Ad eccezione dell’elio, che è per lo più estratto dai gas naturali, ossigeno, azoto e gli altri gas rari sono estratti dall’aria, la quale compone l’atmosfera terrestre. A differenza delle fonti di alcune sostanze chimiche, non ci sono preoccupazioni per l’esaurimento di questa risorsa e se un campione di aria viene utilizzato per produrre uno di questi gas, non ci sono problemi a liberare i “gas di scarico” nell’atmosfera.
La pronta disponibilità dell’ossigeno e la sua reattività con molti altri elementi significa che è utilizzato durante la produzione di molti altri composti chimici, mentre alcuni impieghi di azoto e gas rari dipende dalla loro inerzia.
Impieghi
Ossigeno
Il più ampio utilizzo dell’ossigeno è nell’industria dell’acciaio. È utilizzato anche nella produzione di altri metalli, in particolare rame e piombo. È più economico utilizzare l’ossigeno puro, o l’aria arricchita di ossigeno, piuttosto che l’aria, poiché ciò aumenta la velocità di reazione e significa che possono essere utilizzati impianti chimici più piccoli. Inoltre, rende più facile garantire che nessun gas, come l’anidride solforosa, vada perso e inquini l’atmosfera.
Questo gas è utilizzato anche nella produzione di molti composti chimici compresi acido nitrico, perossido d’idrogeno, epossietano e cloroetene (cloruro di vinile), il precursore del PVC.
Tra i suoi altri usi c’è la combustione del carbonio depositato sul catalizzatore fluido utilizzato nel cracking catalitico del gasolio.
Un utilizzo in crescita per l’ossigeno riguarda il trattamento delle acque e rifiuti derivanti dalle industrie. Fiumi e laghi inquinati possono essere puliti dissolve ossigeno gassoso direttamente nell’acqua per favorire un miglior equilibrio ecologico. Viene utilizzato, ad esempio, nell’allevamento ittico per fornire questo equilibrio.
È anche utilizzato, con l’idrossido di sodio, per candeggiare la pasta di carta in alternativa al biossido di cloro di cloro o al clorato di sodio (I) (ipoclorito di sodio).
Azoto
L’azoto è utilizzato per produrre ammoniaca. È anche utilizzato ampiamente per fornire un’atmosfera inerte, un processo noto come “blanketing” (copertura), principalmente per escludere ossigeno. Ad esempio, l’azoto viene utilizzato in questo modo negli imballaggi alimentari, nella produzione di vetro e nella produzione di semiconduttori. Viene anche utilizzato per spurgare i tubi prima della saldatura (ad esempio, i tubi dell’olio) per garantire che non rimangano vapori infiammabili.
L’azoto liquido è sempre più utilizzato come refrigerare il cibo durante il trasporto. I campioni medici contenenti, ad esempio sangue, virus per vaccinazioni e sperma, possono essere conservati per lunghi periodi di tempo se tenuti al fresco in azoto liquido.
Gas rari
L’elio liquido, con il suo basso punto di ebollizione di 4 K, è diventato molto importante nel raffreddamento dei magneti superconduttori, utilizzati, ad esempio, negli scanner MRI per la diagnosi medica. I magneti generano molto calore e l’elio è la prima scelta in quanto ha il punto di ebollizione più basso di qualsiasi liquido. La sua inerzia è fondamentale per gli altri suoi principali usi, ad esempio per fornire un’atmosfera inerte durante la saldatura dei metalli ( per evitare che i metalli reagiscano con l’aria per formare ossidi e nitruri). Viene anche utilizzato per spurgare il gas dai serbatoi che hanno contenuto combustibili come l’idrogeno liquido.
Fornisce inoltre un’atmosfera inerte durante la produzione di materiali di alto valore come le fibre ottiche.
A causa della sua bassa densità, l’elio viene utilizzato per palloni metereologici e dirigibili. Viene anche utilizzato in combinazione con l’ossigeno per produrre miscele respiratorie specializzate per i subacquei. Queste miscele sono migliori delle miscele azoto-ossigeno per immersioni prolungate poiché il sangue assorbirà solo una quantità limitata di elio mentre con l’azoto, la sua concentrazione può raggiungere livelli pericolosi per un periodo prolungato.
L’elio è utilizzato anche nei laser ad eccimeri e nei laser ad elio-neon utilizzati per lettori di codici a barre.
