L’antigelo è una sostanza utilizzata per abbassare il punto di congelamento dell’acqua o dei liquidi a base d’acqua. È più comunemente utilizzato per proteggere i motori a combustione interna dal congelamento, ma ha anche altre applicazioni nella refrigerazione, nei sistemi di trasferimento di calore, negli scaldabagni e altro ancora.
Il tipo più comune di antigelo è il glicole etilenico, che è un liquido incolore e inodore. Il glicole etilenico è prodotto negli Stati Uniti e in Europa ed è utilizzato come antigelo per auto, camion e altri veicoli.
Sommario
1. Materie prime antigelo
I primi motori a combustione interna utilizzavano l’acqua come refrigerante perché era economica, abbondante e adatta a trasferire calore. Tuttavia, l’acqua presentava diversi svantaggi:
- Può corrodere le parti metalliche del sistema di raffreddamento.
- Ha un punto di congelamento elevato.
- Quando si congela, si espande di circa il 9-10%. Ciò può danneggiare il blocco motore, la pompa dell’acqua e il radiatore.
Per risolvere questi problemi sono stati aggiunti agenti antigelo e inibitori della corrosione. L’acqua ha un punto di ebollizione relativamente basso (100 °C), quindi vengono utilizzati tappi a pressione per aumentare il punto di ebollizione del refrigerante.
Tuttavia, la pressione massima è limitata dai materiali utilizzati per realizzare il sistema di raffreddamento, in particolare il radiatore e i giunti di saldatura. L’aggiunta di glicole etilenico al refrigerante ne aumenta il punto di ebollizione, quindi è possibile utilizzare pressioni inferiori per ottenere temperature del refrigerante più elevate.
Negli anni ’20, quando il numero di auto negli Stati Uniti passò da 7,5 milioni a 26,5 milioni, aumentò anche la domanda di antigelo. L’etanolo denaturato divenne popolare perché era economico, abbondante e in grado di abbassare il punto di congelamento dell’acqua.
Anche il glicerolo veniva talvolta utilizzato come antigelo, ma non era sempre disponibile. In alcune parti degli Stati Uniti vennero provati il cloruro di calcio e altre soluzioni saline come refrigeranti per motori, ma erano troppo corrosivi.
Vennero anche provati miele, soluzioni zuccherine e persino cherosene e altri oli idrocarburici, ma nessuno di questi divenne ampiamente utilizzato. L’etandiolo emerse come un buon agente antigelo negli anni ’20, ma all’inizio non fu ampiamente utilizzato perché non era sempre disponibile.
Prima della seconda guerra mondiale (1940), i principali agenti antigelo disponibili erano etanolo, metanolo sintetico ed etilenglicole. Questi tre agenti rappresentavano il 90% del consumo di antigelo negli Stati Uniti.
L’altro 10% era costituito da sottoprodotti del legno metanolo, glicerolo e 2-propanolo. La scelta dell’agente antigelo si basava sulla disponibilità piuttosto che sul costo o sulle prestazioni.
Dopo la seconda guerra mondiale (1945), il numero di auto negli Stati Uniti e nell’Europa occidentale aumentò, così come la domanda di antigelo. I refrigeranti a base di metanolo ed etandiolo dominavano il mercato durante questo periodo.
I refrigeranti a base di metanolo raggiunsero il picco di consumo nei primi anni ’50. Le case automobilistiche iniziarono a usare l’etandiolo nelle auto nuove e, all’inizio degli anni ’70, era l’unico agente antigelo utilizzato nelle auto nuove. Anche l’intero mercato dei refrigeranti per motori di ricambio per autoveicoli passò all’etilenglicole.
Nel 1960, l’etandiolo aveva conquistato oltre l’80% della quota di mercato. I refrigeranti a base di metanolo erano ancora utilizzati in alcuni motori stazionari e veicoli più vecchi, ma stavano diventando meno popolari.
Il motivo principale per cui i refrigeranti a base di metanolo furono sostituiti dall’etandiolo nelle auto era che l’etandiolo consentiva temperature di esercizio del refrigerante più elevate. Ciò era importante per un riscaldamento efficiente degli spazi negli interni dei veicoli durante il freddo e comportava anche piccoli miglioramenti nell’efficienza del carburante del veicolo.
