ITMI20071863A1 - Dispositivo elettrochimico per trattamento biocida in applicazioni agricole - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DI INVENZIONE INDUSTRIALE

AMBITO DELL’INVENZIONE

L’invenzione è relativa ad un dispositivo elettrochimico per l’effettuazione in continuo di trattamenti biocidi in applicazioni agricole mediante irrorazione di una soluzione ossidante prodotta in situ.

STATO DELL’ARTE

Le proprietà biocide e disinfettanti di soluzioni ossidanti contenenti cloro attivo sotto varie forme sono note in vari campi della tecnica; soluzioni diluite di ipocloriti sono ad esempio utilizzate nella disinfezione di alimenti e nella sterilizzazione di strumentazione impiegata nel campo alimentare, alberghiero e sanitario. L’utilizzo di soluzioni contenenti cloro attivo in applicazioni agricole come il trattamento preventivo o curativo di patologie derivanti da microrganismi non è invece praticato, a causa della scarsa efficacia dimostrata dai prodotti di questo tipo attualmente in commercio, che in molti casi presentano considerevoli effetti negativi. I complessi equilibri di dissociazione e disproporzionamento cui sono soggette le specie attive contenenti cloro rendono in particolare necessario l’utilizzo di stabilizzanti per preservare la composizione nominale; ad esempio, le comuni soluzioni di ipoclorito di sodio sono stabilizzate con alcali, nel caso più semplice con soda caustica (fino ad un pH 11 - 12), o con soluzioni basiche tamponate (ad esempio con tetraborato sodico) in ogni caso a pH non inferiore a 9.5. Soluzioni così basiche non sono adeguate all’utilizzo diretto in applicazioni agricole, ed anche eccessive concentrazioni di sodio possono comportare problemi, come è noto agli esperti del settore; in particolare, soluzioni biocide idonee all’irrorazione di specie vegetali devono avere un pH inferiore a 8, e preferibilmente compreso tra 6 e 7. Una fonte di cloro attivo molto efficace in questo intervallo di pH è l’acido ipocloroso, le cui proprietà biocide sono note nell’arte, e che per di più presenta il vantaggio, rispetto ai disinfettanti comunemente impiegati, di avere un costo estremamente basso e di non rilasciare residui tossici o nocivi. L’utilizzo di acido ipocloroso è tuttavia frenato da ragioni pratiche, fondamentalmente associate alla limitata stabilità che ne riduce il tempo di stoccaggio consentito al di sotto di livelli di pratica utilità. Inoltre, concentrazioni idonee ad un utilizzo efficace senza dannosi effetti collaterali per le coltivazioni (tra 0.01 e 2 g/l) implicherebbero il confezionamento di un prodotto estremamente diluito, che imporrebbe l’utilizzo di volumi eccessivi, o ancora la necessità di diluire di volta in volta il prodotto, operazione che al di là di considerazioni di praticità è anche rischiosa per via della possibilità di contaminare accidentalmente il prodotto, ad esempio con metalli, riducendone ulteriormente la già limitata stabilità.

Per questo motivo, i trattamenti biocidi di prevenzione e cura di patologie derivanti da microrganismi come funghi e batteri sono attualmente effettuati con una grande varietà di agenti chimici generalmente accomunati dal rilascio di residui tossici neN’ambiente e spesso da un costo non trascurabile.

È uno degli obiettivi della presente invenzione ovviare alle limitazioni della tecnica nota, rendendo possibile l’effettuazione di trattamenti biocidi in applicazioni agricole con una fonte idonea ed economica di cloro attivo.

In particolare, è un obiettivo della presente invenzione fornire un dispositivo elettrochimico per l’irrorazione in continuo di una soluzione ossidante contenente acido ipocloroso ed opzionalmente altre specie attive a concentrazione e pH controllati, preferibilmente atto ad essere installato su un mezzo mobile.

Sotto un ulteriore aspetto, è un obiettivo della presente invenzione fornire un procedimento di trattamento preventivo o curativo di patologie vegetali provocate da microrganismi come funghi o batteri.

