La invención se relaciona con el campo de la tecnología química más específicamente con la electrólisis del agua, y propone un método de obtención de una corriente de gases a través del paso de una corriente de aire sobre una superficie iónica, útil para su aplicación en la generación de energía.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El amoniaco modernamente es un insumo indispensable para la producción de alimentos y continuará de esa manera ya sea en fase líquida o como compuestos de nitrógeno, como los nitratos y la urea. Otro uso prospectivo es como combustible, dado que su uso en máquinas de combustión interna produciría productos inocuos como son el nitrógeno y el agua.

La obtención de nitrógeno del aire tiene una larga historia. En 1895 Ragleigh descubrió que puede obtenerse NO permitiendo el paso de aire por un arco eléctrico. En 1900 los noruegos Birkeland y Eyde desarrollaron un proceso basado en ese descubrimiento. El producto obtenido (nitrato de calcio) conocido como "norge saltpetre" fue el único esfuerzo exitoso durante un tiempo prolongado. Los esfuerzos para obtener un proceso de mayor eficiencia continuaron, y fue en 1918 que se concede el premio Novel de Química a Fritz Haber por el descubrimiento de las bases científicas para el desarrollo del proceso industrial que lleva su nombre, y en el que se han basado la mayoría de los procesos que constituyen la tecnología actual para obtención de amonio a nivel comercial. La mayoría de estos procesos, si bien obtienen el nitrógeno del aire, el hidrógeno empleado se origina en hidrocarburos o en la electrólisis del agua. Las múltiples mejoras, no han cambiado lo sustancial del descubrimiento de Haber para producción de amonio; que se describe brevemente como el contacto de nitrógeno del aire e hidrógeno, a la menor temperatura posible, sobre un catalizador, a elevada presión y a elevada temperatura. Los únicos procesos manejados a temperatura y presión ambientales para capturar el nitrógeno del aire, son realizados por las plantas leguminosas en forma natural. El nitrógeno se combina produciendo compuestos tales como nitratos, que se fijan directamente en el suelo o en las raíces de las plantas, y de hecho mejoran la productividad de los cultivos agrícolas.

Por esta causa la captura de nitrógeno del aire ha recibido el nombre de fijación de nitrógeno. Otros procesos reportados constituyen perfeccionamientos del proceso comentado y generalmente han partido de microorganismos sumamente especializados, en su mayor parte mejorados, por variaciones genéticas, y funcionan en ambientes cuidadosamente acondicionados. Otras invenciones en este campo se caracterizan por procedimientos que procuran la conversión de gases de hidrogeno y nitrógeno purificados, como materias primas, para obtener amonio gaseoso u otros gases nitrogenados, mediante reacción química. Todos estos procesos tienen en común el que las condiciones de operación son extremas.

Por ejemplo, Louis O ^' Haré, en la US patente N° US 4451436, "Nitrogen Fixation by Plasma and catalyst", emplea la descarga eléctrica de un electrodo, a frecuencias entre 60 y 600Hz, y voltajes entre 6 y 10 kilovoltios para hacer reaccionar en estado de plasma, moléculas y átomos de nitrógeno e hidrógeno sobre un catalizador. Para evitar la recombinación de los productos se vale de los efectos de la radiación ultravioleta. Así mismo la Patente US 4482525, por Hao-Lin Chen, titulada "Nitrogen Fixation Apparatus, utiliza un arco eléctrico y fija el nitrógeno del aire mediante una cámara especialmente diseñada para lograr una relación apropiada de energía y presión (5 y 55 kV /atmósfera de oxígeno/cm) a la temperatura de 3000 °K con la finalidad de obtener tanto nitrógeno como oxígeno en un estado vibratorio excitado para obtener finalmente óxido nitroso.

La patente US 781 1442, "Method and Apparatus for Anhidrous Ammonia Production", por John H. Holbrook y Jason K. Handley, publicada en Octubre de 201 1 , utiliza un electrolito acuoso, en fase vapor, generador de protones, con perovskita y dopante a una temperatura entre 400 °C y 800 °C y a presión entre 10 y 300 atmósferas. Los dopantes son metales alcalino férreos y otros tales como La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Se, Y, Lu, B, Al, Ga, In, Sb, Bi, Cr, Fe, Ru, Os, Co, Rh; y el electrocatalizador empleado son óxidos, sulfuros y aleaciones de Pt, Pd, Ni, Co, Cu, Ag, W, Os, Ru, Rh, Ir, Cr, Fe, Mo, V, Re, Mn, Nb, Ta.