Il più comune utilizzo per il neon è nelle lampade a scarica elettrica, per esempio i tubi fluorescenti. Come kripton e xenon, il neon emette luce quando una corrente elettrica passa attraverso il gas a bassa pressione. Il neon fornisce un colore rosso o arancione, mentre diverse miscele di neon, argon ed elio possono essere utilizzati per realizzare i colori bianco, malva, giallo blu e verde. È anche utilizzato nei laser (laser ad elio-neon per i puntatori laser) e in pannelli di visualizzazione al plasma.
Tutti i principali usi dell’argon sono legati alla produzione, lavorazione e fabbricazione dei metalli. L’argon è un importante gas di protezione utilizzato durante i processi di saldatura ad arco, da solo o in combinazione con altri gas. È anche utilizzato come gas inerte in lampadine elettriche (quando mischiato all’azoto) o come mezzo a bassa conducibilità termica nelle unità di finestre a doppi vetri e per la produzione di semiconduttori.
Il Kripton non è utilizzato solo nelle lampade fluorescenti ma anche nelle lampade a incandescenza, comprese le lampadine flash e le lampade alogene utilizzate, ad esempio, in alcune automobili. Lo si trova anche nei laser ad eccimeri e nei pannelli di visualizzazione al plasma.
Lo Xenon, come gli altri gas rari, è utilizzato nelle lampadine, comprese le lampade alogeno. Ha uno spettro di luce molto più ampio rispetto agli altri gas rari e appare all’occhio umano come la luce del giorno, per questo viene utilizzato nell’illuminazione di grandi aree come stadi sportivi, illuminazione di palcoscenici e piste aeroportuali.
Lo xenon, miscelato con altri gas rari, è utilizzato in laser ad eccimeri nella chirurgia (per esempio nelle operazioni agli occhi).
Miscelato con ossigeno, viene utilizzato nella scansione CAT (Computer Aided Topography) per la mappatura del flusso sanguigno.
Lo xenon viene utilizzato anche come anestetico.
Produzione annuale
| Gas rari | Abbondanza nell’atmosfera (ppm) | Produzione mondiale (tonnellate per anno) |
| Elio | 5,2 | 28 0001 |
| Neon | 18 | 12 |
| Argon | 9300 | 700 0001 |
| Kripton | 1,1 | 82 |
| Xenon | 0,08 | 0,62 |
Dati da:
1 U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries,2016
2 enivromentalcheistry.com
Produzione
L’aria contiene azoto, ossigeno e argon con tracce di altri gas, incluso il vapore acqueo. Sebbene la presenza di anidride carbonica nell’aria sia molto importante da un punto di vista ambientale, rappresenta meno dello 0,04 %. In media, la composizione del’aria secca è, in volume:
| Gas | % |
| Azoto | 78 |
| Ossigeno | 21 |
| Argon | 0,95 |
Anidride carbonica, elio, neon, kripton e xenon compensano l’equilibrio.
Esistono diversi metodi per la produzione di azoto e ossigeno:
- Distillazione di aria liquidi a temperature criogeniche (molto basse). Questo produce grandi volumi di ossigeno molto puro (fino al 99,95 %), azoto e gas rari. Ossigeno e azoto sono spessi trasportati come liquidi (in autocisterne) e gassosi (mediante tubature) dove devono essere utilizzati su larga scala. Qualche volta, comunque, l’impianto è costruito dove vengono utilizzati i gas (ad esempio nella produzione dell’acciaio).
- Adsorbimento a oscillazione di pressione. Questo produce azoto e ossigeno, dove deve essere utilizzato (in loco), in quantità minori e fino al 95 % di purezza. La principale impurità è l’argon.
- Adsorbimento dell’oscillazione a vuoto. Viene utilizzato per produrre ossigeno in loco, fino al 95 % di purezza. La principale impurità è l’argon.
- Membrane. Queste possono anche produrre azoto in loco in piccole quantità con una purezza dal 95 % a più del 99 %.
La scelta del metodo dipende dall’impiego del gas e dalla quantità necessaria.
(a) Produzione di azoto e ossigeno attraverso separazione criogenica dell’aria
Esistono diverse fasi del processo (Figura 4), le tre principali sono:
- Pulire l’aria
- Liquefare l’aria
- Distillazione dell’aria liquida
i) Rimozione delle impurità dall’aria
In un tipico impianto, l’aria viene aspirata attraverso un filtro per rimuovere la polvere, compressa a circa 6 atm e raffreddata a una temperatura inferiori di quella ambientale, dove la maggior parte del vapore acqueo condensa. L’aria viene quindi fatta passare attraverso un setaccio molecolare di zeolite per rimuovere il resto del vapore acqueo e dell’anidride carbonica.
