ES2846885T3 - Material de electrolito básico estable y material disolvente que lo contiene - Google Patents
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Classifications
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Abstract
Una composición de materia que tiene la siguiente estructura química: [HxOx-y]mZn en donde x es un número entero superior a 3; y es un número entero inferior a x; m es un número entero entre 1 y 6; n es un número entero entre 1 y 3; y Z es uno de un catión monoatómico, un ion poliatómico o un complejo catiónico.
Description
DESCRIPCIÓN
Material de electrolito básico estable y material disolvente que lo contiene
Antecedentes
La presente invención se refiere a composiciones de materia que pueden ser incorporadas en diversas soluciones acuosas que pueden alterar el pH de la solución y pueden ser empleadas en la obtención de la solución resultante básica dependiendo de la composición de la solución inicial.
Ha sido ampliamente aceptado el hecho científico de que, en función de las leyes de la termodinámica, la energía interna de un sistema cerrado es estable cuando los dos tipos de carga diferentes, es decir, moles de cationes cargados positivamente (+) y moles de aniones cargados negativamente (-), están equilibrados estequiométricamente en cuanto a su carga; produciendo una solución acuosa neutra de carga estable. Se ha mantenido ampliamente que los tipos de carga electrostática en una solución neutra tendrán necesariamente cargas electrostáticas positivas (+) equilibradas por un número igual de cargas electrostáticas negativas (-). Sin embargo, los estudios llevados a cabo en soluciones acuosas básicas indican que varias soluciones pueden poseer un exceso de radicales hidroxilo.
Este fenómeno respalda la conclusión de que las moléculas de agua son eficaces en la estabilización de cargas desequilibradas presentes en solución. Se cree que las moléculas de agua presentes en una solución acuosa estabilizan cualquier carga desequilibrada para producir una solución de carga equilibrada. Los resultados se adaptan a las leyes de la termodinámica y señalan la presencia de un nuevo tipo de nucleófilo de carga equilibrada compuesto por un único par de electrones de moléculas de agua.
Hasta este momento, la producción de soluciones en las que un exceso de radiales hidroxilo estabilizados por moléculas de agua que podría estar presente durante un período prolongado para producir una solución de carga equilibrada fue ilusoria. Sería deseable proporcionar dicho material. Y proporcionar una composición de materia, que podría proporcionar dichas soluciones. El documento WO 2016/172687 A1 divulga una composición de materia para su uso en un material de electrolito estable. El documento US 4 101 640 A divulga sales de ion hidroxonio estable que tienen un anión hexafluoruro de arsénico o antimonio. El documento US 7513987 B1 divulga un método para generar un ion hidronio multihidratado y un agua ionizada de alto peso molecular.
Sumario
En el presente documento se divulga una composición de materia que tiene la siguiente fórmula:
[HxOx-y]mZn
donde x es un número entero superior a 3;
y es un número entero inferior a x;
m es un número entero entre 1 y 6;
n es un número entero entre 1 y 3; y
Z es un catión monoatómico, catión poliatómico o complejo catiónico.
También se divulga una solución de uso que comprende:
Hx Ox-ya- Zb+
en donde x es un número entero superior a 3;
y es un número entero inferior a x;
a es un valor entre 1 y 6;
b es un valor entre 1 y 3; y
Z es un catión monoatómico, catión poliatómico o complejo catiónico; y
un disolvente seleccionado entre el grupo que consiste en agua, disolventes orgánicos polares y mezclas de los mismos.
Descripción de los dibujos
Los siguientes dibujos se han presentado para ilustrar la invención como se divulga en el presente documento, en la que:
La Fig. 1 es una presentación esquemática de una realización de uno de los complejos de electrolito estables como se divulga en el presente documento;
La Fig. 2 es un diagrama de proceso que esquematiza una realización de un método de síntesis como se divulga en el presente documento.
Descripción detallada
En el presente documento se divulga un electrolito novedoso que se puede emplear en disolventes polares tales como soluciones acuosas y se entiende ampliamente como un complejo derivado de ion hidroxonio básico o alcalino. Como se define en el presente documento, "complejos de ion hidroxonio alcalino" que tienen al menos cuatro moléculas de oxígeno, en donde cada molécula de oxígeno está unida a al menos dos moléculas de hidrógeno y puede estar presente como su sal básica. En determinadas realizaciones, los complejos de ion hidroxonio alcalino existirán en soluciones polares tales como una solución acuosa o un disolvente orgánico polar como una población compuesta predominantemente por átomos que tienen cuatro, cinco y/o seis átomos de hidrógeno que están unidos a un número de átomos de oxígeno que es al menos uno menor que el número de hidrógenos presentes.
Cuando la composición de materia divulgada en el presente documento se mezcla con un disolvente acuoso o polar, la composición resultante es una solución que puede estar compuesta por iones hidroxonio básico o alcalino. Los materiales aniónicos alcalinos adecuados también pueden ser referidos como complejos de ion hidroxonio alcalino. La composición de materia y soluciones que contienen la misma pueden tener utilidad en diversas aplicaciones donde es deseable un pH elevado o alcalino. Los materiales divulgados en el presente documento también pueden tener aplicabilidad en situaciones no limitadas a determinadas aplicaciones de limpieza y desinfección.
Se ha teorizado que pequeñas cantidades extremas de hidroxonio aniónico alcalino pueden formarse de manera espontánea en agua a partir de moléculas de agua en presencia de radicales hidroxilo libres. Sin quedar ligados a teoría alguna, se cree que los iones hidroxonio aniónico alcalino estable de origen natural son extremadamente raros, en caso de que se produzcan. Se estima que la concentración de iones hidroxonio aniónico alcalino de origen natural en agua no es superior a 1 en 480.000.000. También se teoriza que los iones hidroxonio aniónico alcalino de origen natural son especies transitorias inestables con duraciones de vida normalmente en el intervalo de nanosegundos. Los iones hidroxonio aniónico alcalino de origen natural son reactivos y son fácilmente solvatados por agua y, por lo tanto, estos iones hidroxonio aniónico alcalino no existen en un estado libre.
