ES2318373T3 - Celda electrolitica para la produccion de un gas. - Google Patents

Abstract

Celda para la producción de un gas, en particular para el funcionamiento de un distribuidor de material lubricante con dos electrodos (1, 1'') para la conexión a un circuito de corriente (3) que contiene una fuente de corriente eléctrica (2) y un líquido electrolítico acuoso (4), que contiene un aziduro de la fórmula XN3 y que se encuentra entre los dos electrodos (1, 1''), para la producción electroquímica de un gas que contiene nitrógeno (N2), caracterizada porque el líquido electrolítico (4) contiene una sal de magnesio como aditivo para la fijación química de los iones de hidróxido que resultan durante la reacción electroquímica.

Description

Celda electrolítica para la producción de un gas.

El invento se refiere a una celda para la producción de un gas, en particular para el funcionamiento de un distribuidor de material lubricante, con

dos electrodos para la conexión a un circuito de corriente que contiene una fuente de corriente eléctrica y

un líquido electrolítico acuoso que contiene un aziduro de la fórmula XN_{3}, que se encuentra situado entre los dos electrodos, destinado a la producción electroquímica de un gas que contiene nitrógeno (N_{2}).

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En la práctica es conocido dosificar, mediante una celda que produce un gas, la cantidad de material lubricante que es entregada por un distribuidor de material lubricante, causando la presión generada con ayuda del gas una correspondiente salida de material lubricante desde el distribuidor. En este contexto, es conocida por ejemplo la producción de hidrógeno u oxígeno junto a los electrodos de una celda galvánica (documento de patente alemana DE 35 32 335 C2). La celda, eventualmente con un ánodo de zinc para la producción de hidrógeno o con un cátodo de dióxido de manganeso para la producción de oxígeno, puede suministrar por si misma una tensión eléctrica lo suficientemente grande como para ajustar una resistencia eléctrica regulable exterior a la corriente de electrólisis que fluye entre los electrodos. Adicionalmente, puede estar prevista también una batería, que hace posible una mejor regulación de la intensidad de corriente.

A partir del documento de publicación de patente alemana DE 692 26 770 T2 es conocida una celda de producción de un gas, en la que por electrólisis se forma nitrógeno a partir de una solución de aziduro de sodio. En el caso de la electrólisis de una solución acuosa de aziduro de sodio, la velocidad de producción de un gas disminuye rápidamente con una formación creciente de nitrógeno, puesto que los iones de hidróxido que resultan durante la reacción conducen a un fuerte aumento del valor del pH en la solución, tal como lo muestra la siguiente ecuación de reacción:

2 \ NaN_{3} + 2 \ H_{2}O \rightarrow 3N_{2} + H_{2} + 2 \ NaOH

En el caso de altos valores del pH no se realiza la formación de nitrógeno libre, y solamente se descompone el agua. Unas usuales sustancias tamponadoras, p.ej. fosfatos, son inapropiadas para la resolución de este problema, puesto que es demasiado pequeña su capacidad tamponadora.

Es posible un mejoramiento, por medio de la adición de yoduro de potasio y tiocianato de potasio, pero se trata en este caso de unas sustancias, que se comportan de una manera agresiva frente a los metales, de manera tal que se tienen que emplear correspondientemente metales nobles o electrodos de grafito.

El invento está basado en la misión de presentar una celda con las características descritas al comienzo, que se distinga por una buena velocidad de producción de un gas.

Conforme al invento, el problema planteado por esta misión se resuelve mediante el recurso de que el líquido electrolítico contiene una sal de magnesio como aditivo para la fijación química de los iones de hidróxido que resultan durante la reacción electroquímica. El invento se basa en el reconocimiento de que el hidróxido de magnesio, formado a partir de la sal de magnesio y de los iones de hidróxido, tiene solamente un muy pequeño producto de solubilidad y es retirado correspondientemente al equilibrio de reacción en el líquido electrolítico. Además, el magnesio es indiferente electroquímicamente en sus compuestos y también el gel de hidróxido que contiene agua, precipitado, no influye apreciablemente sobre el desplazamiento de los iones en el líquido electrolítico. Con ayuda de la enseñanza conforme al invento, es posible mantener constante en un estrecho intervalo el valor del pH del líquido electrolítico, también con una formación creciente de nitrógeno. Puesto que el ácido hidrazoico, formado primeramente a partir del aziduro, constituye un ácido débil y al mismo tiempo fácilmente volátil, la solución se ajusta desde el comienzo a un valor débilmente alcalino. El líquido electrolítico puede tener un valor del pH comprendido entre 8 y 10. De manera preferida el valor del pH es de 8-9,5. Mientras que el aziduro se compone convenientemente de aziduro de sodio, como sal de magnesio se utiliza preferiblemente sulfato de magnesio o perclorato de magnesio. Con el fin de garantizar una suficiente retirada de los iones de hidróxido resultantes a partir del líquido electrolítico, la sal de magnesio se añade estequiométricamente o en un exceso en relación con la cantidad del aziduro.