L’1,2-propandiolo, comunemente noto come glicole propilenico, è utilizzato come fluido termovettore nei sistemi in cui la tossicità dell’antigelo è un problema. Esempi includono alcuni collettori di energia solare attivi, sistemi di raffreddamento per motori che utilizzano fonti di acqua potabile e sistemi di congelamento e refrigerazione per prodotti alimentari e latticini.
L’1,2-propandiolo è anche usato come antigelo per automobili in alcuni paesi europei (ad esempio, la Svizzera) perché è meno dannoso per gli esseri umani, in particolare per i bambini, se ingerito accidentalmente.
Anche l’1-metossi-2-propanolo è stato usato come agente antigelo, principalmente nei sistemi di raffreddamento esuberanti e nei motori diesel per impieghi gravosi. L’1-metossi-2-propanolo e l’acqua formano un azeotropo, che fornisce protezione dal gelo nella fase di vapore nelle applicazioni di raffreddamento esuberante.
I materiali antigelo a base di 1-metossi-2-propanolo sono usati nei motori diesel per impieghi gravosi e in altri motori industriali in cui la perdita di refrigerante nel basamento è un problema.
Poiché l’etandiolo ha una bassa volatilità, tende a rimanere nel basamento, il che può portare alla formazione di fanghi e vernici e all’usura accelerata dei cuscinetti. Al contrario, l’1-metossi-2-propanolo è più volatile e viene facilmente espulso, insieme al vapore acqueo, attraverso il sistema di sfiato del basamento.
L’1-metossi-2-propanolo mantiene anche temperature del metallo più basse rispetto ai refrigeranti a base di glicole, il che era vantaggioso nei motori rotativi. Tuttavia, con il declino dei motori rotativi, questo vantaggio è diventato meno significativo sul mercato.
2. Proprietà fisiche dell’antigelo
Le miscele antigelo-acqua congelano e bollono in modo diverso rispetto all’acqua pura o all’antigelo puro. Quando queste miscele congelano, l’acqua cristallizza per prima, il che rende il liquido rimanente più concentrato nell’antigelo e ne abbassa il punto di congelamento. Ciò si traduce in una miscela fangosa che può resistere a temperature più fredde rispetto all’acqua pura o all’antigelo puro.
| Proprietà | Acqua | Metanolo | 1,2-etandiolo | 1,2-propandiolo | 1-metossi-2-propanolo |
|---|---|---|---|---|---|
| Massa molare (g/mol) | 18,02 | 32,04 | 62,07 | 76,09 | 90,1 |
| Densità (g/cm3) | 0,998 | 0,792 | 1,113 | 1,036 | 0,923 |
| Punto di ebollizione (0,1013 MPa), °C | 100,0 | 64,7 | 197,5 | 187,4 | 120,1 |
| Punto di congelamento, °C | 0 | -97,6 | -12,6 | -43,5 | -96 |
| Calore specifico (20 °C), J g-1 K-1 | 4,17 | 2,495 | 2,357 | 2,481 | 2,426 |
| Punto di infiammabilità (vaso aperto), °C | - | 12 | 117 | 102 | 38 |
| Viscosità (20 °C), mPa·s | 1.0 | 0.57 | 20.1 | 56.2 | 1.81 |
È facile calcolare la depressione del punto di congelamento di miscele antigelo-acqua che non sono molto concentrate, ma è più difficile calcolare la depressione del punto di congelamento di miscele antigelo-acqua che lo sono.
Per stimare il punto di congelamento di una miscela antigelo-acqua concentrata, è possibile utilizzare i dati di miscele di acqua e antigelo che non hanno inibitori di corrosione. Tuttavia, per ottenere il punto di congelamento più accurato, è necessario effettuare una misurazione pratica. Il metodo di prova standard ASTM D 1177 fornisce un metodo conveniente per farlo.
I materiali antigelo influenzano anche il punto di ebollizione dell’acqua. Tutti i materiali antigelo, ad eccezione del metanolo, aumentano il punto di ebollizione della miscela al di sopra del punto di ebollizione di 100 °C dell’acqua pura.