Por otra parte, las tecnologías que llevan a la producción de hidrógeno puro, por electrólisis, a partir de agua, con electrolito alcalino, son bien conocidas. Se han concedido gran cantidad de patentes en los últimos años que corresponden a mejoras de los componentes de la celda electroquímica básica, especialmente mejores materiales . de electrodos y, fundamentalmente, a mejoras en membranas permeables y reactores de membrana.

Sin embargo, la obtención de hidrógeno procede actualmente de tal manera que se produce agresión al medio ambiente, de diferente naturaleza y a diferentes niveles de gravedad.

Por otra parte, están en operación en la industria dos tipos de celdas, las celdas de oxidación de estado sólido y las celdas alcalinas. En esta últimas se utiliza concentraciones de hidróxido de sodio o de potasio alrededor entre 3N y 5 N y temperaturas entre 70°C y 90°C. Las celdas manejan voltajes entre 1 a 2.2 voltios (eficiencias entre el 68% y el 80%) y corrientes del orden de 150 mA/cm ² de electrodo. Es deseable no trabajar sobre el potencial termo neutral porque arriba de este valor se produce ineficiencia debido a que la celda emite energía que se desperdicia. Los valores de voltaje e intensidad de corriente en la celda de esta invención se encuentran cercanos a los valores de potencial reversible para la reacción de disociación del agua en hidrógeno y oxígeno, más aún cuando se aproximan los electrodos, dejando una distancia muy pequeña entre ambos. En el electrolito alcalino, con concentración de hidróxido de sodio o potasio entre 1 y 1.5 N se producen iones que llegan hasta la superficie. Si no se aisla la superficie del fluido del agua no se aprecia mayor disminución del volumen del fluido, cuando transcurre el tiempo. Además no se aprecia una combinación de los iones en fase acuosa.

Si se impide la presencia de aire es posible recolectar hidrógeno del cátodo, sobre la superficie del fluido, de diferentes maneras. Una manera empleada en esta invención es mediante espumas, aprovechando la capacidad de saponificación de los hidróxidos alcalinos.

Todos los procesos industriales, actualmente en uso, para obtener amonio, se realizan a presión elevada (alrededor de 400 atmósferas) y temperatura elevada (alrededor de 260 ⁰ C). Su fundamento técnico- científico proviene del proceso Haber-Bosch, del siglo diecinueve. Las condiciones de operación de los procesos basados en el descubrimiento de Haber, requieren para su implementación de una infraestructura costosa debido a los materiales de los recipientes y tuberías. Los sistemas de control de las operaciones son sofisticados y tanto el transporte de las materias primas como su contacto, son cuidadosamente realizadas debido a los riesgos inherentes.

Por otra parte, en los procesos actualmente en uso, la provisión de hidrógeno generalmente conlleva una tecnología complicada para extraerlo de las materias primas de origen sean estas hidrocarburos, carbón o desechos de otros procesos, esto simplemente produce un traslado del problema de contaminación ambiental de la planta de producción de amoniaco a la planta de generación de hidrógeno. Todo esto a un considerable costo de energía.

DIVULGACIÓN DE LA INVENCIÓN

Esta invención provee un conocimiento que permite la provisión segura y económica de hidrógeno y otros gases a presión ambiental y bajas temperaturas, en medio iónico y de preferencia in situ.

El proceso de esta invención da como resultado la producción de amonio a presión ambiental y a temperatura inferior a la temperatura de ebullición del agua.

Por el contrario a lo reportado hasta el momento en el arte, en la presente invención debido a las condiciones de operación, no se requiere de un equipamiento costoso e inclusive puede fabricarse el amoniaco un situ según se requiera. La invención se fundamenta en la propiedad de la dopamina de incrementar en las soluciones acuosas, la movilidad de los iones y el número de transferencia, especialmente en la superficie de una solución iónica.

De esta manera, se explica la producción de hidrógeno en un medio acuoso alcalino, que procede al insuflar aire sobre la superficie, de un medio acuoso que contiene dopamina e iones. Las moléculas de nitrógeno y vapor de agua se excitan para posibilitar la reacción que da como resultado amonio gaseoso. La eficiencia se mejora al producir un incremento en la ionización mediante electrólisis de la solución acuosa, llevada a cabo en una celda electroquímica.

El electrolito está compuesto por una solución acuosa que contiene dopamina y un soporte electrolítico alcalino que incrementa la conductividad de la solución en concentraciones comparativamente bajas.

La obtención de hidrógeno gaseoso, no combinado, a baja temperatura y presión ambiental, procede, en otros casos, tanto en una celda electroquímica estándar como en agua y dopamina, más un electrolito soporte alcalino.