Questi ed altri obiettivi saranno chiariti dalla seguente descrizione, che non sarà intesa come limitante l'invenzione.

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE

Sotto un primo aspetto, l’invenzione è relativa ad un dispositivo elettrochimico che consente la realizzazione in continuo di trattamenti biocidi in applicazioni agricole mediante irrorazione di una soluzione ossidante, contente acido ipocloroso, prodotta in situ. Il dispositivo secondo l’invenzione comprende una cella elettrolitica alimentata con una soluzione di cloruri alcalini, preferibilmente cloruro di sodio o di potassio o una miscela dei due, la quale viene elettrolizzata mediante applicazione di un potenziale elettrico tra l’anodo e il catodo della cella stessa con produzione di una soluzione ossidante irrorata direttamente sulle specie vegetali da trattare previa opzionale diluizione all’interno del dispositivo stesso. È stato riscontrato dagli inventori che la composizione più idonea per la soluzione ossidante prodotta con il dispositivo dell’invenzione comprende una concentrazione di acido ipocloroso da 0.01 a 2 g/l ad un pH il più possibile vicino a 6.5, e in ogni caso preferibilmente compreso tra 6 e 7. La cella elettrolitica all’interno del dispositivo può essere esercita in modo da produrre direttamente una soluzione ossidante con queste caratteristiche; in alternativa, il dispositivo elettrochimico può essere provvisto di un serbatoio di accumulo, e la cella elettrolitica può essere esercita in modo da produrre una soluzione ossidante a concentrazione più elevata, successivamente inviata a detto serbatoio di accumulo. In questo caso, il serbatoio di accumulo è alimentato anche con un flusso di acqua, opzionalmente a pH controllato, in modo da raggiungere la composizione richiesta a monte dell'irrorazione. A tal fine, il dispositivo dell'invenzione può essere vantaggiosamente dotato di mezzi per il controllo del titolo di acido ipocloroso, del pH e della temperatura, come noto nella tecnica. La soluzione di cloruri alcalini alimentata alla cella elettrolitica del dispositivo dell’invenzione contiene preferibilmente cloruro di sodio e cloruro di potassio ad una concentrazione compresa tra 1 e 50 g/l e ad un pH compreso tra 6 e 8, ancor più preferibilmente tra 6 e 7.

La produzione di una soluzione ossidante per mezzo del dispositivo dell’invenzione ha anche il vantaggio di offrire la possibilità di regolare il quantitativo di sodio rilasciato a seconda delle caratteristiche del terreno e della specie vegetale da trattare: per terreni già ricchi di potassio e colture con una tolleranza al sodio relativamente alta, è possibile alimentare il dispositivo semplicemente con cloruro di sodio, più economico. In altri casi, ad esempio dove l'apporto di sodio debba essere opportunamente limitato, il dispositivo dell’invenzione può operare con un’alimentazione costituita prevalentemente o esclusivamente da una soluzione di cloruro di potassio. La soluzione ossidante ottenuta con il dispositivo dell’invenzione ha un’efficacia maggiore dei prodotti in commercio contenenti cloro attivo in tutti i trattamenti di patologie vegetali derivanti da microrganismi, in particolare funghi e batteri, in quanto contiene una specie particolarmente attiva quale l’acido ipocloroso a pH debolmente acido o neutro, ad una concentrazione estremamente controllata poiché la produzione avviene contestualmente all’utilizzo. L’attività particolarmente elevata dell’acido ipocloroso per questo tipo di applicazione può presumibilmente essere giustificata dalla sua peculiare natura di fonte simultanea di ossigeno nascente e cloro attivo, secondo l’equilibrio:

2 HCIO ? O2+ 2 HCI

HCIO HCI ? Cl2+ H2O

Inoltre la soluzione di acido ipocloroso prodotta con il dispositivo dell'invenzione, oltre a contenere altri composti attivi del cloro in accordo con i noti equilibri chimici (biossido di cloro, ipocloriti, cloriti, clorati) presumibilmente contiene anche piccoli quantitativi di acqua ossigenata, che per quanto difficilmente ri levabili all’analisi per la forte reattività di tale specie con acido ipocloroso (secondo H2O2+ HCIO ? O2+ HCI H2O) contribuiscono proprio per via di tale reazione alla generazione di ossigeno nascente, dando luogo ad un vero e proprio effetto sinergico con l’acido ipocloroso stesso.