ii) Liquefare l’aria pura
La produzione di azoto, ossigeno e argon dall’aria atmosferica comporta la liquefazione dell’aria e quindi la sua separazione nelle parti componenti mediante distillazione frazionata. Poiché l’azoto e l’ossigeno hanno punti di ebollizione molto bassi (Tabella 3), si liquefanno a temperature criogeniche.
| Costituente | Punto di ebollizione (K) a pressione atmosferica |
| Elio | 4 |
| Neon | 27 |
| Azoto | 77 |
| Argon | 87 |
| Ossigeno | 90 |
| Kripton | 120 |
| Xenon | 165 |
| Anidride carbonica | 195 (sublima) |
Quando uno pneumatico di una bicicletta viene pompato, dalla pressione atmosferica a una pressione maggiore, viene prodotto calore. Al contrario, se il gas ad alta pressione viene espanso a una pressione minore, si verifica un calo di temperatura. Quasi tutti i metodi per produrre basse temperature dipendono da questa proprietà, ma non è una tecnica molto efficiente. Un modo più efficiente è l’espansione in una turbina, dove viene estratto il lavoro meccanico. Gli impianti di separazione dell’aria utilizzano uno o entrambi questi metodi, in combinazione con scambiatori di calore per ottenere il riscaldamento.
L’aria pura, già compressa a 6 atmosfere, viene raffreddata con il prodotto molto freddo e gli scarti (azoto se si produce ossigeno e ossigeno se si produce azoto) in una serie di scambiatori di calore.
Alla fine, questa aria compressa viene raffreddata a circa 100 K e quindi lasciata espandere rapidamente (la turbina di espansione) che la raffredda ulteriormente fino a quando non viene liquefatta.
La chiave dell’intero processo è l’uso di azoto, ossigeno e argon molto freddi per raffreddare l’aria in entrata prima dell’espansione.
iii) Distillazione dell’aria liquida
L’aria liquida è separata nelle sue componenti costituenti mediante distillazione frazionata. Ad ogni distillazione il vapore è più ricco di azoto (il componente con il punto di ebollizione inferiore), mentre il liquido rimanente contiene più ossigeno (il componente con il punto di ebollizione più alto).
Per produrre ossigeno puro, il sistema di distillazione ha due colonne di distillazione, una “bassa” e una “alta”. Gli impianti per l’azoto usano spesso una singola colonna, ma alcune ne usano anche due.
L’azoto lascia la parte superiore della colonna come gas. I livelli di purezza dell’azoto richiesti dagli utenti stanno diventando sempre più rigorosi e per questo viene liquefatto di nuovo e ridistillato. È insolito che l’azoto abbia un contenuto di ossigeno superiore a 10 ppm e le impurità contenute nell’azoto utilizzato nell’industria elettronica sono misurate in parti per miliardo (ppb).
Il liquido contente ossigeno e argon viene ulteriormente purificato mediante distillazione in una seconda colonna. Per ottenere ossigeno di elevata purezza, è necessaria un’ulteriore distillazione e l’argon viene rimosso.
Poiché gli impianti di separazione dell’aria funzionano a basse temperature, i materiali da costruzione devono essere scelti con cura. Le leghe di alluminio e l’acciaio inossidabile sono spesso utilizzati. Non diventano fragili a basse temperature.
Un isolamento dell’impianto efficiente è necessario per rendere il processo economico e sicuro. Sono solitamente utilizzate perlite (una roccia espansa), lana di vetro e tecniche di camicia a vuoto (figura 5).
(b) Produzione di azoto e ossigeno mediante adsorbimento a oscillazione di pressione (PSA)
A volte è più conveniente per alcuni impianti industriali produrre il proprio ossigeno e azoto in loco, a condizione che sia accettabile una purezza del 90 % circa. L’adsorbimento oscillante a pressione può fornire questo e produrre fino a circa 100 tonnellate al giorno.
Per produrre ossigeno, un flusso di aria pulita viene fatto passare attraverso un letto di allumina per essiccare il gas e quindi attraverso un letto di setaccio molecolare di zeolite. L’azoto viene trattenuto (adsorbito) preferenzialmente lasciando passare un flusso gassoso arricchito di ossigeno (figura 7). Quando la zeolite di satura di azoto è necessario rigenerarla. Ciò può essere ottenuto semplicemente riducendo la pressione, dopodiché l’azoto viene rilasciato (desorbito) nuovamente nella fase gassosa e respinto come rifiuto. Il setaccio, in questo modo, si rigenera totalmente ed è pronto per ripetere il ciclo.
Solitamente vengono utilizzati due letti a rotazione. Uno viene utilizzato per produrre l’ossigeno mentre l’altro viene rigenerato. Il tempo di ciclo completo può variare tra 2 e 8 minuti a seconda dei requisiti di prestazioni effettivi.
