0
In Università si fa sperimentazione con distillatori e reattori Colaver.
E forse non tutti sanno che grazie a questi esperimenti hanno scoperto che il biossido di titanio rende meno inquinata l’aria all’interno degli ambienti domestici. Questa scoperta è dovuta anche grazie ad un esperimento svolto nei laboratori dell’Università degli studi di Milano Bicocca. Lo strumento utilizzato è stato un reattore realizzato da Colaver.
Ogni inverno, nelle grandi città, emerge il problema dell’inquinamento atmosferico soprattutto all’accensione delle caldaie per il riscaldamento. Il biossido di titanio è in grado di dare risposte a questo problema. A volte viene indicato di non uscire di casa per non respirare l’aria troppo carica di sostanze tossiche.
L’esperimento svolto dal laboratorio dell’Università di Milano Bicocca con il biossido di titanio dimostra una triste realtà. Il più delle volte, l’aria di casa è inquinata tanto quanto quella fuori, e a volte anche di più.
La casa è un ambiente chiuso, quindi con scarsa ventilazione. Gli agenti inquinanti attivi nell’aria esterna, nell’ambiente domestico raggiungono livelli di concentrazione anche superiore a quella esterna.
Quindi per avere in casa un’aria che sia più pulita e respirabile, le persone sono alla ricerca di accorgimenti, o meglio di strumenti, in grado di ripulire l’aria di casa con filtri o condizionatori di qualche tipo. Il biossido di titanio può servire proprio a questo scopo.
Franca Morazzoni e Roberto Scotti, docenti della Facoltà di Chimica dell’Università, hanno sperimentato in laboratorio che il normale filtro a carbone attivo non è sufficiente a ripulire l’aria dagli agenti inquinanti.
L’esperimento svolto con i reattori di Colaver ha messo in evidenza che, per una efficace pulizia dell’aria, il filtro deve contenere biossido di titanio. Questa sostanza, messa sotto irraggiamento, è in grado di distruggere completamente gli inquinanti all’azoto e gli inquinanti al carbonio.
Per capire come si svolge questa reazione sono state ricreate in laboratorio le condizioni presenti all’interno di un condizionatore o di un filtro dell’aria.
L’esperimento con il biossido di titanio è stato ricreato in acqua anziché in aria per comodità, pur mantenendo gli stessi principi. In un reattore appositamente realizzato da Colaver sono stati inseriti acqua e ossido di azoto, visibile a occhio nudo per la sua opacità rispetto all’acqua. I reattori sono realizzati da Colaver, come si può vedere nel video, contraddistinti dal marchio impresso sul vetro.
Successivamente si procede all’irraggiamento tramite lampada UV e all’interno del reattore viene inserito l’inquinante organico debitamente colorato per metterne in risalto la presenza.
La soluzione all’interno del reattore è diventata rossa a causa della presenza dell’inquinante.
Dopo circa 30 minuti la soluzione è tornata ad essere completamente bianca. L’inquinante organico è stato totalmente distrutto dell’ossido di titanio e si è trasformato in anidride carbonica e acqua, due sostanze assolutamente non tossiche.
Questo esperimento dimostra che l’ossido di titanio è in grado di eliminare, o meglio di trasformare, le sostanze inquinanti presenti nell’aria. Pertanto, quando si acquista un condizionatore, o quando si applica un filtro ad uno esistente, per purificare efficacemente l’aria domestica verificare con attenzione sull’etichetta che il filtro contenga ossido di titanio.
Il biossido di titanio è molto utilizzato nell’industria delle vernici per il suo alto indice di rifrazione. Costituisce il pigmento bianco molto coprente anche nella plastica e nel cemento e per rendere opaca e “coprente” anche la vernice colorata. Per questo motivo infatti viene chiamato “bianco di titanio”.
Prima di assumere questo vasto utilizzo, la produzione di vernici prevedeva l’uso del bianco di piombo o del solfato di calcio.
Però questi avevano il difetto di essere meno coprenti e di avere una certa percentuale di tossicità rilasciata nell’aria.
In generale le proprietà coprenti del titanio vengono utilizzate anche nella produzione della carta, della plastica e della gomma e per migliorare la resistenza agli acidi della ceramica.
Le proprietà dell’ossido di titanio sono comunque allo studio da diverso tempo.
Possiede proprietà catalizzatrici capaci di distruggere per ossidazione diversi composti organici, come abbiamo visto nell’esperimento.