La obtención de otros gases se consigue, en esta invención por descomposición de sales apropiadas, agregadas a la solución acuosa de electrolito o por contacto directo de compuestos gaseosos en la superficie iónica.

Durante la producción de los gases no se produce una elevación significativa de la temperatura de reacción.

El invento faculta la producción y uso de hidrógeno ya sea como amoniaco o puro in situ; lo que hace posibles múltiples aplicaciones, siendo la más relevante, en la actualidad, la relacionada con proveer de un combustible alternativo.

En esta invención la materia prima más significativa en términos de cantidad es el agua, que no se consume en cantidades significativas durante la operación del proceso, le siguen, en estos mismos términos de costo, la provisión de la dopamina ya sea de origen natural o sintético y el electrolito soporte alcalino. Si se decide por manejar el proceso mediante energía eléctrica, en celdas electroquímicas, para mayor eficiencia, puede satisfacerse el requerimiento a partir de energía solar, puesto que la demanda es razonablemente accesible a las tecnologías disponibles para la provisión de energía de esa manera.

Adicionalmente, de acuerdo con la presente invención es posible obtener amoniaco e hidrógeno, o mezclas de estos gases, de una solución alcalina que contiene dopamina elevando la concentración de iones en la superficie deí fluido, por cualquier medio inclusive elevando la tensión superficial del líquido, elevando ligeramente la temperatura y retirando los gases producidos ya sea impidiendo o permitiendo la presencia de aire según sea el caso. El electrolito alcalino de la manera descrita en el párrafo anterior puede ser atrapado en una matriz alcalina que contiene compuestos higroscópicos y aleaciones de metales, óxidos, hidróxidos o resinas facilitando la aplicación económica de esta tecnología.

La obtención de los gases indicados se realiza a la presión ambiental. Según los materiales de los electrodos se produce un incremento de temperatura inferior a la temperatura de ebullición del agua pura, de manera natural o suministrando energía térmica.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

De acuerdo con lo anterior un objeto de la presente invención es un procedimiento para la obtención de una corriente gaseosa que contiene amonio, hidrógeno e hidrocarburos en donde se pone en contacto una corriente de aire húmedo sobre la superficie de una capa sólida catalítica y una superficie acuosa iónica provocada por dos electrodos metálicos energizados con corriente eléctrica. Estos electrodos pueden ser monopolares, bipolares, porosos o granulares de aleaciones de metales seleccionados de hierro, níquel, cobre, carbón, níquel, zinc, estaño, magnesio, aluminio, titanio, oro y plata, siendo el arreglo de electrodos preferido el de acero como ánodo y cobre como cátodo.

La corriente de aire húmedo pasa inicialmente a través de una barrera semipermeable que contiene ilmenita, sobre la cual reacciona, para posteriormente reaccionar con la superficie iónica acuosa formada por un electrolito que contiene dopamina entre 0.5 - 15% en peso de la solución acuosa, en donde la dopamina puede ser extraída del jugo de la planta del banano o también puede usarse clorhidrato de dopamina.

El electrolito contiene además hidróxido de sodio, potasio y/o 1 ,2 dihidroxi benceno como electrolito soporte entre 1 N y 2N; una sal disociable que puede seleccionarse entre tungstato de sodio (Na ₂ W0 ₄ .2H ₂ 0), molibdato de sodio (Na ₂ Mo0 ₄ .2H ₂ 0), y/u óxido o hidróxidos insolubles en agua, de metales tales como hierro, níquel, bario, calcio y magnesio. Opcionalmente se provee una fuente de energía térmica para lograr los valores de temperatura deseados. Los valores de temperatura pueden oscilar entre 12-80 °C a una presión ambiental o a vacío.

Un objeto de la presente invención es la obtención de gases como hidrógeno, hidrocarburos y amonio, preferiblemente amonio e hidrógeno, mediante el procedimiento anteriormente descrito.

Otro objeto de la presente invención cosiste el procedimiento para la obtención de amonio, hidrógeno e hidrocarburos con las condiciones anteriores con la alternativa de usar nitrógeno puro, vapor de agua u otro gas en lugar de aire.

Otro objeto de la presente invención es un procedimiento para la obtención de una corriente de gases que contiene amonio, hidrógeno e hidrocarburos en donde el electrolito utilizado es una sal halógena de los elementos de la primera columna de la tabla periódica de elementos pero a más de nitrógeno e hidrógeno se producen otros gases puros mezclados o puros. Otra particularidad de la presente invención es que se recupera hidrógeno como un gas en una espuma formada por sustancias tensoactivas.

