Sviluppo sperimentale di un metodo di abbattimento dell'ossigeno nelle acque di caldaia

Dissolved oxygen in water is the main cause of corrosion of piping in plants and process equipment, but also in small plants, boilers and heat pumps for civil-residential use. Dissolved oxygen removal by water is a practice that can completely stop corrosive phenomena associated to oxygen, before they affect seriously and even lead to breakage of metallic components. Traditional methods for dissolved oxygen removal are physical or chemical. However, they are conveniently used only in big process plants such as chemical, Oil&Gas and power generation plants. Several electrochemical processes and associated equipment were developed for water deoxygenation in small scale plants. Existing patents are all based on a membrane separation process. In an electrochemical cell, oxygen is reduced on the cathode surface, while on the anode surface the opposite reaction of oxygen evolution take place. The electrodes are divided by a membrane which impedes to the evolved oxygen to get back to the treated water. The existing methods have never had practical use and commercial success. This research work is intended to explore experimentally the way of adapting an impressed current cathodic protection system for electrochemical dissolved oxygen removal, potentially useful in small scale plants. It is necessary to verify that the electrochemical cell would automatically remove dissolved oxygen by water if present in water and solution. It is fundamental to verify hydrogen evolution does not take place while treating water or at the end of the deoxygenation process. Preliminary tests on small laboratory scale have shown the possibility of using this method. However, the scale-up of the system with the building of a multielectrode cell has shown strong difficulties because of hydrogen evolution. This process becomes unavoidable also for really small feeding tensions of the system. Further decrease in feeding tensions can decrease in certain cases the amount of hydrogen development, but low feeding tensions means also low current density and low oxygen reduction. Low oxygen reduction implies long time for dissolved oxygen removal to happen, but an increase in reaction surfaces can compensate this problem, increasing oxygen reduction rate. However, this solution leads to such dimensions of the equipment it is inapplicable usefully in practice. The best solution for corrosion prevention in small scale plants is still the choice of corrosion resistant materials.

L’ossigeno dissolto in acqua è la principale causa di corrosione delle tubature in installazioni e apparecchiature di processo, ma anche in piccoli impianti, caldaie e pompe di calore per utilizzo civile-residenziale. La rimozione dell’ossigeno di soluzione dall’acqua è una pratica in grado di arrestare i processi corrosivi ad esso legati prima che questo causi danni eccessivi e potenzialmente la rottura dei componenti metallici. La rimozione dell’ossigeno mediante metodi tradizionali chimici o fisici è, tuttavia, convenientemente utilizzabile e utilizzata solo in grandi impianti di processo come impianti chimici, Oil&Gas o per generazione elettrica. Per impianti di piccole dimensioni è stata esplorata la possibilità di creare un processo e il relativo dispositivo elettrochimico per la deossigenazione dell’acqua. I brevetti presenti si basano su un processo di separazione mediante membrana. In una cella elettrochimica avviene la riduzione dell’ossigeno sulla superficie catodica e la reazione inversa di sviluppo di ossigeno sulla superficie anodica, separate dalla membrana, che impedisce il ritorno dell’ossigeno nell’acqua trattata. Il problema principale in queste soluzioni è impedire che sul catodo avvenga anche la reazione parassita di sviluppo di idrogeno. Le soluzioni esistenti non hanno mai trovato impiego e successo commerciale. Con questo lavoro di ricerca si vuole sperimentalmente studiare la possibilità di adattare un sistema di protezione catodica a corrente impressa per lavorare come sistema di rimozione dell’ossigeno dalle acque di caldaia, adattabile a impianti di piccole dimensioni. Si vuole verificare la possibilità di creare una cella elettrochimica che rimuova automaticamente l’ossigeno quando presente in soluzione. È però fondamentale verificare che non si sviluppi idrogeno durante la rimozione dell’ossigeno o a soluzione deaerata. Le prove preliminari su piccola scala di laboratorio hanno evidenziato la possibilità di utilizzare un metodo di questo tipo. L’aumento di dimensioni con la costruzione di un prototipo multielettrodo ha però evidenziato forti difficoltà nel limitare lo sviluppo di idrogeno. Questo processo diviene inevitabile fino a tensioni di alimentazione del sistema anche molto basse. Ulteriori riduzioni di tensione possono in certi casi ridurre lo sviluppo di idrogeno, ma le basse tensioni alimentate implicano bassi valori di corrente circolanti nel sistema. Questo implica una velocità di riduzione dell’ossigeno estremamente bassa, compensabile solo con un aumento delle dimensioni del dispositivo tale da renderne ingiustificabile un’applicazione pratica. La miglior soluzione attuabile per prevenire problemi di corrosione in impianti di piccola scala rimane la scelta di materiali resistenti all’azione aggressiva dell’ossigeno di soluzione.