Come funzionano ionizzatori ed elettrolizzatori di acqua H₂

Spesso gli elettrolizzatori vengono chiamati anche ionizzatori o attivatori d’acqua. Tuttavia, è più corretto definirli elettrolizzatori, poiché questo termine riflette l’essenza dei processi che avvengono all’interno dei dispositivi. Qual è la differenza tra il funzionamento degli ionizzatori d’acqua e dei generatori di acqua idrogenata?

Cos’è un elettrolizzatore (ionizzatore o attivatore)? Cos’è l’acqua attivata o alcalina?

Gli elettrolizzatori sono spesso chiamati ionizzatori o attivatori d’acqua. Tuttavia, il termine elettrolizzatore è il più corretto, poiché descrive accuratamente il processo fisico e chimico coinvolto.

In un elettrolizzatore (ionizzatore), l’acqua viene separata in due tipi: acqua alcalina con pH superiore a 8 e acqua acida con pH inferiore a 6.

• Principio di funzionamento degli elettrolizzatori (ionizzatori)
  Un ionizzatore d’acqua è un dispositivo in cui due o più elettrodi sono immersi in una soluzione acquosa contenente sali.
  Con due elettrodi: anodo A(+) – elettrodo positivo, catodo C(-) – elettrodo negativo. Lo schema di un elettrolizzatore è il seguente:

In sostanza, i generatori di acqua idrogenata privi di membrana a scambio protonico sono semplici ionizzatori con due elettrodi.

Per intensificare i processi, gli elettrolizzatori più costosi utilizzano più piastre elettrodiche.

Quali processi avvengono in un elettrolizzatore?

Come suggerisce il nome, il processo fondamentale è l’elettrolisi: la decomposizione di una sostanza nei suoi componenti tramite corrente elettrica.

L’acqua chimicamente pura (distillata o deionizzata) conduce molto poco la corrente elettrica, pertanto la sua elettrolisi è difficile. Se si versa acqua distillata in un ionizzatore domestico, il dispositivo non funzionerà.

L’elettrolisi dell’acqua potabile è possibile grazie alla presenza di sali disciolti, come calcio, sodio, magnesio, cloruri, bicarbonati ecc. Per questo motivo, l’acqua viene spesso ulteriormente mineralizzata.

In pratica, si tratta dell’elettrolisi di una soluzione salina. I sali in acqua si dissociano in ioni con carica elettrica. Anche le molecole d’acqua si dissociano parzialmente in H⁺ e OH⁻.

Nell’acqua potabile sono presenti:

ioni positivi: Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, H⁺
ioni negativi: HCO₃⁻, SO₄²⁻, Cl⁻, OH⁻

Sotto l’azione di un campo elettrico, gli ioni si muovono verso l’elettrodo di carica opposta, dove avvengono reazioni chimiche.

Gli elettrodi devono essere inermi, cioè fungere solo da conduttori di elettroni. Materiali come platino (Pt) o iridio (Ir) non partecipano alle reazioni. Se l’elettrodo non è inerte, esso si dissolve prima di altre reazioni. Per questo motivo è essenziale la qualità del rivestimento in platino.

Poiché i metalli presenti nell’acqua potabile (Ca, Mg, Na, K) si trovano a sinistra dell’idrogeno nella serie elettrochimica, al catodo non si riducono i metalli, ma l’idrogeno dell’acqua.

Al catodo (-):
2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
Si forma idrogeno gassoso e un ambiente alcalino.

All’anodo (+):
2H₂O − 4e⁻ → O₂ + 4H⁺
Si libera ossigeno e si forma un ambiente acido.

In presenza di cloruri:
2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂

Si forma quindi cloro gassoso, che è tossico.

Durante la miscelazione dei prodotti di reazione, si formano ipocloriti e clorati, sostanze indesiderate nell’acqua potabile.

Perché è essenziale la presenza di una membrana SPE/PEM?

Vantaggi della membrana a scambio protonico (SPE/PEM)

Grazie alla membrana PEM/SPE, l’idrogeno viene separato dai sottoprodotti dell’elettrolisi (ossigeno, ozono, cloro). L’elettrolisi avviene all’interno della membrana, che funge da elettrolita solido, mentre l’acqua viene solo saturata di idrogeno.

Ciò consente l’uso di acqua distillata o osmotizzata (RO). Nei dispositivi senza membrana PEM, l’uso di tale acqua non produce idrogeno.

Le membrane a scambio protonico sono polimeri solidi contenenti gruppi funzionali solfonici, in grado di trasportare protoni. La conduzione ionica avviene grazie al movimento dei cationi già presenti nella struttura della membrana.

Durante l’elettrolisi PEM, l’acqua distillata entra nel compartimento anodico, viene ossidata producendo ossigeno:
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻

I protoni attraversano la membrana verso il catodo, dove vengono ridotti:
2H⁺ + 2e⁻ → H₂

In parole semplici, i protoni si spostano dall’anodo al catodo, si combinano in molecole di idrogeno che si dissolvono nell’acqua.

La membrana PEM è impermeabile all’ossigeno, evitando la formazione di miscele esplosive.

Catalizzatori come platino e ossido di iridio rendono il processo più efficiente.

La tecnologia PEM è stata introdotta negli anni ’60 da General Electric per superare i limiti dell’elettrolisi alcalina.

Vantaggi dell’elettrolisi PEM:

Alta densità di corrente: membrane sottili (100–200 μm), basse perdite ohmiche, elevata resa di idrogeno.

Elevata purezza del prodotto: bassa permeabilità ai gas, minima contaminazione incrociata.

Queste caratteristiche rendono l’elettrolisi PEM ideale per applicazioni che richiedono alta efficienza, alta purezza e produzione di idrogeno ad alta pressione, con sistemi compatti.