Otro objeto de la presente invención se relaciona con el equipo para la obtención de una corriente gaseosa que contiene amonio, hidrógeno e hidrocarburos que consiste en un tubo cilindrico (1 ) que se encuentra ubicado horizontalmente, que contiene dos aberturas (2) y (3) opuestas de menor diámetro, un ánodo de alambre (4) que se encuentra conectado, mediante un alambre conductor, al polo positivo de la fuente de poder, un cátodo (5), constituido por un enrollado, alrededor del ánodo, conectado al polo negativo de la fuente de poder, ambos sumergidos en el electrolito fluido depositado en el fondo del tubo y cubriendo los electrodos y una barrera de cerámica porosa (6) próxima a la abertura (2).

De acuerdo con el procedimiento de la invención, pasa una corriente de aire húmedo o un gas a través de la abertura (2) atravesando la barrera (6) en donde reacciona el aire húmedo con la ilmenita que recubre internamente la superficie cerámica produciendo amoniaco, que pasa por la superficie activa provocada por los iones producidos por el ánodo (4) y el cátodo (5) formándose una nube de vapor ionizado que regresa a reaccionar sobre la barrera con el nitrógeno del aire, formándose gases que son arrastrados hacia la abertura (3) en donde son recolectados.

El tubo cilindrico (1 ) que se encuentra recubierto internamente por una capa de catalizador metálico.

El voltaje empleado de acuerdo con el procedimiento de la presente invención, está entre 0,5 y 6 voltios /cm ² de cátodo.

La posibilidad de generación de hidrógeno puro o amoniaco in situ, a nivel de uso práctico, por ejemplo en automotores, no es solamente un gran ahorro comparativo, en si mismo por las condiciones comparativas favorables presentadas en este invento para la generación de estos gases, sino que al producirse en el lugar y cantidad requeridos no es necesario la comprensión de estos gases, ni su almacenamiento.

Dado que la crisis energética, de estos días, eleva los costos de producción y provoca entre otras graves consecuencias el desempleo, lo que obliga a acciones no deseables de los gobiernos hegemónicos a nivel mundial, para lograr el dominio de recursos que son de naturaleza estratégica; esta invención a más de colaborar a mejorar las técnicas de procesamiento en variadas industrias vigentes y a implementar nuevas tecnologías, su aplicación generalizada redundaría en menor perjuicio de las acciones humanas sobre el ambiente del planeta y aportaría a la paz mundial. Los siguientes ejemplos sirven para ilustrar la presente invención de manera más detallada, pero no limitan el alcance de la misma.

EJEMPLOS

Los experimentos se realizaron por tandas (batch) y de manera continua.

Ejemplo-! - Obtención de Amonio, hidrogeno e hidrocarburos.

Se ensayó en una celda electroquímica semi continua, a condiciones ambientales de presión y temperatura, que constó de las siguientes partes:

1. Una fuente de poder con voltaje e intensidad de corriente regulables.

2. Un tubo cilindrico de vidrio de 96 mm de diámetro, de 220 mm de longitud ubicado horizontalmente, con dos aberturas opuestas de menor diámetro.

3. Un ánodo, constituido por un alambre de aleación acero inoxidable, AISI 316, de 3 mm de diámetro, longitud 250 mm (área sumergida de 2000 mm ² ) que se encuentra conectado, mediante un alambre conductor, al polo positivo de la fuente de poder. El metal fue tratado previamente con ácido nítrico concentrado para pasivar al metal

4. Un cátodo, constituido por un enrollado, alrededor del ánodo, construido de alambre sólido de aleación de cobre, de 2 mm, en espiras de 1cm de diámetro, conectado mediante un alambre conductor,( área sumergida 6000mm ² ) al polo negativo de la fuente de poder

5. Un volumen de 150 cm ³ de electrolito fluido constituido por una mezcla acuosa de hidróxido de sodio 1 N y 10 cm ³ de exprimido de la planta de banano (área de la superficie de fluido 2000 mm ² ), depositada en el fondo del recipiente y cubriendo los electrodos.

6. Un tubo plástico de 5 mm. de diámetro, a través del cual se insufló 100 cm3/seg. de aire húmedo, atravesando una cerámica porosa, sobre la superficie del electrolito. Humedad relativa del 30%.

7. Una superficie porosa de cerámica porosa impregnada de ilmenita ( Ti- Fe) de 6000 mm ² de área transversal, expuesta al aire.