El material de electrolito alcalino como se divulga en el presente documento, cuando se introduce en una solución acuosa o un disolvente polar es estable y puede ser concentrado y/o aislado de la solución acuosa asociada o disolvente polar.
El componente de material de electrolito alcalino se puede producir por la reacción controlada de uno o más ácidos inorgánicos fuertes con base fuerte adecuada. Los ejemplos no limitativos de ácidos inorgánicos fuertes adecuados son aquellos que tienen un pKa > 1,74. El material de ácido inorgánico fuerte es uno que, cuando se añade al agua, se ionizará completamente en la solución acuosa asociada. Se contempla que el componente de material de ácido fuerte empleado pueda ser una mezcla de ácidos inorgánicos fuertes. En determinados procesos de producción, el componente de material de ácido fuerte puede incluir ácidos más débiles, tales como aquellos que tienen un pKa < 1,74, que, cuando se añade al agua, logrará una ionización menos que completa en solución acuosa, pero puede tener utilidad en determinadas aplicaciones. En dichas situaciones, se contempla que la composición de la mezcla de ácidos tenga un pKa promedio > 1,74.
En la presente divulgación, se ha descubierto de manera bastante inesperada que el complejo de ion hidronio alcalino estable producido y como se define en el presente documento, cuando se añade a una solución acuosa o a un disolvente orgánico polar o a una combinación de los mismos, producirá un disolvente polar y proporcionará un pKa alcalino eficaz que depende de la cantidad del material de ion hidroxonio alcalino estable divulgado que se añade a la solución correspondiente independiente de la presencia de cualquier concentración de ion hidroxilo nativo originalmente presente en esa solución. La solución resultante puede funcionar como un disolvente polar y puede tener un pKb eficaz entre 7 y 14 en determinadas aplicaciones cuando el pH de la solución inicial antes de la adición del material complejo de ion hidronio alcalino estable está entre 6 y 8.
También se contempla que el complejo de ion hidroxilo alcalino estable y/o los materiales que contienen el mismo como se divulga en el presente documento se pueden añadir a soluciones que tienen un pH inicial en intervalos ácidos, por ejemplo, entre 2 y 6 para ajustar de forma no reactiva el pH de la solución resultante a niveles neutros o alcalinos y/o para alterar el pKb eficaz o real de la solución resultante a niveles entre 7 y 14, con niveles entre 8 y 12 siendo alcanzados en determinadas aplicaciones. El material de complejo de hidronio alcalino estable como se divulga en el presente documento puede añadirse a un material ácido o a una solución de elección sin propiedades reactivas medibles que incluyen, pero sin limitación, exotermicidad, oxidación o similares.
La acidez de cualquier ion hidronio catiónico teórico existente en agua como resultado de la autodisociación acuosa es el estándar implícito usado para determinar la resistencia de un ácido en agua. Los ácidos fuertes se consideran mejores donadores de protones que el material de ion hidronio catiónico teórico; si no, existiría una porción significativa de ácido introducido en un estado no ionizado. Se considera que las bases fuertes son donantes de hidroxilo mejores o más eficaces que el material de hidronio aniónico teórico. Como se ha indicado previamente, hasta el momento, se cree que los iones hidronio de origen natural teórico, ya sea catiónico y aniónico, derivados de
la autodisociación acuosa son inestables como especies, al azar en presencia y que se cree que existen, si acaso, en concentraciones extremas bajas en una solución acuosa asociada. Generalmente, estarán presentes iones hidroxonio catiónico o aniónico existentes en solución acuosa, si acaso, en concentraciones entre 0 y valores inferiores a 1 en 480.000.000.
Los iones hidronio catiónico pueden ser aislados, si acaso, a partir de una solución acuosa nativa a través de una organosíntesis de fase sólida o líquida como monómeros unidos a un ligando de superácido o solución en estructuras tales como HF-SbFsSO2 en el caso de hidronio catiónico. Hasta el momento, no ha habido ningún intento satisfactorio de obtener un material de ion hidronio aniónico o alcalino estable aislado.
Por el contrario, el material de hidroxonio alcalino estable como aquí se divulga en el presente documento proporciona una fuente de aniones de hidroxonio alcalino concentrado cuando se mezcla con un material acuoso u orgánico adecuado. El material de hidroxonio alcalino estable divulgado en el presente documento tiene un período de conservación extenso y proporciona una fuente duradera de material de ion hidroxonio disponible cuando se añade a una solución tal como agua o un disolvente polar adecuado. El material divulgado en el presente documento mantiene la eficacia de rendimiento durante períodos de tiempo extensos o prolongados.
El material divulgado en el presente documento es una composición de materia que tiene la siguiente fórmula:
[HxOx-y] mZn
donde x es un número entero superior a 3;
en donde y es un número entero inferior a x;
m es un número entero entre 1 y 6;
n es un número entero entre 1 y 3; y
Z es un catión monoatómico, catión poliatómico o complejo catiónico.
En determinadas realizaciones, se contempla que m puede ser un número entero entre 3 y 6. Se contempla también que, en determinadas realizaciones, y puede tener un valor de x-1; mientras que, en otras realizaciones, y puede tener un valor de x-3.
El material como divulga en el presente documento puede formar complejos de hidratación cuando se mezclan en disolventes polares que pueden tener diversas geometrías que pueden variar en función de factores tales como el valor de x. Un ejemplo no limitativo de la estructura y geometría de un ejemplo del complejo de aniones de hidroxonio alcalino que contiene H4O32 en función de la estructura como se divulga en el presente documento se representa en la Figura 1. Se teoriza que el anión de hidroxonio alcalino H4O32" tendrá dos átomos de hidrógeno unidos a cada átomo de oxígeno respectivo en la molécula aniónica con al menos dos átomos de hidrógeno compartidos entre cada dos átomos de oxígeno respectivos. En la molécula representada, los átomos de oxígeno alfa, beta y gamma se orientan secuencialmente. Se estima que el ángulo de enlace H-O-H para el oxígeno beta (0') esté entre 105° y 108°; mientras que se estima que los ángulos de enlace H-O-H para los átomos de oxígeno alfa y gamma (0, 0") son superiores a 130°, pero inferiores a 140°.
