato negativamente da cui gli elettroni vengono immessi nell'acqua), mentre dall'anodo (l'elettrodo caricato positivamente, in cui vengono assorbiti gli elettroni provenienti dall'acqua) si sviluppa ossigeno. Essendo leggeri, i gas si accumulano nella parte superiore dei rispettivi cilindri. All'aumentare dell'energia potenziale (agendo sulla manopola dell'alimentatore) si nota un corrispondente aumento della quantità di gas sviluppati. In condizioni ideali, si può notare che la quantità di idrogeno è approssimativamente doppia di quella dell'ossigeno, poiché il livello del liquido nei cilindri si abbassa a causa della pressione del gas contenuto nella parte superiore. Ricombinando i due gas per mezzo di un miscelatore si ottiene il gas di Brown o ossidrogeno.

Tuttavia, nei sistemi di questo tipo, gli elettrodi sono generalmente costituiti con materiali molto costosi, in particolare platino (materiale raro e molto costoso). Elettrodi composti da materiale diverso dal platino sono invece soggetti ad una rapida ossidazione, che ne diminuisce velocemente la resa.

Alla luce di quanto sopra, appare evidente la necessità di poter disporre di un materiale che possa sostituire gli elettrodi in platino con elettrodi che, opportunamente trattati, garantiscono le stesse proprietà antiossidanti e migliorano la resa energetica del processo.

In questo contesto viene ad inserirsi la soluzione secondo la presente invenzione, che si propone di fornire elettrodi ottenibili mediante due trattamenti principali:

- zincatura degli elettrodi, e

- rivestimento degli elettrodi con uno strato di rivestimento acido.

Questi accorgimenti consentono di prolungare la vita degli elettrodi, evitandone l'ossidazione e quindi la perdita di efficienza.

Scopo della presente invenzione è quindi quello di realizzare elettrodi che permettano di superare i limiti delle soluzioni secondo la tecnologia nota e di ottenere i risultati tecnici precedentemente descritti.

Ulteriore scopo dell'invenzione è che detti elettrodi possano essere realizzati con costi sostanzialmente contenuti, sia per quanto riguarda i costi di produzione che per quanto concerne i costi di gestione.

Non ultimo scopo dell'invenzione è quello di realizzare elettrodi che siano sostanzialmente semplici, sicuri ed affidabili.

Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un elettrodo per la reazione di idrolisi dell'acqua, costituito da un metallo zincato e rivestito con una soluzione comprendente acido acetico puro anidro.

Preferibilmente, secondo l'invenzione, detto metallo è scelto tra le leghe di acciaio austenitico con cromo, nickel e molibdeno, e più preferibilmente tra le leghe 316L 317L UR2205.

Inoltre, sempre secondo l'invenzione, detta zincatura è arricchita con nichel.

Infine, secondo l'invenzione, detto rivestimento è ottenuto con una soluzione di due acidi, di cui almeno uno è acido acetico (CH3COOH) puro, anidro, comunemente noto come acido acetico glaciale, e l'altro è un acido puro al 96%.

Risulta evidente l'efficacia del dispositivo della presente invenzione, che consente di ottenere elettrodi di costo limitato rispetto agli elettrodi in platino utilizzati secondo la tecnica nota.

L'invenzione può essere applicata in tutte le apparecchiature che utilizzano il processo elettrolitico per produrre idrogeno ed ossigeno gassosi. Alcune applicazioni tipiche sono riportate nel seguito a titolo esemplificativo.

Fiamma ossidrica ad acqua - Una "fiamma ossidrica ad acqua" è una fiamma all 'ossidrogeno che viene alimentata con ossigeno e idrogeno ottenuti sul momento da elettrolisi dell'acqua, evitando la necessità di bombole contenenti ossigeno e idrogeno. Le fiamme ossidriche ad acqua devono essere progettate per mitigare il ritorno di fiamma rendendo la camera elettrolitica sufficientemente resistente. L'uso di un apparato a bolle in acqua intermedio rende gli effetti del ritorno di fiamma irrisori, mentre uno strumento simile a secco non sarebbe efficace a causa della velocità della fiamma. L'apparato a bolle viene collegato direttamente in serie all'uscita del gas e cattura efficacemente qualsiasi elettrolita in esso. Elettroliti adatti includono l'idrossido di sodio, l'idrossido di potassio e altri sali che si ionizzano facilmente. Inoltre, "il sistema elettrolizzatore deve avere una pressione sufficientemente alta per mantenere la velocità del gas all'ugello superiore alla velocità di combustione della fiamma, o ci sarà un ritorno della stessa".