La tabella 2 mostra i punti di ebollizione di diverse miscele antigelo-acqua che non hanno inibitori di corrosione.
| Antigelo | 10% | 20% | 30% | 40% | 50% | 60% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Metanolo | 91,7 | 86 | 82 | 79 | 76,5 | 74 |
| Etandiolo | 101 | 102 | 103 | 104,5 | 107 | 110 |
| 1,2-Propandiolo | 101 | 101,5 | 102 | 102,5 | 104,5 | 107 |
| 1-Metossi-2-propanolo | 100 | 100,5 | 101 | 102 | 102,5 | 103 |
Il metanolo è l’unico antigelo nella tabella che abbassa il punto di ebollizione della miscela al di sotto di quello dell’acqua. Poiché gli inibitori di corrosione aumentano anche il punto di ebollizione dell’acqua, dovresti usare il metodo di prova standard ASTM D 1120 per determinare il punto di ebollizione preciso di una miscela specifica.
3. Inibitori di corrosione negli antigelo
L’antigelo è essenziale per proteggere i componenti del motore e i sistemi di raffreddamento e riscaldamento dalla corrosione. Tuttavia, le soluzioni antigelo-acqua possono essere più corrosive della sola acqua. Pertanto, gli inibitori di corrosione vengono aggiunti alle formulazioni antigelo. Questi inibitori prevengono la corrosione e l’ossidazione del glicole etilenico in derivati corrosivi.
La corrosività delle soluzioni antigelo-acqua è influenzata dal tipo di base antigelo, dai metalli utilizzati nel sistema, dalla natura delle superfici di rigetto del calore, dalle temperature di esercizio del sistema di raffreddamento e dalla qualità dell’acqua utilizzata. Gli anioni degli acidi forti, come il cloruro o il solfato, possono aumentare la corrosività della soluzione.
Negli Stati Uniti, le formulazioni di inibitori di refrigerante sono in genere sviluppate senza una considerazione specifica per la qualità dell’acqua. Ciò consente l’uso di un’ampia gamma di materiali inorganici, come l’ortofosfato, che altrimenti potrebbero non essere utilizzati.
Le formulazioni a bassa corrosività si ottengono combinando l’etandiolo con inibitori di vari gruppi, tra cui fosfati, benzoati, sebacati, borati, nitrati, nitriti, silicati, molibdati e composti organici come ammine, benzotiazoli, benzotriazoli o imidazoli.
Le quantità specifiche di questi inibitori sono determinate in base all’esperienza del formulatore per garantire il livello desiderato di protezione dalla corrosione.
Ad esempio, la specifica GM 6038-M della General Motors (nella Tabella 3) contiene gli inibitori tipici comunemente presenti nella maggior parte degli antigelo prodotti negli Stati Uniti.
| Composizione | GM 6038-M (parti in peso) | GM 6043-M (% in peso) |
|---|---|---|
| Glicole etilenico | 1115,5 | 95,5 |
| NaNO3 | 2,5 | 0,1 |
| Na2B4O7 · 5 H2O | 11,5 | 0,4 |
| Na2SiO3 · 5 H2O | 1,9 | – |
| Silicato di sodio liquido | – | 0,3 |
| Na2MoO4 · 2 H2O | – | 0,2 |
| Na3PO4 · 12 H2O | 5,0 | – |
| H3PO4 (soluzione all'85% in peso) | – | 0,15 |
| NaOH | 2,25 | 0,235 |
| Sodio 2-mercaptobenzotiazolo (soluzione al 50% in peso) | 6,5 | 0,5 |
| Sodio toliltriazolo (soluzione al 50% in peso) | – | 0,2 |
| Antischiuma | 0,5 | 0,05 |
| Tinto | 0,05 | 0,005 |
| Acqua | – | 2,3 |
| Antigel di silicato | – | 0,06 |
Sia in Europa che negli Stati Uniti, alcuni produttori di automobili limitano l’uso di materiali che potrebbero reagire formando composti cancerogeni, come combinazioni di ammine o nitriti.
In Europa, la compatibilità del refrigerante con l’acqua dura locale è una considerazione significativa. Alcuni materiali, come l’ortofosfato e, in alcune aree, il silicato, potrebbero non soddisfare questo criterio.
Come alternativa all’ortofosfato, a volte viene utilizzato il benzoato. I sali di ammina vengono utilizzati solo in applicazioni specifiche in cui le specifiche non sono state aggiornate per incorporare formulazioni migliorate.