En determinadas realizaciones, el valor de x será un número entero entre 4 y 7; mientras que y es un número entero que es inferior a x. En determinadas realizaciones, y es un número entero inferior a x y es un número entero entre 2 y 5. Los ejemplos no limitativos de fórmulas específicas para el complejo de ion hidroxonio alcalino como se divulga en el presente documento incluyen complejos tales como H5O22'; H6O52'; H7O22'H3O42'.
En determinadas realizaciones, la composición de materia puede estar presente en una solución polar o semipolar como un complejo disociado o parcialmente disociado que tiene la siguiente estructura química:
Hx Ox-ya- Zb+
en donde x es un número entero superior a 3;
y es un número entero inferior a x;
a es un valor entre 1 y 6;
b es un valor entre 1 y 3;
Z es un catión monoatómico, catión poliatómico o complejo catiónico.
El anión HxOx-ya- puede estar presente como iones individuales o puede estar presente en relaciones agrupadas coordinadas sueltas y puede formar complejos de hidratación estables en determinados casos. También se contempla que el anión Hx Ox-y a- puede estar presente en una mezcla de los que incluye un porcentaje de iones individuales y un porcentaje de complejos de hidratación estables. En determinadas realizaciones, el porcentaje de iones individuales como una porción del anión total presente estará entre 10 % y 50 %.
El catión poliatómico Z puede derivarse de materiales que tienen al menos un radical anfótero. En determinadas realizaciones, el catión poliatómico empleado puede ser un catión anfótero que tiene una carga de 2 o superior.
Ejemplos no limitantes de dichos cationes incluyen sulfato, carbonato, fosfato, cromato, dicromato, polifosfato, ortofosfato y mezclas de los mismos. En determinadas realizaciones, se contempla que el catión poliatómico anfótero puede derivarse de ácidos que tienen valores de pKa á 1,7.
El catión monoatómico Z puede derivarse de metales alcalinos, metales alcalinotérreos, metales de transición, metales de postransición y similares. En determinadas realizaciones, estos cationes monoatómicos pueden ser materiales del Grupo 1, tales como litio, sodio y potasio; materiales del Grupo 2, tales como berilio, magnesio, calcio, materiales del Grupo 4, tales como titanio, materiales del Grupo 5, tales como vanadio y niobio; materiales del Grupo 6, tales como cromo y molibdeno; materiales del Grupo 7, tales como manganeso; materiales del Grupo 8, tales como hierro; materiales del Grupo 9, tales como cobalto; materiales del Grupo 10, tales como níquel y paladio; materiales del Grupo 11, tales como cobre, plata y oro; materiales del Grupo 12, tales como zinc y cadmio; y materiales del Grupo 13, tales como aluminio. Los cationes monoatómicos pueden tener una carga de 1 o superior.
En determinadas realizaciones, El catión monoatómico Z tendrá una carga igual o superior a 2. Los ejemplos no limitativos de dichos materiales incluyen los materiales del Grupo 2 así como aluminio. Otros cationes que tienen una carga de 2 o superior que se contemplan incluyen hierro (III), hierro (II), cobre (II), cobalto (III), cobalto (II), estaño (II), estaño (IV), plomo (II), plomo (IV), mercurio (II) y mercurio (I).
Los complejos de cationes Z adecuados que pueden ser empleados incluyen, pero no se limitan a, complejos de boro-magnesio, tales como boro-níquel, boro-litio, magnesio-litio, magnesio-silicio y litio-silicio. El complejo catiónico empleado tendrá una carga de 2 o superior.
En muchas situaciones, el material de electrolito alcalino estable como se divulga en el presente documento es estable a temperatura y presión estándar y puede existir como un líquido de tipo agua que tiene características de humectación inferiores al agua; es decir, inferiores a 70 dinas/cm. El material de electrolito como se divulga en el presente documento puede añadirse al agua o a otros disolventes orgánicos polares para producir una solución que contiene una concentración eficaz de material de anión de hidronio estable en el estado no disociado, el estado disociado o una combinación de los dos que es superior a 1 parte por millón. En determinadas aplicaciones, el material de electrolito puede estar presente en concentraciones superiores a 0,05 % en peso. Se contempla que el material de electrolito alcalino pueda estar presente a máximos de concentración de hasta entre 10 a 1 equivalentes de relación molar y 5 a 1 equivalentes de relación molar. Es decir, tomaría aproximadamente 10 equivalentes molares de un ácido inorgánico estándar adecuado, por ejemplo, ácido clorhídrico, para neutralizar un mol del material divulgado en el presente documento. En determinadas realizaciones, el material de electrolito alcalino puede estar presente en solución en una cantidad entre 0,05 % en peso y 50 % en peso con concentraciones entre 1 % y 30 % en peso siendo posible en algunas realizaciones. En determinadas realizaciones, se contempla que la concentración estará entre 1 ppm y 25 % en peso.
Se ha descubierto, de manera bastante inesperada, que el anión de hidroxonio derivado de la adición del material de electrolito alcalino estable divulgado en el presente documento a la solución deseada altera la funcionalidad ácida del material resultante sin la alteración concomitante de la relación de ácido libre a total presente en la solución. La alteración en la funcionalidad ácida de la solución asociada puede incluir características, tales como cambios en el pH medido, cambios en la relación de ácido libre a total, cambios en la gravedad específica y la reología. También se pueden destacar cambios en la salida espectral y de cromatografía en la solución resultante en comparación con los materiales tradicionales análogos usados en la producción del material de electrolito alcalino estable que contiene el complejo de ion hidroxonio alcalino divulgado en el presente documento. La adición del material de ion hidroxonio estable como se divulga en el presente documento da como resultado cambios en pKb que no se correlacionan con los cambios que se observarían normalmente en la relación de ácido libre a total.