Arricchimento del carburante - l'idrogeno migliora il modo in cui bruciano i carburanti e la pendenza delle capacità di combustione nei motori endotermici. I sistemi di miglioramento del carburante sono progettati per "alimentare il motore direttamente con idrogeno e ossigeno senza immagazzinamento intermedio". Per applicazioni sul Diesel; "quando l'aria arricchita di idrogeno viene compressa, viene immesso il gasolio con un risultante miglioramento nell'efficienza del carburante e una sua combustione massimizzata". Il miglioramento del carburante ha il potenziale di ridurre sostanzialmente le emissioni inquinanti dei motori a combustione interna; una ricerca del 2004 concluse che "le emissioni di idrocarburi e anche quelle di NOx si possono ridurre quasi a zero". Una riduzione del 50% del consumo di benzina, nel minimo dei giri, è stata riportata analizzando numericamente "l'effetto della benzina arricchita di idrogeno sulle performance, sulle emissioni e sul consumo di carburante di un piccolo motore a ciclo Otto". Quando il gas di Brown brucia produce acqua, ottenendo un raffreddamento delle camere di combustione dei motori, provvedendo efficacemente a maggiori rapporti di compressione. "L'aggiunta di idrogeno può garantire un andamento regolare" del motore "con molti vantaggi in termine di livello di emissioni e riduzione dei consumi". Il miglioramento del carburante con l'idrogeno può essere ottimizzato implementando i concetti della "combustione magra" (che usa una miscela con molta più aria del consueto) o modificando appropriatamente il rapporto tra aria e carburante per ottenere un effettivo aumento nel chilometraggio. "Complessivamente, gli aumenti nell'efficienza dei motori sono di più dei consumi energetici richiesti per la generazione dell'idrogeno, ottenendo un miglioramento nell'efficienza economica del sistema completo". Questo è supportato da analisi computazionali che "hanno confermato la possibilità di poter operare con una grande sovrabbondanza di aria (miscele magre o ultra-magre) senza calo di prestazioni, ma con molti vantaggi sulle emissioni di inquinanti e sul consumo di carburante".

Riscaldamento - Sang Nam Kim ha brevettato "un apparato per la generazione energetica che utilizza la combustione ciclica del gas di Brown nel quale un'unità di generazione del calore si scalda a una temperatura di 1000°C".

L'invenzione verrà descritta nel seguito a titolo illustrativo, ma non limitativo, con particolare riferimento ad alcuni esempi illustrativi.

Esempio 1. Zincatura del metallo con cui è realizzato 1'elettrodo

Uno dei processi indicati in precedenza è quello della zincatura.

È il processo con cui viene applicato un rivestimento di zinco su un manufatto metallico (nel nostro caso l'elettrodo) generalmente di acciaio, per proteggerlo dalla corrosione galvanica: esso infatti limita la formazione di micro-celle elettrolitiche ad azione anodica nei bordi di grano.

Lo zinco ha un potenziale più elettronegativo (meno nobile) dell'acciaio, quindi, in caso di rotture o porosità del film protettivo, esso stesso diventa l'anodo sacrificale nella corrosione elettrolitica e si consuma se c'è chiusura delle linee di campo.

Il processo di zincatura può avvenire secondo diverse metodologie, tutte equivalenti ai fini della presente invenzione:

- zincatura a caldo;

- zincatura a caldo continua;

- zincatura elettrolitica;

- zincatura a freddo;

- zincatura a spruzzo.

L'aggiunta di nichel nella fusione, in piccole e precise dosi, determina un abbassamento considerevole dell'applicato sull'acciaio trattato (salvo poi garantire comunque gli assorbimenti minimi disciplinati dalla normativa del settore).

In particolare, poi, con zincatura a caldo si intende generalmente l'immersione in zinco fuso tenuto mediamente alla temperatura di 455°C; in questa fase lo zinco, oltre a ricoprire l'acciaio, entra anche in lega con lo strato superficiale conferendo resistenza meccanica e il giusto grip al materiale trattato. Il processo può essere suddiviso nelle seguenti fasi, separate una dall'altra:

- decapaggio e sgrassaggio: ottenuti con HC1 e tensioattivi a temperatura ambiente;

- flussaggio: immersione in soluzione di ammonio cloruro e zinco cloruro;

- zincatura: immersione, previo preriscaldo a 100°C, in vasca di zinco fuso a 455°C per il tempo necessario che l'acciaio raggiunga la stessa temperatura dello zinco.