Sono ancora allo studio più vaste applicazioni di queste proprietà che hanno l’obiettivo di creare materiale capaci di pulire i composti che si depositano su di essi, grazie alla luce solare.
Per svolgere questi esperimenti, sempre più spesso vengono utilizzati distillatori e reattori che Colaver fornisce ai dipartimenti di molte Università italiene ed estere.
Sarebbe una scoperta particolarmente utile in questi tempi di alto inquinamento.
La capacità del biossido di titanio di degradare le sostanze tossiche potrebbero essere in grado di produrre idrogeno da una soluzione acquosa, con tutte le implicazioni industriali ed economiche che questo comporterebbe.
Un ulteriore utilizzo di queste sostanze è stato quello della cosmesi, sempre per le stesse proprietà coprenti per le quali il biossido di titanio è conosciuto.
Le particelle nanometriche di biossido di titanio filtrano la luce solare e assorbono soprattutto le radiazioni UV. Sono ancora allo studio però le possibili conseguenze della presenza di queste particelle sulla pelle.
Sono in corso studi accurati che verifichino possibili danni per la salute. Il possibile assorbimento di nanoparticelle di ossido di titanio nelle applicazioni cosmetiche, potrebbero avere conseguenze infiammatorie sul corpo umano. È da accertare che la pelle esposta a questo tipo di particelle, non ne assorba una quantità sufficiente da essere pericoloso per la salute.
È grazie a queste ricerche che i materiali trovano nuovi utilizzi e creano soluzioni ai diversi problemi che si vengono a creare. E non solo il biossido di titanio.
L’utilizzo del reattore elettrochimico realizzato da Colaver ha creato l’ambiente ideale per ricreare l’ambiente da analizzare.
In soffieria è possibile realizzare reattori di dimensioni anche notevoli, mantenendo lo spessore adeguato delle pareti e del coperchio a flangia.
Visto che spesso il reattore deve lavorare in condizioni di vuoto, viene frequentemente realizzato un coperchio con una bombatura in grado di reggere anche alte pressioni di vuoto ed evitare l’implosione.
In laboratorio però si utilizza vetreria anche più semplice del reattore.
Uno dei processi più frequenti che viene effettuato è quello della distillazione.
Il distillatore è uno strumento in vetro, anzi sono diversi strumenti inseriti in un sistema complesso.
Cerchiamo di conoscere i diversi tipi di distillazione.
Il sistema di distillazione è solitamente composto da due palloni, collegati da un sistema di raffreddamento ad acqua, detto anche refrigerante. Questo è collegato alla rete di distribuzione dell’acqua con due tubi in gomma.
Il refrigerante è quindi costituito da un tubo cavo intorno al quale è costruita una camera dentro cui far passare il liquido freddo.
A sua volta, il raccordo del refrigerante è collegato ad un termometro per il controllo della temperatura.
Ad una estremità, il pallone in cui viene messo il liquido da distillare è posto in un riscaldatore che permette di riscaldare a temperatura controllata il contenuto.
Il processo si basa essenzialmente sul passaggio di stato dei liquidi. Ciò significa operare sulla capacità dei liquidi di evaporare e ricondensare in opportune condizioni di temperatura.
Per cui, quello che sperimenteremo è porre dell’acqua del rubinetto nel pallone, impostare la temperatura del sistema riscaldante a circa 150°C.
Visto che l’acqua bolle a 100°C, sopra questa temperatura si sperimenta un passaggio tra acqua allo stato liquido e acqua allo stato di vapore.
Questo passaggio viene sfruttato nella distillazione.
Quando la temperatura dell’acqua supererà i 100°C, l’acqua inizierà ad evaporare in maniera forzata. La temperatura potrà essere monitorata con l’ausilio del termometro.
A partire dalla temperatura ambiente di circa 23°C, l’acqua viene riscaldata progressivamente.
Il termometro segnalerà l’incremento per attestarsi a 100°C. Questa è la temperatura di passaggio di stato dell’acqua alla temperatura dei vapori.
Il refrigerante consente di creare un punto freddo nel quale convogliare i vapori. La temperatura inferiore a quella dei vapori, creerà le condizioni per una ricondensazione dei vapori. Questi percoleranno nel tubo interno del refrigerante ed andranno a raccogliersi nel pallone all’altra estremità.
In questa sperimentazione viene riempito il pallone con acqua della rete che contiene sostanze e sali disciolti.