Por tanto, la adición del material de electrolito de hidroxonio alcalino estable como se divulga en el presente documento a una solución acuosa que tiene un pH entre 6 y 8 da como resultado una solución que tiene un pKb eficaz entre 8 y 14. También se debe entender que Kb de la solución resultante puede mostrar un valor superior a 14 cuando se mide con un electrodo de calomelanos, sonda de ORP de iones específicos. Como se usa en el presente documento, la expresión "pKb eficaz" se define como una medida de la concentración de aniones de hidroxonio total disponible presente en el disolvente o solución resultante y se puede definir como el recíproco inverso de pKa. Dadas las características de rendimiento de diversas sondas y dispositivos de medición, es posible que el pH y/o el pKa asociado de un material cuando se mide puedan tener un valor numérico entre 7 y 16.
Normalmente, el pH de una solución es una medida de su concentración de protones. La concentración de protones se mantiene generalmente para que sea la proporción inversa del resto -OH presente. Se cree que el material de electrolito alcalino estable divulgado en el presente documento, cuando se introduce en una matriz, tal como una solución polar, Facilita al menos la coordinación parcial de protones de hidrógeno con el material de electrolito de anión de hidroxonio y/o su complejo asociado existente como complejos de uno o más iones hidroxonio en complejo entre sí. Por lo tanto, el anión de hidroxonio estable introducido como se divulga en el presente documento existe en un estado que permite la funcionalidad selectiva de los restos hidroxilo introducidos en relación con otros componentes presentes en la matriz asociada tal como la solución polar.
Más específicamente, el material de electrolito estable como se divulga en el presente documento puede tener la fórmula general:
[HxOx-y\nZn-i
x es un número entero > 4;
y es un número entero inferior a x;
n es un número entero entre 1 y 4; y
Z es un ion poliatómico anfótero que tiene una carga entre 1 y 3.
Los constituyentes poliatómicos anfóteros incluyen carbonato, hidrogenocarbonato, cromato, cianuro, nitruro, nitrato, permanganato, fosfato, sulfato, sulfito, clorito, perclorato, bromhidrita, bromita, bromato, yoduro, sulfato de hidrógeno, sulfito de hidrógeno. Se contempla que la composición de materia puede estar compuesta por uno solo de los materiales enumerados anteriormente o puede ser una combinación de uno o más de los compuestos enumerados.
Se contempla también que, en determinadas realizaciones, x es un número entero entre 3 y 9, con x siendo un número entero entre 3 y 6 en algunas realizaciones. Se contempla que la composición de materia puede existir como una distribución isomérica en la que el valor x es una distribución media de números enteros superiores a 3 que favorecen los números enteros entre 4 y 6.
En determinadas realizaciones, y es un número entero que tiene un valor de y = 1, y, cuando corresponda, y = 2 o y = 3.
La composición de materia como se divulga en el presente documento puede tener la siguiente fórmula, en determinadas realizaciones:
[HxOx-y] nZn-1
x es un número entero entre 4 y 6;
y es un número entero inferior a x y entre 1 y 3; y
Z es un ion poliatómico anfótero que tiene una carga entre 1 y 3 y puede ser uno de más de los siguientes: carbonato, hidrogenocarbonato, cromato, cianuro, nitruro, nitrato, permanganato, fosfato, sulfato, sulfito, clorito, perclorato, bromhidrita, bromita, bromato, yoduro, sulfato de hidrógeno, sulfito de hidrógeno.
La composición de materia como se divulga en el presente documento puede ser formada por la adición de un ácido inorgánico adecuado a un hidróxido inorgánico adecuado. El ácido inorgánico que se introduce en el hidróxido inorgánico puede tener una densidad entre 22° y 70° baume; con gravedades específicas entre aproximadamente 1,18 y 1,93. En determinadas realizaciones, Se contempla que el ácido inorgánico tenga una densidad entre 50° y 67° baume; con gravedades específicas entre 1,53 y 1,85. El ácido inorgánico puede ser un ácido monoatómico o un ácido poliatómico.
El ácido inorgánico puede ser homogéneo o puede ser una mezcla de diversos compuestos ácidos que caen dentro de los parámetros definidos. También se contempla que el ácido pueda ser una mezcla que incluya uno o más compuestos ácidos que caigan fuera de los parámetros contemplados pero en combinación con otros materiales proporcionará un valor de composición de ácido promedio en el intervalo especificado. El ácido o ácidos inorgánicos empleados pueden ser de cualquier grado o pureza adecuado. En determinados casos, el material de calidad técnica y/o de calidad alimenticia se pueden emplear de manera satisfactoria.
El material de hidróxido inorgánico empleado puede ser un hidróxido inorgánico soluble en agua o parcialmente soluble en agua. Los hidróxidos parcialmente solubles en agua empleados en el proceso serán generalmente aquellos que muestran miscibilidad con el material ácido que se va a añadir. Los ejemplos no limitativos de hidróxidos inorgánicos parcialmente solubles en agua adecuados serán aquellos que muestran al menos un 50 % de miscibilidad en el ácido asociado. El hidróxido inorgánico puede ser anhidro o hidratado.
Los ejemplos no limitativos de hidróxidos inorgánicos solubles en agua incluyen hidróxidos de metales alcalinos solubles en agua, hidróxidos de metales alcalinotérreos e hidróxidos de tierras raras; en solitario o en combinación con otros. También se considera que otros hidróxidos estén dentro del ámbito de la presente divulgación. A medida que "solubilidad en agua" se define junto con el material de hidróxido que se empleará, se define un material que muestra características de disolución del 75 % o superiores en agua a temperatura y presión convencionales. El hidróxido que se utiliza normalmente es un material líquido que se puede introducir en el material ácido como una verdadera solución, una suspensión o suspensión acuosa supersaturada. En determinadas realizaciones, se contempla que la concentración del hidróxido inorgánico en una solución acuosa puede depender de la concentración del ácido asociado. Los ejemplos no limitativos de concentraciones adecuadas para el material de hidróxido son concentraciones de hidróxido superiores de 5 a 50 % de un material de 5 moles.