Al líquido electrolítico puede habérsele añadido un agente protector contra las heladas, que se compone preferentemente de etilenglicol y/o dimetilsulfóxido. De esta manera se garantiza, también a muy bajas temperaturas, un funcionamiento como es debido de la celda de gas. Con el fin de evitar una sobretensión de hidrógeno del electrodo que forma el cátodo, el líquido electrolítico puede contener sulfato de níquel como aditivo. En el caso de la enseñanza conforme al invento la oxidación directa del aziduro es posible no solamente junto a electrodos de metales nobles, sino de una manera asimismo buena, también junto a electrodos de un acero, preferiblemente de un acero de cromo y níquel, o de grafito. Alternativamente, los electrodos se pueden componer también de un material sintético con polvo de grafito embebido.

A continuación se explica el invento detalladamente con ayuda de un dibujo, que representa solamente un ejemplo de realización. Muestran esquemáticamente:

La Fig. 1 el desprendimiento de gas desde una solución pura de aziduro de sodio en función del contenido de una solución de hidróxido de sodio libre,

la Fig. 2 la constitución de una celda conforme al invento para la producción de un gas;

la Fig. 3 la influencia del níquel sobre la tensión de la celda y

la Fig. 4 la tensión de la celda en función de la corriente eléctrica de la celda a diferentes temperaturas.

En la Fig. 1 se representa un diagrama, que representa el desprendimiento de un gas a partir de una solución pura de aziduro de sodio de acuerdo con el estado de la técnica, en función del contenido de una solución de hidróxido de sodio libre. La solución de hidróxido de sodio que resulta al efectuarse la descomposición del aziduro de acuerdo con la ecuación

2 \ NaN_{3} + 2 \ H_{2}O \rightarrow 3N_{2} + H_{2} + 2 \ NaOH

causa ya en pequeñas concentraciones una disminución manifiesta de la velocidad de producción de gas, de manera tal que con una producción creciente de gas disminuye con mucha rapidez la eficacia de la celda.

La Fig. 2 muestra esquemáticamente la estructura de una celda conforme al invento para la producción de un gas, que es apropiada en particular para el funcionamiento de un distribuidor de material lubricante. La celda tiene dos electrodos 1, 1' para la conexión a un circuito de corriente 3 que contiene una fuente de corriente eléctrica 2. La fuente de corriente eléctrica 2 puede componerse por ejemplo de una pila de botón de batería usual en el comercio. Entre los dos electrodos 1, 1' se encuentra un líquido electrolítico acuoso 4 que contiene aziduro de sodio (NaN_{3}), el cual sirve para la producción electroquímica de un gas que contiene nitrógeno (N_{2}). Para el alojamiento del líquido electrolítico 4 está previsto un cuerpo de alojamiento apropiado 5, p.ej. en forma de un cuerpo poroso o de un recipiente provisto de taladros, pudiendo estar dispuesta/o dentro del recipiente también una esponja, un velo o un medio de almacenamiento similar. Mediante la tensión eléctrica aplicada se provoca junto al ánodo 1 la siguiente reacción:

2 \ N_{3}{}^{-} \rightarrow 3 \ N_{2} + 2e-,

mientras que junto al cátodo 1' se efectúa una correspondiente reducción de iones de hidrógeno

2 \ H^{+} + 2e- \rightarrow H_{2}

Puesto que en el caso de la reacción, de acuerdo con la ecuación de reacción que es válida para el cátodo 1', se consumen iones de hidrógeno, la concentración de los iones de hidróxido aumenta manifiestamente durante la producción de nitrógeno. Con el fin de evitar un aumento del valor del pH en el líquido electrolítico 4 que acompaña a este fenómeno, al líquido electrolítico 4 se le añade una sal de magnesio para la fijación química de los iones de hidróxido que resultan durante la reacción electroquímica. El hidróxido de magnesio posee un muy pequeño producto de solubilidad, de manera tal que el hidróxido de magnesio, formado a partir de la sal de magnesio y de los iones de hidróxido de un modo correspondiente a la ecuación

Mg^{2+} + 2OH^{-} \rightarrow Mg \ (OH)_{2},

que se forma junto al cátodo 1', precipita a partir del líquido electrolítico 4. El líquido electrolítico conforme al invento permite que se puedan utilizar para los electrodos 1, 1' unos materiales habituales, tales como p.ej. un acero, preferiblemente un acero de cromo y níquel, o grafito. Alternativamente los electrodos 1, 1' pueden componerse también de un material sintético con polvo de grafito embebido.