Durante il processo di distillazione questi sali non evaporeranno insieme all’acqua.
La cosiddetta distillazione semplice permette di separare la frazione liquida (acqua) dai sali in essa contenuti che andranno a raccogliersi all’altra estremità del sistema.
Il risultato finale sarà da una parte la raccolta dell’acqua ricondensata attraverso il refrigerante, e dall’altra i sali minerali disciolti rimasti nel primo pallone.
Il residuo solido rimasto nel primo pallone è costituito da sali di calcio e magnesio.
A differenza della distillazione semplice, la distillazione frazionata ha lo scopo di separare i componenti di una miscela, cioè di frazionare.
Anche questa distillazione si basa sul passaggio di stato da liquido a vapore a seguito di riscaldamento. Il passaggio di stato avviene in maniera forzata ad una particolare temperatura per ciascuna sostanza: la temperatura di ebollizione.
La differenza tra le temperature di ebollizione dei diversi liquidi che compongono la soluzione viene sfruttata per poter separare utilizzando un apparato di distillazione.
Abbiamo svolto un esperimento creando una miscela di acqua ed etanolo raccolta nel primo pallone. Sopra questo è posta una colonna di frazionamento. Sopra, un raccordo con il termometro per il controllo della temperatura. Determinante la presenza di una colonna di raffreddamento nella quale ricondenseranno i vapori della frazione evaporata.
Questo poi si raccoglieranno nel secondo pallone all’altra estremità.
Il principio di separazione tra due sostanze liquide della distillazione frazionata si basa proprio sulla differenza tra le temperature di ebollizione.
In questo caso le sostanze presenti, acqua ed etanolo, hanno temperature di ebollizione rispettivamente di 100°C e 80°C e quindi è possibile separarle sfruttando questa differenza.
Impostando una temperatura di circa 90°C si otterrà l’evaporazione dell’etanolo ma non di quella dell’acqua.
A questa temperatura l’unica sostanza della miscela ad evaporare sarà l’etanolo. Questo potrà essere poi ricondensato attraverso la camicia refrigerante e raccolto in maniera separata nel secondo pallone.
Al termine della distillazione frazionata, nel primo pallone è rimasta nel pallone la componente acquosa della miscela. Invece l’etanolo è evaporato e raccolto ricondensato nel secondo pallone.
È stato possibile separare i due componenti sfruttando le diverse temperature di ebollizione dei due componenti della miscela. Infatti l’etanolo e l’acqua evaporano rispettivamente a 80°C e a 100°C.
La tecnica della distillazione è basata, come già spiegato, sulla differenza tra le temperature di ebollizione delle sostanze della miscela. La tecnica è conosciuta fin dal medioevo, quando si utilizzava per la produzione di bevande alcoliche. Oggi ha due applicazioni prevalenti:
serve sia per purificare le sostanze da scorie o materiali da eliminare, sia per separare delle miscele complesse.
Oggi, una delle sue applicazioni principali è la separazione del petrolio greggio dalle sue componenti principali.
Un altro esempio che possiamo sperimentare è la distillazione del vino. Questo procedimento serve per separare l’alcool etilico dall’acqua e dalle altre componenti.
Nello stesso impianto descritto precedentemente, nel pallone ad una estremità, chiamato anche caldaia, viene messo nel bagno riscaldante e portato a temperatura.
L’alcool etilico ha una temperatura di ebollizione di 78°C. Raggiunta tale temperatura i vapori vengono convogliati nel refrigerante dove ricondensano.
Dopo questo, vengono raccolti nel secondo pallone di raccolta dove verrà convogliato solo l’alcool etilico puro.
Determinante è la differenza tra i punti di ebollizione delle varie sostanze componenti una miscela. Questo è un fattore determinante per la buona riuscita di una distillazione. Se infatti questa differenza scende al di sotto dei 20°C, la separazione delle due componenti potrebbe non essere ottimale.
In alcuni casi, alcune sostanze hanno un punto di ebollizione estremamente elevato. Il riscaldamento necessario alla distillazione di queste sostanze può provocare la loro decomposizione.
Per ovviare a ciò si ricorre ad una distillazione a pressione ridotta collegando il sistema ad una pompa a vuoto. In questo modo è possibile distillare la stessa sostanza ad una temperatura più bassa. Questo perché i punti di ebollizione delle sostanze sono direttamente correlati alla loro pressione.