Ai fini di ottenere una soluzione ossidante adatta agli scopi dell’invenzione a partire da una soluzione di cloruri alcalini come indicato, in una forma di realizzazione il dispositivo secondo l’invenzione può essere vantaggiosamente equipaggiato con una cella elettrolitica del tipo indiviso, con anodi preferibilmente costituiti da un substrato di titanio attivato con opportuni catalizzatori tali da conferire un adatto potenziale di ossidazione nelle condizioni di utilizzo e catodi, ad esempio di nickel 0 acciaio, che possono essere opportunamente attivati ovvero non attivati, come noto nell’arte; in una seconda forma di realizzazione, anche celle provviste di separatore (ad esempio celle con catodo e anodo coassiale separati da diaframma ceramico) possono essere adatte allo scopo. L’attivazione anodica può essere vantaggiosamente costituita da una miscela di ossidi metallici; nel corso della sperimentazione, anodi attivati con composizioni catalitiche costituite da miscele di ossidi di iridio, rutenio e stagno si sono dimostrati particolarmente adatti aN’ottenimento di soluzioni ossidanti con composizioni idonee. In una terza forma di realizzazione, sia gli anodi sia i catodi sono costituiti da titanio attivato e sono alimentati con una tensione elettrica che viene periodicamente invertita. L’inversione di polarità consente di distruggere le incrostazioni di carbonato di calcio che con il tempo si depositano sui catodi: pertanto, questa alternativa permette di utilizzare per la preparazione delle soluzioni saline acqua caratterizzata da elevata durezza, eliminando la necessità di includere nel dispositivo elettrochimico costose unità di addolcimento, ossia di abbattimento preventivo del calcio.

Il dispositivo dell'invenzione è adatto all'irrorazione di soluzioni ossidanti prodotte al momento su varie specie vegetali: esso può essere impiegato in installazioni fisse o semifisse (ad esempio in sistemi di annaffiatura provvisti di dispositivi rotanti), oppure installato su mezzi mobili di vario tipo, ad esempio autoveicoli agricoli, per il trattamento di vaste zone di coltivazione in tempi ridotti. Il trattamento di specie vegetali con una soluzione ossidante secondo l’invenzione è particolarmente indicato nel trattamento di alberi da frutto, a titolo di esempio non limitativo affetti da colpo di fuoco batterico (patologia causata da Erwinia amylovora), cancro da valsa (causato da Valsa ceratosperma) o cancro rameale (da Nectria galligena). In questi casi, il trattamento può essere vantaggiosamente effettuato sia sulle foglie (ad esempio nel caso di colpo di fuoco batterico) che su rami, branche e tronchi (ad esempio nei casi di cancro da valsa o cancro rameale). Prima del trattamento su alberi, le parti colpite possono essere avvolte da garza o tessuto con caratteristiche idrofiliche, per aumentare l’efficacia del contatto con la soluzione ossidante, diminuendo la dispersione del prodotto durante l’applicazione e rallentandone l’evaporazione. In una forma di realizzazione alternativa, è possibile irrorare un materiale idrofilico in forma di garza o tessuto per mezzo del dispositivo dell'invenzione per poi applicarlo successivamente alle parti degli alberi da trattare.

DESCRIZIONE IN BREVE DELLA FIGURA

La figura è una rappresentazione schematica di una possibile forma di realizzazione del dispositivo secondo l’invenzione, atto aN’impiego in instalazioni fisse o su mezzo mobile.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLA FIGURA

In figura è rappresentata a scopo esemplificativo e non limitativo una forma di realizzazione preferita del dispositivo secondo la presente invenzione, comprendente una cella elettrolitica (100) nella quale per semplicità di disegno sono mostrati un anodo (110) e un catodo (120) senza alcun separatore interposto. Come risulterà evidente ad un esperto del settore, le stesse considerazioni valgono per celle costituite da assiemi di anodi e catodi planari e intercalati, o da anodi e catodi cilindrici coassiali, opzionalmente con l’interposizione di un separatore, ad esempio un diaframma ceramico o una membrana a scambio ionico. L’anodo (110) è collegato al terminale positivo (201) di un raddrizzatore di corrente (200) o altro mezzo idoneo ad imporre una differenza di potenziale, mentre il catodo (120) è collegato all’analogo terminale negativo (202).