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Ejemplo

Se produjeron los siguientes líquidos electrolíticos:

a)

15,0 g de aziduro de sodio,

31,0 g de perclorato de magnesio, contenido 83% en peso, que contiene 100 ml de agua.

b)

una composición como en a), pero con adición de 0,25 g de sulfato de níquel * 6H_{2}O.

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El perclorato de magnesio fija a la solución de hidróxido de sodio que resulta durante la reacción, mediante formación de hidróxido de magnesio difícilmente soluble. Éste se separa como un precipitado y es retirado de esta manera del equilibrio de reacción.

La utilización de perclorato de magnesio posee la ventaja de que el líquido electrolítico permanece en un estado muy fluido hasta una temperatura situada por debajo de -20ºC, de manera tal que no se necesita ninguna adición de agentes protectores contra las heladas y el líquido electrolítico puede ser recogido y alojado fácilmente en una esponja. De esta manera, en el servicio práctico es posible una separación del gas y del líquido electrolítico, que es independiente de la situación. La evacuación de una celda que contiene el líquido electrolítico (véase la Fig. 2) puede efectuarse mediante combustión. El perclorato de magnesio es fácilmente soluble en agua, de manera tal que se puede mantener pequeño el volumen del electrólito. También a unas temperaturas de -20ºC el líquido tiene una conductividad suficiente. Además, el ácido perclórico es un compuesto estable, que se comporta de un modo inerte en las condiciones establecidas. La formación de nitrógeno elemental se efectúa de acuerdo con la siguiente ecuación de reacción:

2 \ Na \ N_{3} + Mg \ (ClO_{4})_{2} + 2 \ H_{2}O \rightarrow 3 \ N_{2} + H_{2} + Mg \ (OH)_{2} +2 Na \ ClO_{4}-.

La solución es débilmente alcalina, higroscópica, inodora, no agresiva y estable sin descomponerse. 1 ml de esta solución puede suministrar, dependiendo de las condiciones del ensayo, de 75 a 100 ml de un gas (N_{2} y H_{2}).

La Fig. 3 representa el efecto de una adición de sulfato de níquel de acuerdo con el Ejemplo b) sobre la tensión eléctrica total de la celda en función de la intensidad de corriente de la electrólisis. En este caso se utilizaron unos electrodos de grafito de 10 x 10 mm. A partir de la Fig. 3 puede observarse que mediante la adición de sulfato de níquel se puede reducir la sobretensión de hidrógeno del electrodo que forma el cátodo, y que a igualdad de corriente eléctrica de la celda, se ajusta una tensión eléctrica de la celda correspondientemente más baja, en comparación con la solución a).

La Fig. 4 representa la evolución de la tensión eléctrica de la celda en función de la intensidad de corriente eléctrica a +20ºC y -20ºC. Puede reconocerse que la disminución de la temperatura a igualdad de corriente eléctrica de la celda exige una más alta tensión eléctrica de la celda. El diagrama representado en la Fig. 4 se estableció para el líquido electrolítico de acuerdo con el Ejemplo b), que también a -20ºC garantiza todavía unas corrientes eléctricas suficientemente grandes de la celda, que hacen posible un empleo de la celda conforme al invento.

Claims (9)

1. Celda para la producción de un gas, en particular para el funcionamiento de un distribuidor de material lubricante con

dos electrodos (1, 1') para la conexión a un circuito de corriente (3) que contiene una fuente de corriente eléctrica (2) y

un líquido electrolítico acuoso (4), que contiene un aziduro de la fórmula XN_{3} y que se encuentra entre los dos electrodos (1, 1'), para la producción electroquímica de un gas que contiene nitrógeno (N_{2}),

caracterizada porque el líquido electrolítico (4) contiene una sal de magnesio como aditivo para la fijación química de los iones de hidróxido que resultan durante la reacción electroquímica.

2. Celda de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el aziduro se compone de aziduro de sodio.

3. Celda de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque la sal de magnesio se compone de sulfato de magnesio.

4. Celda de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque la sal de magnesio se compone de perclorato de magnesio.

5. Celda de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la sal de magnesio se añade estequiométricamente o en un exceso en relación con la cantidad de aziduro.

6. Celda de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque al líquido electrolítico (4) se le añade un agente protector contra las heladas.

7. Celda de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizada porque el agente protector contra las heladas se compone de etilenglicol y/o dimetilsulfóxido.

8. Celda de acuerdo con una de una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque el líquido electrolítico (4) contiene sulfato de níquel como adición para evitar una sobretensión de hidrógeno del electrodo (1') que forma el cátodo.

9. Celda de acuerdo con una de una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque los electrodos (1, 1') se componen de un acero, preferiblemente un acero de cromo y níquel, grafito o un material sintético con polvo de grafito embebido.