PLASMA ELETTROLITICO Nuovi Materiali

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1 PLASMA ELETTROLITICO Le sperimentazioni finora eseguite hanno mostrato che è possibile eseguire la trasformazione di energia elettrica in calore ottenendo rapporti energetici, o meglio, coefficienti di prestazione (COP), superiori a quelli tipici dei normali riscaldatori ad effetto Joule. A livello mondiale, la ricerca in questo campo è cominciata da pochi anni e ancora molto c è da sviluppare e da analizzare, tuttavia, i risultati finora raggiunti risultano estremamente promettenti e incoraggianti. Tesi di Laurea sperimentale nei laboratori PROMETE: Realizzazione Sperimentale e Caratterizzazione Calorimetrica di un Plasma a Confinamento Elettrolitico Tesi di Laurea in Ingegneria Meccanica presso l Università degli Studi di Napoli Federico II, Anno Accademico 2005/2006: Relatore Prof. Giuseppe Giudice, Candidato Domenico Cirillo. Nuovi Materiali Il plasma elettrolitico ha capacità di sintesi e capacità di pirolisi. Le possibili ricombinazioni dei composti chimici scissi nei loro costituenti dall energica attività di questo tipo di plasmi lascia ancora ampio spazio a possibili scoperte in merito alla sintesi di nuovi composti chimici o al reforming di composti chimici esausti. In ricerche riguardanti celle con elettrodi di tungsteno e soluzione di potassio carbonato (Iorio Cirillo, 2004) si sono riscontrate, fra i materiali depositati al catodo, nuove strutture di potassio, tungsteno, ossigeno e carbonio dall aspetto strutturalmente simile ai nanotubi e dalle potenzialità ancora da esplorare.

2 Trattamento acque reflue Un altra applicazione di questa tecnologia può essere il trattamento delle acque reflue. Definita come una degradazione ionica dei materiali organici in assenza di ossigeno. Esso è una sorta di processo termico che trasforma le sostanze organiche pericolose in composti gassosi e residui carboniosi più elementari. Sotto raffreddamento la componente gassosa condensa, lasciando un residuo oleoso riutilizzabile (tar). In stato di plasma elettrolitico si opera con acque a temperature generalmente moderate (temperatura ambiente). I prodotti gassosi sono costituiti da CO, H2, CH4 e altri idrocarburi di basso peso molecolare. I principali meccanismi che ricorrono nel sistema al plasma sono la distruzione e la rimozione dei contaminanti. Il primo si osserva quando le molecole organiche si scindono in composti a peso molecolare più basso. Il secondo si verifica quando gli inquinanti sono desorbiti dai sistemi di filtraggio, lasciando il sistema senza essere distrutti o fluendo verso l ambiente esterno in forma gassosa. Il primo stadio del processo di trattamento consiste nella defluizione forzata delle reflue contaminate, e nella successiva eliminazione del materiale solido inquinante in sospensione operata dal plasma. Il sistema può prevedere uno stadio aggiuntivo di desorbimento e raccolta. Diversamente, i gas così prodotti sono inviati al sistema di trattamento o al recupero, mentre la matrice risultante passa al processo di raccolta e stoccaggio. Il processo si può applicare ai seguenti composti: Alogenati volatili, Alogenati semivolatili, Non-alogenati volatili, Non-alogenati semivolatili, PCB, Pesticidi, Diossine furani, Cianuri organici Le caratteristiche termiche e fisiche dei plasmi innescabili in ambiente elettrolitico consentono di rompere e riassemblare le seguenti classi di inquinanti: Classe di inquinanti Alogenati volatili Alogenati semivolatili Non-alogenati volatili Non-alogenati semivolatili Composti organici PCBs Pesticidi Diossine-Furani Cianuri organici Organici corrosivi Metalli volatili Metalli non volatili Amianto Composti inorganici Materiali radioattivi Inorganici corrosivi Cianuri inorganici Ossidanti Contaminanti reattivi Riducenti