In caso di realizzazione dell’invenzione secondo l’alternativa che prevede l’inversione periodica della tensione applicata, come descritto sopra, la differenza di potenziale applicata dal raddrizzatore di corrente (200) viene periodicamente invertita con una frequenza prefissata.

La cella elettrolitica (100) è alimentata con una soluzione di cloruri alcalini (302) proveniente da un serbatoio di alimentazione (300) che può essere caricato in discontinuo dall’esterno attraverso opportuni mezzi di adduzione (301).

La soluzione (302), che nel passaggio tra l’anodo (110) e il catodo (120) è sottoposta ad un idoneo gradiente di potenziale elettrico applicato dal raddrizzatore di corrente (200), subisce un processo elettrolitico con formazione di una soluzione ossidante primaria contenente acido ipocloroso (401) assieme ad altre specie clorurate e tracce opzionali di acqua ossigenata e ozono. In una forma di realizzazione alternativa che prevede l’uso di un separatore interposto tra anodo e catodo con conseguente formazione di due comparti separati, la soluzione ossidante primaria (401) viene prelevata dal comparto anodico. Nella forma di realizzazione illustrata, la soluzione ossidante primaria (401), caratterizzata da concentrazione di acido ipocloroso maggiore rispetto a quella di utilizzo, viene alimentata ad un serbatoio di servizio (400) e quivi diluita con acqua pura o soluzione acquosa, preferibilmente a pH controllato, attraverso opportuni mezzi di adduzione (410) che operano in continuo (ad esempio con acqua di rete) o in discontinuo.

La soluzione ossidante viene così portata ad una concentrazione finale idonea per l’utilizzo, preferibilmente compresa tra 0.01 e 2 g/l di acido ipocloroso; il prodotto finale così ottenuto (402) viene inviato ad opportuni mezzi di irrorazione (500) noti nella tecnica per applicazione diretta sulle specie vegetali da trattare. In una forma di realizzazione alternativa, che non prevede l’uso di un serbatoio di servizio (400), la soluzione ossidante (401) viene direttamente prodotta nella concentrazione idonea all’utilizzo diretto ed inviata ai mezzi di irrorazione (500).

La concentrazione della soluzione ossidante primaria (401) può essere opportunamente regolata agendo sui parametri di processo (composizione della soluzione di cloruri alimentata, intensità di corrente, pH) o sul dimensionamento della cella elettrolitica (lunghezza e distanza relativa degli elettrodi, tempo di residenza dell’elettrolita), come risulterà chiaro ad un esperto della materia. In particolare, a parità di flusso di elettrolita, la produzione di acido ipocloroso e di cloro attivo in generale aumenta aN’aumentare della intensità della corrente elettrica e della concentrazione di ione cloruro nella soluzione di alimentazione (302). La regolazione fine dei parametri di processo può essere controllata in continuo, con l'ausilio di opportuna strumentazione, non mostrata. Ad esempio, la concentrazione di acido ipocloroso può essere monitorata per spettrofotometria UV in continuo e regolata agendo sui parametri di potenziale impostato e di velocità di circolazione dell’elettrolita.

In una forma di realizzazione preferita, il dispositivo dell’invenzione è installato su un mezzo mobile, opzionalmente un veicolo per uso agricolo.