In Giappone, gli antigelo inibiti sono simili a quelli utilizzati negli Stati Uniti, con la trietanolammina (tris(2-idrossietil)ammina) frequentemente utilizzata come base neutralizzante.
4. Produzione di antigelo
L’antigelo è una miscela di fluidi che abbassa il punto di congelamento dell’acqua. L’ingrediente principale dell’antigelo è il glicole etilenico, che costituisce oltre il 94% del prodotto in peso. Altri ingredienti includono antiossidanti, acqua e piccole quantità di additivi per prevenire la formazione di schiuma e fornire colore.
L’antigelo viene prodotto in un processo batch utilizzando un serbatoio con un agitatore. Alcuni serbatoi hanno anche serpentine di riscaldamento per aiutare a sciogliere gli additivi. Il serbatoio è solitamente realizzato in acciaio dolce o resina rinforzata con fibra di vetro, poiché i serbatoi rivestiti in gomma non sono compatibili con l’etilenglicole.
I produttori di antigelo possono o meno avere i propri impianti di miscelazione. In molti casi, gli impianti regionali offrono servizi di miscelazione e confezionamento su contratto, il che è più conveniente per la distribuzione.
5. Usi dell’antigelo
L’antigelo viene utilizzato principalmente per proteggere i sistemi di raffreddamento dei veicoli dal congelamento e dalla corrosione. Viene anche utilizzato nei sistemi di raffreddamento dei motori stazionari utilizzati nelle condutture di petrolio e gas naturale, nonché in altri sistemi industriali che necessitano di protezione contro il congelamento e la corrosione nei loro sistemi di raffreddamento e riscaldamento.
L’antigelo viene utilizzato perché abbassa il punto di congelamento dell’acqua e ne aumenta il punto di ebollizione. Ciò aiuta a prevenire danni alle apparecchiature raffreddate o riscaldate a liquido quando funzionano in ambienti freddi o caldi.
Quando si sceglie un antigelo, è importante considerare i seguenti fattori:
- Capacità di trasporto del calore del fluido
- Viscosità del fluido
- Materiali utilizzati nella metallurgia del sistema
- Componenti non metallici all’interno del sistema
- Caratteristiche di infiammabilità del fluido
- Profilo di tossicità del fluido
- Altre considerazioni operative uniche
Ecco alcuni esempi specifici di sistemi industriali che utilizzano antigelo:
- Apparecchiature per la lavorazione alimentare
- Apparecchiature per la produzione farmaceutica
- Apparecchiature per la lavorazione chimica
- Apparecchiature per la generazione di energia
- Sistemi di refrigerazione e aria condizionata
- Sistemi di riscaldamento
- Sistemi di energia solare
- Turbine eoliche
- Aerei
- Navi
6. Tossicità dell’antigelo
La tossicità dell’antigelo è un problema perché è ampiamente utilizzato in molte applicazioni diverse. La tossicità dell’antigelo dipende dalla sua composizione di base e da eventuali additivi aggiunti. Ad esempio, i composti di arsenico erano un tempo utilizzati come anticorrosivi nell’antigelo, il che li rendeva molto tossici.
L’antigelo a base di glicole etilenico è il tipo più comune di antigelo. È relativamente non tossico se maneggiato esternamente, ma può essere molto tossico se ingerito. La dose letale di glicole etilenico per gli adulti è di circa 100 mL.
Anche l’inalazione di vapori di glicole etilenico può essere pericolosa, ma questo non è un problema importante a normali temperature ambiente.
L’antigelo a base di glicole propilenico è molto meno tossico dell’antigelo a base di glicole etilenico. La dose letale di glicole propilenico per gli adulti è di oltre 1 litro. Il glicole propilenico non è irritante per la pelle e gli occhi e l’inalazione dei suoi vapori non sembra avere effetti tossici.
Ecco alcuni suggerimenti per maneggiare l’antigelo in modo sicuro:
- Indossare guanti di gomma quando si maneggiano antigelo o soluzioni antigelo.
- Indossare occhiali di sicurezza, visiere, indumenti protettivi e dispositivi respiratori multiuso quando si lavora con l’antigelo.
- Evitare di ingerire l’antigelo. Se si ingerisce accidentalmente l’antigelo, consultare immediatamente un medico.
- Evitare di inalare nebbie o vapori di glicole etilenico caldo.
Riferimento
- Antifreezes; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a03_023