Invece di utilizzare una zeolite come nella produzione dell’ossigeno, l’azoto viene prodotto dall’aria utilizzando letti di setaccio molecolare di carbonio (CMS). L’aria compressa, pulita e secca viene fatta passare attraverso un letto di CMS (tipicamente a 7-12 atm). L’ossigeno viene adsorbito sulla superficie del CMS e l’azoto passa allo stoccaggio. Quando viene raggiunta la saturazione di ossigeno, un secondo letto viene portato in corrente, mantenendo la continuità di alimentazione; il primo letto viene invece scaricato nell’atmosfera per desorbire l’ossigeno e quindi rigenerare il CMS prima del ciclo successivo. La durata del ciclo completo per l’azoto varia tra 2 e 8 minuti, simile alla produzione di ossigeno da PSA.
(c) Produzione di ossigeno mediante adsorbimento a oscillazione a vuoto
L’ossigeno può essere prodotto in loco mediante un processo molto simile al PSA tranne per il fatto che il materiale del setaccio viene rigenerato ponendolo sottovuoto. Questo processo è più costoso da creare, ma è più efficiente da eseguire. Il setaccio viene rigenerato in modo più efficace e, di conseguenza, si ottiene più ossigeno da una data quantità di aria.
(d) Produzione di azoto utilizzando le membrane
Il principio alla base di questo metodo è che i gas si diffondono a velocità diverse attraverso una membrana a film polimerico. L’ossigeno e l’anidride carbonica si diffondono più rapidamente dell’azoto e dell’argon e questo consente al gas rimanente di diventare più ricco di azoto e argon. Alla fine, la concentrazione di azoto supera il 95 %.
Il polimero utilizzato per la membrana è spesso costituito da poli(metilpentene). L’aria, a pressioni comprese tra 7 e 12 atm e riscaldata da 290 a 310 K, viene fatta passare attraverso le membrane. I gas di scarico permeano attraverso la membrana e vengono scaricati nell’atmosfera.
(e) Produzione di gas rari
L’argon si ottiene durante la produzione criogenica di azoto e ossigeno, utilizzando una colonna di distillazione separata, montata accanto alla seconda colonna (a bassa pressione) utilizzata per purificare l’ossigeno.
A questo punto del processo di distillazione, la composizione è tipicamente 89% di ossigeno e 11% di argon con solo tracce di azoto e viene quindi nuovamente distillata per ottenere argon a circa il 98% di purezza, noto come argon industriale. Quando è necessario argon di qualità molto elevata (99,999 %), Pure Liquid Argon (PLAR), l’argon di grado industriale viene lavorato in un impianto separato, l’unità di purificazione dell’argon. Questa unità rimuove l’ossigeno residuo mescolando il flusso di gas con l’idrogeno e facendo passare la miscela su un catalizzatore. L’ossigeno si combina con l’idrogeno e l’acqua formatasi viene rimossa mediante passaggio attraverso un setaccio molecolare. L’azoto residuo viene quindi rimosso mediante ulteriore distillazione a temperature criogeniche.
Il neon (punto di ebollizione 27 K) non condensa alle temperature utilizzate negli impianti di frazionamento dell’aria e viene prelevato, con elio, e raffreddato alla temperatura dell’azoto liquido. L’elio viene rimosso mediante adsorbimento su carbone attivo.
Il kripton e lo xenon (punti di ebollizione rispettivamente di 120 e 165 K) si accumulano nell’ossigeno liquido e sono ottenuti per ulteriori distillazioni.
L’elio è ottenuto principalmente dal gas naturale. Quantità particolarmente elevate si trovano negli Stati Uniti, Qatar, Algeria, Russia (Siberia e Russia Orientale), Australia e Canada. Alcuni dei depositi di gas naturale negli Stati Uniti contengono il 16 % di elio. Il gas naturale viene compresso (40 atm) e i materiali condensati vengono rimossi. L’acido solfidrico viene rimosso mediante lavaggio con 2-amminoetanolo, come nel processo di estrazione dello zolfo; il vapore acqueo è invece rimosso facendo passare il gas attraverso allumina appositamente trattata. Il gas viene ulteriormente purificato mediante un processo di raffreddamento a tre stadi, l’elio più puro viene rimosso dopo ogni stadio e passato alla fase di raffreddamento successiva. L’elio è disponibile nei gradi di purezza 99,95% e 99,995% .
Ultimo aggiornamento 12 ottobre 2016
Tradotto da Patrik Pedrotti e Valter Ballantini
Foto in alto di Samuel Ramos su Unsplash