Los materiales adecuados incluyen, pero no se limitan a, hidróxido de litio, hidróxido de sodio, hidróxido de potasio, hidróxido de amonio, hidróxido de calcio, hidróxido de estroncio, hidróxido de bario, hidróxido de magnesio y/o hidróxido de plata. Las soluciones de hidróxido inorgánico, cuando se emplean, pueden tener una concentración de hidróxido inorgánico entre 5 y 50 % de un material de 5 moles con una concentración entre 5 y 20 % en determinadas aplicaciones. El material de hidróxido inorgánico, en determinados procesos, Puede ser hidróxido de calcio en una solución acuosa adecuada tal como se presenta como cal apagada.
En la preparación del material de electrolito estable como se divulga en el presente documento, un hidróxido inorgánico puede estar contenido en cualquier recipiente de reacción adecuado en forma líquida en cualquier volumen adecuado. En diversas realizaciones, se contempla que el recipiente de reacción pueda ser un vaso de precipitados no reactivo de volumen adecuado. El volumen de hidróxido inorgánico que se puede emplear puede ser tan pequeño como 50 ml. También se consideran que volúmenes mayores de hasta e incluyendo 5000 galones o superiores están dentro del ámbito de la presente divulgación.
El hidróxido inorgánico se puede mantener en el recipiente de reacción a una temperatura que es generalmente ambiente. Es posible mantener la temperatura de la base inorgánica inicial en un intervalo entre aproximadamente 23° y aproximadamente 70 °C. Sin embargo, también se pueden emplear temperaturas más bajas en el intervalo de 15° y aproximadamente 40 °C.
El hidróxido inorgánico puede agitarse mecánicamente por medios adecuados para impartir energía mecánica a un nivel entre aproximadamente 0,5 HP y 3 HP con niveles de agitación que imparten energía mecánica entre 1 y 2,5 HP siendo empleados en determinadas aplicaciones del proceso. la agitación puede impartirse por varios medios adecuados que incluyen, pero no se limitan a, unidad de servomotor de CC, impulsor eléctrico, agitador magnético, inductor químico y similares.
La agitación puede comenzar en un intervalo inmediatamente antes de la adición de ácido y puede continuar durante un intervalo durante al menos una porción de la etapa de introducción de ácido.
El material ácido que se va a introducir puede ser mantenido en cualquier recipiente adecuado a partir del cual el material puede ser distribuido de una manera dosificada. El recipiente puede incluir elementos de calentamiento adecuados, si se desea o se requiere, que están configurados para proporcionar material calentado a una temperatura entre la ambiente y aproximadamente 93,33 °C (200 °F); con temperaturas entre la ambiente y 70 °C siendo empleadas en determinadas realizaciones.
En el proceso como se divulga en el presente documento, el material ácido de elección puede ser un ácido concentrado con una molaridad (M) promedio de al menos 7 o superior. En determinados procedimientos, la molaridad promedio será de al menos 10 o superior; con una molaridad promedio entre 7 y 10 siendo útil en determinadas aplicaciones. El ácido empleado puede existir y un líquido puro, una suspensión líquida o como una solución acuosa del ácido disuelto en forma esencialmente concentrada.
Los materiales ácidos adecuados pueden ser materiales acuosos o no acuosos. Los ejemplos no limitativos de materiales ácidos adecuados pueden incluir uno o más de los siguientes: ácido clorhídrico, ácido nítrico, ácido fosfórico, ácido clórico, ácido perclórico, ácido crómico, ácido sulfúrico, ácido permanganoico, ácido prúsico, ácido brómico, ácido bromhídrico, ácido fluorhídrico, ácido yódico, ácido fluobórico, ácido fluosilícico, ácido fluotitánico. En determinadas realizaciones, el ácido fuerte concentrado empleado puede ser ácido sulfúrico que tiene una gravedad específica entre 30° y 67° baume. Este material puede colocarse en el recipiente de reacción y agitarse mecánicamente a una temperatura entre 16° y 70 °C.
En determinadas aplicaciones específicas del método divulgado, una cantidad medida, definida del material ácido adecuado puede añadirse a una cantidad definida de hidróxido en agitación que está presente en el recipiente. La cantidad total de ácido añadido será suficiente para producir una solución que tiene una concentración de aniones de hidroxonio en un intervalo entre 6% en peso y 10% en peso. El método empleado será uno que reduzca o elimine la producción de precipitante por formación de subproductos y produzca un volumen mínimo de precipitante que muestra una morfología generalmente amorfa.
En el proceso que se divulga, El material ácido se añade al hidróxido inorgánico en agitación en uno o más volúmenes dosificados a lo largo de un intervalo definido para proporcionar un intervalo de tiempo de resonancia (Tr) total definido. Se considera que el intervalo de tiempo de resonancia (Tr) en el proceso que se describe es el intervalo de tiempo necesario para promover y proporcionar el entorno en el que se desarrolla el material de anión de hidroxonio. El intervalo de tiempo de resonancia (Tr) que se emplea en el presente documento está comprendido normalmente entre 12 y 120 horas con intervalos de tiempo de resonancia (Tr) entre 24 y 72 horas y los incrementos en los mismos se utilizan en determinadas aplicaciones.