3 Generazione super-efficiente di Idrogeno da termolisi dell acqua al plasma elettrolitico Questo procedimento impiega l innesco di un plasma a pressione atmosferica per rompere termicamente la molecola dell acqua e generare idrogeno e ossigeno nella stessa maniera di un normale processo di termolisi tradizionale; tale processo però non viene realizzato in impianti di tipo tradizionale, ma in una cella elettrolitica molto simile ad un elettrolizzatore tradizionale. In questa tipologia di celle, rispettando opportune configurazioni riguardanti geometrie, composizione degli elettrodi e della soluzione elettrolitica, si innesca un plasma al catodo che è l artefice principale del processo di termolizzazione delle molecole d acqua. Il grande vantaggio insito in questo processo è che la quantità di idrogeno che si ottiene, a fronte di una stessa energia di ingresso, è superiore di molti ordini di grandezza rispetto a tutti gli altri processi precedentemente elencati. I primi resoconti sperimentali relativi a questo genere di evidenze furono presentati dal prof.mizuno, dell università di Hokkaido, Giappone, nel Attraverso tali preliminari esperienze egli dimostrò come, alimentando un dispositivo equivalente a una normale cella elettrolitica in cui si fosse innescato un plasma dotato di adeguate caratteristiche di pressione e di densità, fosse possibile ottenere una quantità di idrogeno al catodo molto superiore rispetto a quella ottenibile desumendola dalle leggi dell elettrochimica di Faraday. A parità di alimentazione di una medesima cella elettrolitica si aveva che l idrogeno, generato nella cella in cui veniva innescato e mantenuto un plasma dalle caratteristiche adeguate, era molto superiore (fig. 1). Fig. 1 Diagramma prodotto da Mizuno in cui è visibile la differenza fra il flusso di idrogeno atteso in base alle leggi di Faraday (linea blu) e la quantità di idrogeno misurata (linea marrone) in una cella al plasma (n.b. il plasma è innescato dall istante 5 a poco dopo l istante 8, normalizzati / 1000 sec).

4 Sulla base di tali interessanti evidenze, il nostro gruppo ha cominciato ad analizzare in maniera più specifica le variabili che interessavano questo genere di fenomeno e le dipendenze funzio-nali che, da un punto di vista strettamente sperimentale, influivano significativamente sulla resa in idrogeno. Con questa modalità di approccio i risultati ottenuti, in tre anni di test, hanno consentito di mi-gliorare grandemente la produzione termolitica dell idrogeno rispetto al corrispettivo giap-ponese. Si è trovata la giusta composizione dell elettrodo catodico e della soluzione elettrolitica in grado di esaltare più nettamente il fenomeno. Attualmente sussistono ancora notevoli margini di miglioramento, ottimizzazione e incremento del flusso di idrogeno generato che sono in via di indagine. La giustificazione fenomenologica, che consente di fornire un abbozzo di spiegazione in grado di spiegare questa apparente anomalia, risiede proprio nelle specifiche condizioni fisiche che solo un plasma può determinare. Il plasma in oggetto è composto da ioni di idrogeno leggero (ossia protoni) e, naturalmente, elettroni. Tale stato di aggregazione della materia è ottenibile, in condizioni standard, fornendo energia ad un gas attraverso il riscaldamento o facendolo oscillare tramite l applicazione di un campo elettromagnetico della giusta energia e frequenza. Tutto ciò avviene perché la ionizzazione, da un punto di vista strettamente energetico, ha un costo notevole. In una cella elettrolitica i costi energetici necessari all innesco di uno stato ionizzato, un plasma appunto, si abbattono notevolmente per diversi motivi. Innanzitutto la matrice catodica, essendo di composizione metallica è interessata da una certa emissione di elettroni che vanno a popolare il plasma. Tali elettroni, senza l ausilio delle proprietà termoemissive del metallo catodico, avrebbero avuto un costo, in termini energetici, molto superiore. I protoni (H+) invece, sono già naturalmente dissociati nella soluzione elettrolitica. La particolare configurazione geometrica della cella serve solo a sfruttare e ottimizzare questi due fenomeni nell ottenimento di un plasma. Un plasma, una volta innescato, è in grado di mantenere, all interno della regione di spazio in cui è confinato, temperature dell ordine di 5'000 K consentendo di raggiungere localmente tutte le condizioni necessarie all ottenimento della termolisi dell acqua (T > 3'400 kelvin). Zona di termolisi Fig. 2 Schema che illustra la sezione di catodo circondato plasma a diretto contatto con l acqua della soluzione. Zona di plasma da un volume di

5 Nelle condizioni di funzionamento a regime, la naturale frequenza di oscillazione del plasma, consente di ottenere un ricircolo continuo e una distruzione continua delle molecole di H2O che, rispetto ad un analogo elettrochimico, forniscono un flusso di idrogeno in uscita molto superiore. Attualmente il flusso di idrogeno misurato in questi dispositivi è circa a 4~5 volte superiore ad un corrispettivo quantitativo ottenuto tramite cella elettrolitica classica, stante le leggi di Faraday, determinando un risparmio energetico nella generazione di questo gas che apre a sua volta la strada ad un impiego dello stesso non più come un mero vettore energetico, ma come vera e propria fonte di energia primaria. Lo sviluppo dedicato di questo genere di sperimentazioni può portare allo sviluppo di una nuova generazione di impianti di produzione di idrogeno delineando una reale svolta circa l impiego tecnologico dell idrogeno stesso ai fini di sfruttamento per la produzione energetica. Bibliografia T. Mizuno, T. Ohmori, T. Akimoto and A. Takahashi Production of Heat during Plasma Electrolysis in Liquid, Jpn. J. Appl. Phys. Vol.39 (2000) R. M. Shaubach, N. J. Gernert, Anomalous Heat from Atomic Hydrogen in Contact with Potassium Carbonate, Lancaster 17601, 1994.