Produzione elettrochimica di H₂O₂ su elettrodi carboniosi: studio sperimentale e simulazione di un impianto integrato con fonti rinnovabili

Abstract

Negli ultimi anni, la transizione verso processi industriali più sostenibili ha reso l'elettrochimica una disciplina di fondamentale importanza. In questo scenario, la produzione di perossido di idrogeno (H2O2) rappresenta una sfida tecnologica di grande rilievo. L’H2O2 è un reagente estremamente versatile e pulito, ampiamente impiegato in settori quali la sintesi chimica, il trattamento delle acque, l'industria cartaria e i processi di disinfezione. Attualmente, oltre il 95% della produzione globale di perossido di idrogeno si basa sul tradizionale processo all'antrachinone. Tuttavia, questo metodo impone l'utilizzo di impianti centralizzati di enormi dimensioni, richiede solventi organici tossici e comporta ingenti spese energetiche per la fase di purificazione. Inoltre, il trasporto e lo stoccaggio di grandi quantità di H2O2 ad alta concentrazione introducono criticità logistiche e severi rischi per la sicurezza legati alla sua potenziale decomposizione esplosiva. D'altra parte, metodi alternativi come la sintesi diretta da idrogeno e ossigeno gassosi si scontrano con l'ampio intervallo di esplosività delle miscele e con la rapida disattivazione dei costosi catalizzatori a base di metalli nobili.

L'elettrogenerazione in situ di H2O2 emerge dunque come un'alternativa più sicura ed ecocompatibile. Questa tecnologia sfrutta la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) a due elettroni in condizioni operative blande, operando all'interno di un mezzo acquoso sicuro ed eliminando alla radice i rischi legati all'infiammabilità e al trasporto del prodotto.

Sulla base di queste premesse, il presente lavoro di tesi si pone il duplice obiettivo di caratterizzare sperimentalmente un sistema elettrochimico per la produzione di acqua ossigenata in scala di laboratorio e di valutarne la scalabilità industriale mediante lo sviluppo di un modello computazionale in ambiente Matlab.

In recent years, the transition towards more sustainable industrial processes has made electrochemistry a discipline of fundamental importance. Within this context, the production of hydrogen peroxide (H2O2) represents a major technological challenge. H2O2 is an extremely versatile and clean reagent, widely used in sectors such as chemical synthesis, water treatment, the pulp and paper industry and disinfection processes. Currently, over 95% of global hydrogen peroxide production relies on the traditional anthraquinone process. However, this method requires massive centralized plants, uses toxic organic solvents and involves huge energy costs for the purification phase. Furthermore, the transportation and storage of large quantities of highly concentrated H2O2 introduce logistical challenges and severe safety risks associated with its potential explosive decomposition. On the other hand, alternative methods such as direct synthesis from gaseous hydrogen and oxygen, face issues related to the wide explosive range of the gas mixtures and the rapid deactivation of expensive noble metal-based catalysts.

Therefore, the in situ electrogeneration of H2O2 emerges as a safer and more eco-friendly alternative. This technology exploits the two-electron oxygen reduction reaction (ORR) under mild operating conditions within a safe aqueous medium, fundamentally eliminating the risks associated with product flammability and transportation.

Based on these premises, the present thesis aims to achieve a twofold objective: to experimentally characterize a laboratory-scale electrochemical system for hydrogen peroxide production and to evaluate its industrial scalability through the development of a computational model in the MATLAB environment.