En diversas aplicaciones del proceso, el ácido se introduce con el tiempo en el hidróxido inorgánico en la superficie
superior en una pluralidad de volúmenes dosificados. Normalmente, la cantidad total del material ácido se introducirá en una pluralidad de ciclos, produciéndose general al comienzo del intervalo de tiempo de resonancia (Tr) y procediendo para una porción del intervalo de tiempo de resonancia total que sigue. La porción del intervalo de tiempo de resonancia durante la cual se produce la adición de ácido se refiere como (Ta). Generalmente, durante el intervalo Ta, el ácido puede añadirse a una pluralidad de ciclos de adición definidos. En determinadas situaciones, los ciclos de adición pueden cargarse en la parte trasera. "Adición de carga trasera", como se usa la expresión en el presente documento, se entiende que la cantidad de ácido añadido durante el primer 25 % de Ta es inferior al volumen de ácido añadido durante el 25 % final de Ta.
Se debe entender que la proporción de ácido disponible en cada volumen dosificado que se añade puede ser la misma o puede variar en función de dichos factores no limitantes como condiciones externas del proceso, condiciones de proceso in situ, características de material específico, geometría del recipiente y similares.
Se contempla que el número de volúmenes de adición dosificados puede estar entre 2 y 12. El intervalo entre las adiciones de cada volumen dosificado puede estar entre 5 y 60 minutos en determinadas aplicaciones del proceso como se divulga. El intervalo de adición real puede estar entre 60 minutos y cinco horas.
Los volúmenes dosificados pueden variar en cantidad e intervalo en función de la reacción deseada. En determinadas aplicaciones, Se ha descubierto de manera inesperada que los ciclos de adición no lineales promoverán la formación del material de anión de hidronio como se divulga en el presente documento. Por tanto, se contempla que, en determinadas aplicaciones, las porciones de adición iniciales tendrán volúmenes más pequeños y/o se añadirán a intervalos de adición individuales más largos que las porciones añadidas posteriores. También se contempla que los volúmenes de adición dosificados pueden variar en concentración y/o composición con volúmenes de concentración de ácido más bajos y/o ácidos de resistencia más baja que se añaden antes en el proceso.
En determinadas aplicaciones del proceso, se añade un volumen de 100 ml de material de ácido sulfúrico concentrado a 66° baume a 50 ml de hidróxido de calcio al 50% en peso en agua. La adición puede proceder en 5 incrementos dosificados de 2 ml por minuto con mezcla. La adición del ácido sulfúrico a la solución de hidróxido de calcio da como resultado un aumento de la turbidez líquida que evidencia la producción de sólidos de sulfato de calcio como precipitado o sólidos suspendidos/disueltos que se eliminan de una manera coordinada con una adición de ácido continua con el fin de proporcionar una concentración mínima de sólidos suspendidos y disueltos.
Sin quedar ligados a teoría alguna, se cree que la adición de ácido sulfúrico al hidróxido de calcio da como resultado el consumo del protón o protones de hidrógeno inicial asociados con el ácido sulfúrico introducido. Esto da como resultado una oxigenación de protones de hidrógeno de modo que el protón en cuestión no libera gases como se predice con la adición de ácido. En su lugar, el protón en cuestión es recombinado y reestructurado con componentes iónicos de moléculas de agua presentes en el material líquido.
El intervalo de resonancia de adición de ácido (Ta) es generalmente inferior al intervalo de resonancia total (Tr) en la mayoría de las aplicaciones. Una vez que se ha completado la adición de ácido, el material resultante se puede mantener a una temperatura entre 25 °C y 70 °C durante un intervalo de proceso (Tp) de resonancia adicional para permitir la reacción ulterior y la formación de enlaces y orientación. El Tp puede estar entre 60 minutos y 72 horas y puede proceder con o sin agitación. En general, Ta + Tp = Tr y se cree que entre 75 % y 95 % del anión de hidronio se forma durante el Tr.
Tras la compleción del tiempo de resonancia Tr adecuado, el material producido puede ser sometido a un campo magnético no bipolar a un valor superior a 2000 gauss; con campos magnéticos superiores a 2 millones de gauss siendo empleados en determinadas aplicaciones. Se contempla que se pueda emplear un campo magnético entre 10.000 y 2 millones de gauss en determinadas situaciones. Un ejemplo no limitativo de un generador de campo magnético adecuado se encuentra en el documento US 7.122.269 de Wurzburger, Cuya memoria descriptiva se incorpora como referencia en el presente documento. El material producido puede exponerse al campo magnético deseado para un intervalo de permanencia de campo magnético (Md), es decir, entre 5 minutos y 24 horas.
Al menos una porción del material sólido presente como precipitado o subproductos sólidos suspendidos se puede eliminar por cualquier medio adecuado. La eliminación del producto sólido se produce generalmente antes de la exposición al campo magnético y o cualquier proceso de concentración. Los medios de eliminación adecuados incluyen, pero no es necesario que se limiten a los siguientes: gravimetría, filtración forzada, centrifugación, ósmosis inversa y similares.
La composición de materia como se divulga en el presente documento es un líquido viscoso de larga duración que se cree que es estable durante al menos un año cuando se almacena a temperatura ambiente y con 50 a 75 % de humedad relativa. La composición de materia puede usarse pura o diluida para diversas aplicaciones de uso final. La composición de materia puede tener una solución molar de 1,87 a 1,78 que contiene de 6 a 10% de los moles totales de hidronio alcalino que no están equilibrados en cuanto a su carga.
La composición de electrolito estable de materia que resulta del proceso como se divulga tiene una molaridad de 200 a 150 M de resistencia, y 187 a 178 M de resistencia en determinados casos, cuando se mide titrimétrica y gravimétricamente para proporcionar una medida de pKb eficaz relativa al pH. El material tiene un intervalo gravimétrico superior a 1,05; con intervalos superiores a 1,5 en determinados casos.