8. Corriente directa ( 3V y 3 A).

9. Un tubo plástico para permitir la salida de los productos de la reacción.

Durante la experimentación se observó que una niebla constituida por vapor de agua ionizada se dirige en dirección opuesta al flujo de aire hacia la superficie cerámica. Se detectaron en la corriente de salida de la celda electroquímica semicontinua, por pruebas analíticas cuantitativas diferentes concentraciones de amonio, hidrógeno, oxigeno y nitrógeno. Un ensayo cualitativo rápido sobre la corriente de salida de la celda electroquímica, introduciendo en la misma un papel empapado con ácido clorhídrico permite detectar nubes blancas de cloruro de amonio.

Ejemplo 2

Las condiciones de reacción del ejemplo 1 fueron repetidas excepto porque número de gotas de exprimido de planta de banano fueron de 15, 20 y 25 cm ³ Ejemplo 3

Las condiciones de reacción del ejemplo 1 fueron repetidas excepto porque se agrego clorhidrato de dopamina en lugar de extracto de jugo del banano. Se agregaron en experimentos sucesivos con 5, 50, 1 00 y 1 50 mg de solución de clorhidrato de dopamina, contenida en ampollas. Cada ampolla de 5 cm ³ contiene 200 mg de dopamina. Ejemplo 4

Las condiciones del ejemplo 2 fueron repetidas excepto porque el cátodo de cobre fue reemplazado por cátodos de aleaciones de Zn, Mg, Ti, aleación de Wood, diversos aceros, bronces y aleaciones de aluminio.

Ejemplo 5

Las mismas condiciones de la celda electroquímicas del Ejemplo 1 excepto porque el cátodo fue construido de carbono, lo que produjo la incorporación al electrolito de partículas muy finas de carbón que produjeron en la corriente de salida mezclas de gases combustibles.

Ejemplo 6

Las mismas condiciones de la celda electroquímica del ejemplo 1 en donde además se añade al electrolito el fosfato de calcio Ca ₃ (P04) ₂ e hidróxido de níquel Ni(OH) ₂ .

Ejemplo 7- Procedimiento para la obtención de Hidrógeno

Una celda electroquímica batch constituida por: . Una fuente de poder con voltaje e intensidad de corriente regulables.

2. Un tubo cilindrico de vidrio de 96 mm de diámetro, de 220 mm de longitud ubicado verticalmente, con dos aberturas paralelas de menor diámetro.

3. Un ánodo, constituido por un alambre de aleación acero inoxidable, AISI 316, de 3 mm de diámetro, longitud 250 mm (área sumergida de 2000 mm ² ) que se encuentra conectado, mediante un alambre conductor, al polo positivo de la fuente de poder. El metal fue tratado previamente con ácido nítrico concentrado para pasivar al metal

4. Un cátodo, constituido por un enrollado de alambre sólido de aleación de cobre, de 2 mm, en espiras de 1 cm de diámetro, conectado mediante un alambre conductor,( área sumergida 6000mm ² ) al polo negativo de la fuente de poder

5. Un volumen de 300 cm ³ de electrolito fluido constituido por una mezcla acuosa de hidróxido de sodio 1 N y 10 cm ³ de exprimido de la planta de banano, cubriendo los electrodos.

6. Una barrera porosa que separa a los dos electrodos, de manera que su separación fue de 4 mm. 7. Corriente directa (3V y 3 ^a )

Por la abertura del cátodo se recolectó hidrógeno y por la abertura del ánodo se recolecto oxígeno, vaciando previamente el aire del tubo cilindrico.

Ejemplo 8

Las condiciones de reacción del ejemplo 6 fueron repetidas excepto porque el número de gotas de exprimido de planta de banano fueron de 15, 20 y 25 cm3.

Ejemplo 9

Las condiciones de reacción del ejemplo 7 fueron repetidas excepto porque se agrego clorhidrato de dopamina en lugar de dopamina contenida en el extracto del jugo del banano. Se agregaron en experimentos sucesivos 5, 50, 100 y 150 mg de solución de clorhidrato de dopamina, contenida en ampollas. Cada ampolla de 5 cm ³ contiene 200 mg de dopamina.

Ejemplo 10

Las condiciones del ejemplo 6 fueron repetidas excepto porque el cátodo de cobre fue reemplazado por cátodos de aleaciones de Zn, Mg, Ti, aleación de Wood, diversos aceros, bronces y aleaciones de aluminio.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA FIGURAS Figura 1 - Equipo para la obtención de una corriente gaseosa que cosiste en un cilindrico (1 ) que ubicado horizontalmente, que contiene dos aberturas (2) y (3) opuestas de menor diámetro, un ánodo de alambre (4) que se encuentra conectado, mediante un alambre conductor, al polo positivo de la fuente de poder, un cátodo (5), constituido por un enrollado, alrededor del ánodo, conectado al polo negativo de la fuente de poder, y una barrera de cerámica porosa (6).