ESEMPIO 1

Un dispositivo elettrochimico analogo a quello illustrato in figura 1 è stato equipaggiato con una cella elettrolitica indivisa comprendente anodi planari di titanio attivati con un rivestimento catalitico a base di ossidi di Ir, Ru e Sn e catodi di nickel non attivati. La superficie anodica totale, coincidente con quella catodica, era pari a 600 cm<2>. Il serbatoio d alimentazione è stato alimentato con una soluzione a pH neutro contenente 1 g/l di NaCI e 2.5 g/l di KCI, ed il serbatoio di servizio è stato alimentato con un flusso di acqua di rete la cui portata era comandata da una sonda UV a valle, calibrata in modo da misurare la concentrazione di acido ipocloroso in uscita per assorbimento a 292 nm regolando la stessa ad un valore compreso tra 0.10 e 0.15 g/l al momento dell’irrorazione. Il flusso in uscita dalla cella elettrolitica al serbatoio di servizio è stato regolato ad una portata di 20 l/h, in modo da ottenere una soluzione ossidante primaria ad una concentrazione di circa 0.30 g/l di HCIO. Una opportuna sonda è stata anche utilizzata per misurare il pH di soluzione immediatamente a monte dell’apparato di irrorazione, controllando che non superasse il valore di 6.5.

Il dispositivo così regolato è stato utilizzato per l’irrorazione sulle foglie di 50 alberi di pero di varietà William bianco affetti da colpo di fuoco batterico, patologia causata dal batterio Erwinia amylovora che provoca l’imbrunimento di germogli, foglie e fiori della pianta per gruppi localizzati. Altri 50 esemplari di pero dello stesso appezzamento affetti dalla patologia indicata sono stati trattati con solfato rameico, secondo la tecnica nota. Ciascun trattamento è stato ripetuto una volta al giorno, durante 10 giorni successivi. Dopo l’intero ciclo di trattamenti, gli episodi di colpo di fuoco batterico che interessavano gli esemplari irrorati con il dispositivo dell’invenzione erano inferiori al 50% di quelli riscontrati sulle piante trattate con solfato rameico.

Un’indagine per microscopia elettronica a scansione (SEM) prima del trattamento, effettuata su foglie degli stessi esemplari apparentemente non ancora affette dalla patologia, mostrava in realtà un’abbondante presenza di colonie batteriche; dopo il trattamento con il dispositivo elettrochimico secondo l’invenzione, la ripetizione della stessa indagine evidenziava una totale assenza di proliferazione batterica. Al contrario, il medesimo controllo effettuato su foglie trattate con solfato rameico, pur rilevando una sostanziale riduzione del fenomeno, manifestava ancora la presenza di tracce di colonie batteriche. Tale osservazione dimostra che il dispositivo dell’invenzione può essere efficacemente impiegato per trattamenti preventivi, oltre che terapeutici.

ESEMPIO 2

Il dispositivo dell’esempio 1 è stato operato in condizioni pressoché analoghe in una coltivazione di alberi di melo di varietà Granny Smith affetti da cancro da valsa e cancro rameale, patologie causate dagli agenti fungini Valsa ceratosperma e Nectria galligena e che si manifestano su rami, branche e tronchi come cancri dal margine netto e profondamente fessurato. Rispetto alla prova dell’esempio precedente, il serbatoio di servizio non è stato alimentato con acqua di servizio, ed una analoga soluzione ossidante con una concentrazione di HCIO pari a 0.30 g/l è stata ottenuta aumentando la portata di elettrolita in uscita dalla cella a 45 l/h. Prima del trattamento, le parti colpite da sottoporre a trattamento sono state avvolte da più strati di garza. Il trattamento di irrorazione su tronchi, branche e rami è stato effettuato una volta al giorno per un periodo di 30 giorni. Al termine di questo ciclo, tutti i casi di cancro trattati risultavano disseccati e circoscritti, con ricrescita di nuova legna nel tronco dalla parte opposta a quella colpita.