También se contempla que la composición de materia como se divulga se pueda introducir en un disolvente polar y dará como resultado una solución que tiene una concentración de aniones de hidroxonio alcalino superiores a 15 % en volumen. En algunas aplicaciones, la concentración de aniones de hidroxonio alcalino puede ser superior al 25 % y se contempla que la concentración de aniones de hidroxonio alcalino pueda estar entre 15 y 50 % en volumen. El disolvente polar puede ser acuoso o una mezcla de materiales acuosos y orgánicos. En situaciones donde el disolvente polar incluye componentes orgánicos, se contempla que el componente orgánico pueda incluir al menos uno de los siguientes: alcoholes de cadena corta saturados y/o insaturados que tienen menos de 5 átomos de carbono, y/o ácidos carboxílicos de cadena corta saturados e insaturados que tienen menos de 5 átomos de carbono. Cuando el disolvente comprende agua y disolventes orgánicos, se contempla que la relación agua a disolvente estará entre 1:1 y 400:1, agua a disolvente, respectivamente.
El complejo iónico que está presente en el material disolvente como se divulga en el presente documento puede tener cualquier estructura y solvatación adecuada que sea generalmente estable y capaz de funcionar como un donante de hidroxilo en presencia del entorno creado para generar el mismo. En realizaciones particulares, el complejo de ion hidroxonio alcalino se representa por la siguiente fórmula:
[HxOx-y] n-en donde x es un número entero > 4;
y es un número entero inferior a x;
n es un número entero entre 1 y 4.
Se contempla que el ion hidronio alcalino como se define en el presente documento existe en complejos de anión únicos que tiene entre 4 y 7 átomos de hidrógeno en complejo con un número menor de átomos de oxígeno en cada complejo de anión individual. Estos se refieren en la presente divulgación como complejos de anión de hidroxonio alcalino. Como se usa en el presente documento, la expresión "complejo de aniones de hidroxonio alcalino" se puede definir ampliamente como el grupo de moléculas que rodean el catión HxOx-y donde x es un número entero superior o igual a 4. El complejo de aniones de hidronio alcalino puede incluir al menos cuatro moléculas de hidrógeno adicionales y una proporción estequiométrica de moléculas de oxígeno unidas o complejadas a las mismas como moléculas de agua. Por tanto, la representación de ejemplos no limitantes de los complejos de aniones de hidroxonio alcalino que pueden emplearse en el proceso en el presente documento puede derivarse del material representado por la fórmula en la Figura 1.
En determinadas realizaciones, la composición de materia está compuesta por un hidrato ácido de hidroxilo estable equilibrado estequiométricamente de peróxido de hidrógeno en donde el componente hidrato ácido es al menos uno de hidrato sulfúrico, hidrato de cromato, hidrato de carbonato, hidrato de fosfato, hidrato de polifosfato, hidrato de ortopolifosfato y mezclas de los mismos, El material en el presente documento puede incluir hidrato de sulfato de hidroxilo de peróxido de hidrógeno; hidrato de cromato de hidroxilo de peróxido de hidrógeno; carbonato de hidroxilo de peróxido de hidrógeno; hidrato de fosfato de hidroxilo de peróxido de hidrógeno; hidrato de polifosfato de hidroxilo de peróxido de hidrógeno; hidrato de ortopolisfosfato de hidroxilo de peróxido de hidrógeno y mezclas de los mismos. En determinadas realizaciones, el material será una sal estable de hidrógeno (1+), trihidroxi.
Se entiende que la sal estable de hidrógeno (1+), trihidroxi puede estar presente sola o en combinación con diversas fracciones y complejos con materiales que incluyen H5O2; H6O5; H7O2 siendo ejemplos no limitativos.
Con el fin de ilustrar aún más la presente divulgación, se presta atención a los siguientes ejemplos. Los ejemplos se para fines ilustrativos y se consideran no limitativos de la presente divulgación.
EJEMPLO I
Con el fin de preparar el electrolito básico estable como se divulga en el presente documento, se introduce un volumen de 100 ml de líquido de ácido sulfúrico concentrado a 66° baume en un vaso de precipitados de vidrio y se mantiene con agitación a una temperatura de 50 °C. La agitación impartida procede a una velocidad que imparte energía mecánica a la solución a un nivel de 1 HP usando un agitador magnético. El material ácido empleado tiene una molaridad promedio de 8.
Se añade una porción de 200 ml de solución de hidróxido de calcio concentrada a la región superior del líquido de ácido sulfúrico en agitación de manera incremental. La solución de hidróxido de calcio es un material 5 molar que tiene una concentración del 40 %. La porción de 200 ml se divide en cinco porciones de volumen desigual, con dos porciones iniciales que se añaden, siendo cada una de 50 ml y siendo la siguiente porción de 40 ml y siendo las dos
porciones finales de 30 ml cada una. Cada porción se añade durante un intervalo de 60 minutos con un intervalo de resonancia entre la adición de la porción entre 2 horas y 7 horas con intervalos de tiempo de resonancia superiores que aumentan gradualmente y produciéndose intervalos de tiempo de resonancia después en el ciclo de adición. La adición dosificada se produce durante un período de 72 horas. La agitación se interrumpe antes de la adición de la segunda porción.
La adición del material de hidróxido a los resultados del ácido sulfúrico produce un material que tiene un aumento de la turbidez del líquido. El aumento de la turbidez del líquido es indicativo de los sólidos de sulfato de calcio como precipitado. Los sólidos producidos se eliminan del líquido por filtración por gravedad según se requiera.
La composición del material gaseoso producido en la reacción se controla durante la adición para evaluar la generación de gas hidrógeno generado. Las tasas de adición se modifican para limitar la generación de gas hidrógeno.
Tras la compleción del intervalo de resonancia final, el material líquido resultante se decanta en un contenedor y se somete a un campo magnético no bipolar a un valor de 5000 durante un intervalo de 5 horas. El material resultante es un fluido viscoso.
EJEMPLO II
Una muestra del material producido de acuerdo con el método descrito en el Ejemplo Il se analiza usando culombimetría de hidrógeno y determina para tener una molaridad de 180 M. El material se analiza a través de FFTIR y análisis espectral. Los resultados representativos se resuelven con respecto a los ilustrados en la Figura 1. Se encuentra que el material tiene un intervalo gravimétrico superior a 1,5 y produce hasta 1300 tiempos volumétricos de ortohidrógeno por mililitro cúbico frente al hidrógeno contenido en un mol de agua.
