By Nafion: la membrana del futuro?
Il Nafion è un materiale innovativo, scoperto recentemente ed oggetto di numerosi studi, atti a finalizzare le sue importanti proprietà.
È un polimero sintetico che possiede proprietà ioniche (appartiene infatti alla classe dei polimeri denominati ionomeri), costituito da tetrafuoroetilene solfonato, ovvero dall’ inserimento di gruppi eterei perfluorovinilici che terminano con gruppi solfonici su uno scheletro di tetrafluoroetilene (Teflon).
Com’ è fatto?
I derivati del Nafion vengono sintetizzati tramite la copolimerizzazione del comunemente detto Teflon (ovvero il tetrafluoroetilene) e di un derivato perfluorurato con l’acido solfonico.
Mediante questo processo si ottiene una pellicola contenente -SO2F e polimeri. La pellicola viene poi trattata con idrossido di sodio (NaOH) in una soluzione acquosa ad alte temperature; questo processo porterà alla conversione dei gruppi (-SO2F) in gruppi (-SO3-Na+), che costituiscono il Nafion.
Proprietà
Tra le principali proprietà del Nafion si possono annoverare:
- Permeabilità all’acqua: i gruppi SO3H si legano facilmente alla molecola di H20, questo comporta che, se un flusso di acqua viene a contatto con la pellicola di Nafion, i primi gruppi di SO3H che si trovano in superficie si legheranno alla molecola di H20, che sarà a sua volta attratta maggiormente dal gruppo di SO3H più interno, comportando un processo a catena che permetterà alla molecola d’ acqua di “attraversare” l’intera pellicola di Nafion.In particolare, è stato stimato che il Nafion assorbe circa il 22% in peso di acqua.Questo assorbimento si verifica come reazione cinetica di primo ordine cosicchè l’equilibrio viene raggiunto molto velocemente (solitamente nel giro di millisecondi). Inoltre, poiché si tratta di una reazione chimica specifica con l’acqua, gli eventuali gas che vengono coinvolti nella reazione, rimangono completamente inalterati. Nel seguente video potete osservare il comportamento di alcune diverse tipologie di Nafion a contatto con l’ acqua:
- Alta conduttività di protoni: i protoni dell’acido solfonico (SO3H) passano tra i vari siti acidi sfruttando la struttura porosa del Nafion che ne permette il passaggio. Così facendo però anche gli elettroni potrebbero comportarsi allo stesso modo, ma questa situazione non accade in quanto il Nafion possiede una bassa conduttività termica che impedisce così il movimento degli elettroni attraverso la membrana.
- Alta Resistenza chimica: è stato sperimentato che solo i metalli alcalini (in particolare il sodio) possono degradare il Nafion a normali temperatura e pressione.
- Resistenza a temperature elevate: a differenza della tipologia e dell’applicazione,il Nafion resiste a temperature fino ai 100-160 °C.
- Resistenza a stress meccanici
Applicazioni
Le potenzialità applicative di questo materiale sono ancora oggetto di studi approfonditi e di sperimentazioni in quanto le sue proprietà aprono le porte per l’utilizzo in diversi settori.
L’ applicazione per ora più sfruttata di questo materiale è come conduttore di protoni nelle celle a combustibile a membrane di scambio protonico (PEM che sta per” Proton Exchange Membrane”), al fine di produrre ossigeno e idrogeno a partire dall’ acqua, assorbendo energia oppure in una cella a combustibile per produrre energia elettrica dall’ossidazione dell’idrogeno.
Il Nafion viene anche sfruttato nell’ elettrolisi dell’acqua ed in dispositivi quali batterie e sensori.
Le applicazioni e le procedure di attivazione di questo materiale dipendono inoltre dal tipo di Nafion che si prende in esame; ne esistono di vari tipologie che differiscono principalmente in base alla geometria della loro struttura, ovvero alla distribuzione di cluster di ioni solfonati.
L’ attivazione
L’ aggiunta del sodio permette di rendere stabile il Nafion che tuttavia, per essere sfruttato al meglio, ha bisogno di un ulteriore trattamento di pulizia ed “attivazione”.
Questi processi consistono nel porre in ebollizione la pellicola di Nafion “sporca” in acqua ossigenata (H2O2) al 2% per 1 ora, al fine di eliminare le impurezze organiche. Una volta finito il primo step, si sostituisce l’acqua ossigenata con acqua distillata, e si farà nuovamente bollire per un’ ora. Gli ultimi due passaggi saranno l’ ebollizione in acido solforico (H2SO4) 1M e l’ ebollizione nuovamente in acqua distillata.
Durante questo trattamento si potrà osservare come il Nafion “sporco”, da un colorito trasperente -marroncino, diventerà completamente trasparente, tale da essere difficile da distinguere con lo sfondo.
Un nuovo utilizzo
Un’ altro possibile utilizzo potrebbe essere la realizzazione di una membrana di Nafion per racchiudere un altro polimero di recente origine, Il MOF. I MOFs sono del polimeri metallo- organici (Metal Organic Framework) che possiedono una porosità molto elevata e sono perciò in grado di immagazzinare, negli spazi vuoti interni alla struttura, le molecole di acqua.
Lo scopo è semplice, realizzare un filtro che funga da deumidificatore; nello specifico il vapore acqueo attraverserà la membrana di Nafion che “trasporterà” il flusso al MOF che, a sua volta, assorbirà l’ acqua lasciando passare così l’aria secca.
Recenti studi sui MOF hanno già fatto scaturire come particolari combinazioni di questo materiale possano effettivamente soddisfare questa richiesta; il problema risiede nel come “sigillare” questi ultimi in modo che non si disperdano in un impianto.
Mediante una membrana di Nafion questa operazione potrebbe essere possibile e permetterebbe così la realizzazione di un filtro di H20.