La precedente descrizione non intende limitare l’invenzione, che può essere utilizzata secondo diverse forme di realizzazione senza per questo discostarsi dagli scopi e la cui portata è univocamente definita dalle rivendicazioni allegate. Nella descrizione e nelle rivendicazioni della presente domanda la parola “comprendere” e le sue variazioni quali “comprendente” e “comprende” non escludono la presenza di altri elementi, componenti o stadi di processo aggiuntivi. La discussione di documenti, atti, materiali, apparati, articoli e simili è inclusa nel testo al solo scopo di fornire un contesto alla presente invenzione; non è comunque da intendersi che questa materia o parte di essa costituisse una conoscenza generale nel campo relativo all’invenzione prima della data di priorità di ciascuna delle rivendicazioni allegate alla presente domanda.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1 . Dispositivo elettrochimico per la realizzazione in continuo di trattamenti biocidi in applicazioni agricole, che comprende: almeno una cella elettrolitica alimentata con una soluzione di cloruri alcalini e comprendente almeno un anodo e almeno un catodo mezzi per mantenere tra detto anodo e detto catodo un potenziale elettrico atto alla produzione di una soluzione ossidante contenente acido ipocloroso mezzi per l’irrorazione di detta soluzione.
2. 2. Il dispositivo secondo la rivendicazione 1 che inoltre comprende almeno un serbatoio di accumulo, mezzi di adduzione di detta soluzione ossidante e di acqua a detto serbatoio di accumulo atti a realizzare la diluizione di detta soluzione ossidante fino aN’ottenimento di una composizione predeterminata a monte di detti mezzi di irrorazione.
3. 3. Il dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2 che inoltre comprende un sistema di controllo della composizione ed opzionalmente della temperatura di detta soluzione atto a mantenere la concentrazione di acido ipocloroso a monte di detti mezzi di irrorazione in un intervallo compreso tra 0.01 e 2 g/l durante la fase di irrorazione.
4. 4. Il dispositivo secondo la rivendicazione 3 che inoltre comprende un sistema di controllo dell’acidità di detta soluzione atto a mantenere il pH a monte di detti mezzi di irrorazione in un intervallo compreso tra 6 e 7.
5. 5. Il dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti ove detta soluzione di cloruri alcalini comprende una miscela di cloruro di sodio e cloruro di potassio ad una concentrazione complessiva compresa tra 1 e 50 g/l e ad un pH compreso tra 6 e 8.
6. 6. Il dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti ove detta cella elettrolitica è del tipo indiviso.
7. 7. Il dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti ove detto almeno un anodo è di titanio attivato con un rivestimento catalitico.
8. 8. Il dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6 ove detti almeno un anodo e almeno un catodo sono di titanio attivato con un rivestimento catalitico e detti mezzi per mantenere tra detto anodo e detto catodo un potenziale elettrico sono dotati di un dispositivo di inversione della polarità.
9. 9. Il dispositivo secondo la rivendicazione 7 o 8 ove detto rivestimento catalitico contiene ossidi di Ru, Ir e Sn.
10. 10. Mezzo mobile per la realizzazione in continuo di trattamenti biocidi in applicazioni agricole, che comprende almeno un dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti installato su un veicolo per uso agricolo.
11. 11. Procedimento per il trattamento preventivo o curativo applicato a specie vegetali di patologie provocate da microrganismi che comprende le seguenti fasi simultanee o sequenziali: alimentazione del dispositivo di una delle rivendicazioni da 1 a 9 con una soluzione di cloruri alcalini applicazione di un potenziale elettrico tra detto almeno un anodo e detto almeno un catodo produzione di una soluzione ossidante che comprende da 0.01 a 2 g/l di acido ipocloroso irrorazione di detta soluzione ossidante sulle specie vegetali da trattare.
12. 12. Il procedimento secondo la rivendicazione 11 ove dette specie vegetali sono alberi da frutta e detta irrorazione è effettuata sui tronchi, branche e rami e/o sulle foglie.
13. 13. Il procedimento secondo la rivendicazione 12 ove detti tronchi, branche o rami sottoposti a detta irrorazione sono previamente avvolti da garza, tessuto o altro materiale idrofilico.
14. 14. Il procedimento secondo una delle rivendicazioni da 11 a 13 ove detti microrganismi sono selezionati dal gruppo che comprende Erwinia amylovora, Valsa ceratosperma, Nectria galligena e Pseudomonas syringae.
15. 15. Uso di una soluzione contenente acido ipocloroso ad una concentrazione compresa tra 0.01 e 2 g/l per trattamenti biocidi terapeutici o preventivi su alberi da frutto.