Il processo di zincatura continuo è molto similare a quello a caldo, ma viene effettuato su nastri di acciaio o su fili, permettendo di trattare in maniera continua e rapida grosse quantità di materiale. Il materiale viene srotolato, fatto passare in vasche che effettuano i cicli di preparazione dello stesso, introdotto in un forno che lo porta a una temperatura uniforme ed infine fatto passare per una vasca contenente zinco fuso. Dei cosiddetti "coltelli ad aria" rimuovono l'eccesso di zinco depositato sul materiale e permettono di creare uno strato protettivo uniforme. Il materiale viene successivamente raffreddato e riavvolto in bobine (per il filo) o coils (per il nastro). La continuità del processo viene ottenuta saldando la coda di un nastro alla testa di quello successivo.

Nel procedimento di zincatura elettrolitica, come in precedenza, innanzitutto il materiale da trattare viene adeguatamente preparato (pre-sgrassato, decapato e sgrassato). Subito dopo (e da qui il processo si differenzia di molto dai due precedenti) il materiale è immerso in una soluzione contenente sali di zinco. Viene infine creato un passaggio di corrente tra il pezzo e la soluzione, che fa depositare lo zinco metallico sulla superficie del pezzo stesso.

La zincatura a freddo, invece, non è una zincatura nel senso stretto del termine. Mentre per le sopracitate zincature si ottiene uno strato di zinco metallico, che con le dovute cautele, si può considerare puro, questa tecnica è più assimilabile a una verniciatura. Infatti si parla di vernice a base di resine sintetiche e zinco metallico, in cui la resina fa la parte del legante, mantenuto fluido fino all'applicazione da solventi in genere alifatici. La zincatura a freddo viene applicata come una normale vernice di fondo, con il potere antiossidante sempre legato all'azione galvanica dello zinco. La preparazione del supporto da zincare avviene, quindi, come per ogni normale supporto da verniciare:

- asportazione della, eventuale, calamina (tramite sabbiatura o semplice pulizia manuale);

sgrassatura del supporto (eventualmente necessaria per superfici nuove);

- spolveratura della superficie.

Essendo considerata una vernice di fondo, su di essa viene poi passata un'altra verniciatura, detta di finitura, con cui si dà anche il colore finale alla struttura .

La zincatura a spruzzo consiste nello spruzzare lo zinco fuso, finemente polverizzato, sulla superficie dell'acciaio preventivamente sabbiato a metallo bianco. La caratteristica dello zinco è quella di formare un film denso ed aderente che ha una bassissima velocità di corrosione. Lo zinco è anodico rispetto al ferro o all'acciaio di base e si corrode sacrificandosi al loro posto proteggendoli dalla ruggine quando il rivestimento viene danneggiato. Essa viene eseguita con pistole aventi un dispositivo di fusione e polverizzazione ed uno di alimentazione del filo di zinco. La fusione è assicurata da un arco elettrico oppure da una pistola a gas (meno usata) . Con tale processo si spruzzano anche fili di zinco, alluminio, rame, ottone, bronzo e fili di acciaio inossidabile. Esempio 2. Rivestimento del metallo zincato con uno strato di protezione

Una volta zincato (con uno dei processi descritti in precedenza), l'elettrodo viene trattato con una speciale vernice che aumenta la resistenza dello stesso alla corrosione galvanica. Tale vernice è costituita da una soluzione di due acidi, di cui almeno uno è acido acetico (CH3COOH) puro, anidro, comunemente noto come acido acetico glaciale, e l'altro è un acido puro al 96%.

Esempio 3. Forma preferita dell'invenzione

Materiale metallico: lamiera di tipo 316L 317L UR2205 con nichelatura; rivestito e trattato con reagente acido (grado di purezza minimo 96%) acido acetico (CH3COOH) grado reagente glaceale.

La presente invenzione è stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma è da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1) Elettrodo per la reazione di idrolisi dell'acqua, caratterizzato dal fatto di essere costituito da un metallo zincato e rivestito con una soluzione comprendente acido acetico puro anidro.
2. 2) Elettrodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto metallo è scelto tra le leghe di acciaio austenitico con cromo, nickel e molibdeno .
3. 3) Elettrodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto metallo è scelto tra le leghe 316L 317L UR2205.
4. 4) Elettrodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta zincatura è arricchita con nichel.
5. 5) Elettrodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto rivestimento è ottenuto con una soluzione di due acidi, di cui almeno uno è acido acetico (CH3COOH) puro, anidro, comunemente noto come acido acetico glaciale, e l'altro è un acido puro al 96%.