Una porción de 20 ml del material producido de acuerdo con el método descrito en el Ejemplo I se coloca en un contenedor con tapón y se almacena a temperatura ambiente entre una humedad entre 50 y 75 %. El material se analiza y los resultados están dentro del 5 % de los resultados medidos en la estabilidad de almacenamiento indicada por la fabricación.
EJEMPLO III
Una porción de 500 ml del material básico como se divulga en el presente documento se prepara de acuerdo con el proceso descrito en el Ejemplo I. Las porciones del material se analizan usando el procedimiento descrito en la norma ASTM-D2624 para determinar la conductividad. El material mostró un valor de 16.000 pmhos/cm. Cuando una porción de la muestra se analiza mediante cromatografía iónica usando el método EPA SW9056A, se encuentra que el material contiene menos de 50 mg/l de cloruro; menos de 50 mg/l de nitrógeno como nitrógeno o nitrato y 1400 mg/l a 1500 mg/l de sulfato. Esto se toma para indicar que el material está presente como sulfato.
Cuando se analizan porciones de la muestra de acuerdo con el procedimiento descrito en la norma ASTM-D891 y D4052, se mide la gravedad específica de entre 1,09 y 1,13.
La alcalinidad del material se determina usando el proceso descrito en el Método A2320 - Método Estándar para el Examen de Agua y Aguas Residuales. La alcalinidad debida al bicarbonato (como CaCO3) no se detecta. La alcalinidad debida al carbonato (como CaCO3) está presente a un nivel de 400 mg/l. La alcalinidad debido a la presencia de hidróxido (medida como (CaCO3) está presente a un nivel de 2000 mg/l. La alcalinidad total es de 2400 mg/l con más del 80 % presente como hidróxido. Se determina que los sólidos totales en las porciones de muestra son 6300 mg/l como se determina por el método descrito en A2540B - Método Estándar para la Determinación de Sólidos en Agua. De este valor, 6300 mg/l son sólidos disueltos totales (SDT) como se determina por el Método A2540C. El pH del material se determina usando el método descrito en A4500-H+B como 13.
Claims (15)
1. Una composición de materia que tiene la siguiente estructura química:
[HxOx-y] mZn
en donde x es un número entero superior a 3;
y es un número entero inferior a x;
m es un número entero entre 1 y 6;
n es un número entero entre 1 y 3; y
Z es uno de un catión monoatómico, un ion poliatómico o un complejo catiónico.
2. La composición de materia de la reivindicación 1, en donde m es un número entero entre 3 y 6.
3. La composición de materia de la reivindicación 1, en donde Z es un ion poliatómico que tiene una carga de 2 o superior.
4. La composición de materia de la reivindicación 3, en donde Z se selecciona entre el grupo que consiste en sulfato, carbonato, fosfato, oxalato, cromato, dicromato, pirofosfato y mezclas de los mismos.
5. La composición de materia de la reivindicación 1, compuesta por una sal química equilibrada estequiométricamente de hidrógeno (1+), trihidroxi, en donde la sal es al menos una de las siguientes: sulfato, carbonato, fosfato, oxalato, cromato, dicromato, pirofosfato y mezclas de los mismos.
6. La composición de materia de la reivindicación 1, que comprende sales de al menos uno de los siguientes H4O3; H5O2; H6O5; H7O2.
7. La composición de materia de la reivindicación 1, en donde y es un número entero que tiene un valor de x-1 o de x-3.
8. Una formulación química que comprende:
un disolvente polar; y
una composición química que tiene la fórmula:
Z - HxOx-y
en donde x es un número entero superior a 3;
y es un número entero inferior a x; y
Z es uno de un catión monoatómico, un ion poliatómico o un complejo catiónico,
en donde al menos una porción de la composición química está presente como al menos uno de H4O3(i) 2", H5O22", H7O22", H6 O52" y mezclas de los mismos.
9. La formulación química de la reivindicación 8, en donde Z es un ion poliatómico que tiene una carga de 2 o superior y/o el disolvente polar se selecciona entre el grupo que consiste en agua, alcoholes de cadena corta que tienen entre uno y 4 átomos de carbono y mezclas de agua y alcoholes de cadena corta.
10. La formulación química de la reivindicación 8 compuesta por una composición química equilibrada estequiométricamente de hidrato de sulfato de hidroxilo.
11. La formulación química de la reivindicación 8, en donde la composición química está presente en una cantidad de entre el 0,5 % y el 50 % en peso, opcionalmente en donde la composición química está presente en una cantidad de entre el 1 % y el 30 % en peso.
12. La formulación química de la reivindicación 8, en donde la composición química está presente en una cantidad suficiente para proporcionar:
(i) un pKa eficaz de entre 8 y 12; o
(ii) una concentración eficaz de aniones de hidroxonio de entre aproximadamente 1 ppm y aproximadamente el 25 % en peso.
13. Una solución de uso que comprende:
un disolvente seleccionado entre el grupo que consiste en agua, disolventes orgánicos polares y mezclas de los mismos; y
un compuesto disociado que tiene la fórmula general:
Hx Ox-ya - Zb+
en donde x es un número entero superior a 3;
y es un número entero inferior a x;
a es un valor entre 1 y 6;
b es un valor entre 1 y 3; y
Z es un catión monoatómico, un catión poliatómico o un complejo catiónico.
14. La solución de uso de la reivindicación 13, en donde a es un valor entre 3 y 6 y Z es un ion poliatómico que tiene una carga de 2 o superior.
15. La solución de uso de la reivindicación 13, en donde:
(i) el compuesto disociado está presente en una cantidad de entre el 0,5 % y el 50 % en peso; o
(ii) el compuesto disociado está presente en una cantidad superior a 1 ppm.
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