L’uso di gran lunga maggiore del fluoro è nell’industria nucleare, dove viene utilizzato per la produzione di fluoruro di uranio (VI), necessario per produrre l’isotopo U-235. La sua fabbricazione è quindi fondamentale per l’industria nucleare.
Impieghi del fluoro
Il fluoro è necessario per la preparazione del fluoruro di uranio (VI) e per la successiva separazione degli isotopi di uranio 235 e 238 mediante diffusione gassosa.
Il principale minerale di uranio contiene ossido di uranio, U2O3. Viene trattato con acido fluoridrico formando fluoruro di uranio (IV), UF4. Questo viene purificato e convertito in fluoruro di uranio (VI), UF6, con fluoro.
L’ossido di uranio naturale contiene due isotopi principali dell’uranio, U-235 e U-238. Il fluoruro di uranio (VI) risultante è quindi una miscela di 235UF6 e 238UF6.
Il primo isotopo è quello necessario per la generazione di energia nucleare ma è solo l’1% del totale. La diffusione viene utilizzata per arricchire la miscela fino al 3,5-5%. Il gas arricchito viene raccolto e convertito in ossido di uranio. Questo ossido, sotto forma di pellet, viene utilizzato nelle centrali nucleari.
Questo processo consuma circa il 75% della produzione mondiale di fluoro. Il secondo prodotto più importante è l’esafluoruro di zolfo, SF6, un prezioso isolante gassoso utilizzato nelle apparecchiature ad alta tensione.
Il fluoro viene anche utilizzato per produrre fluorocarburi che sono chimicamente inerti, termicamente stabili e non infiammabili. Hanno anche bassa tossicità, alta resistività elettrica, alta densità del fluido, bassa tensione superficiale e bassa conduttività termica. Tra i loro usi si includono la saldatura in fase vapore di circuiti stampati, test di tenuta e test di shock termico di componenti elettronici. Sono anche usati come refrigeranti, fluidi dielettrici, agenti sterilizzanti e lubrificanti. Importanti applicazioni mediche fanno affidamento sulla loro capacità di dissolvere grandi volumi di ossigeno (conservazione di organi, estensori e sostituti del sangue, ventilazione di liquidi in particolare per neonati prematuri e chirurgia oculare).
Produzione annuale di fluoro
| Mondo | 17000 tonnellate1 |
| U.S.A. | 5000 tonnellate |
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Produzione di Fluoro
Il fluoro si ottiene per elettrolisi di una soluzione di idrogeno-difluoruro di potassio in acido fluoridrico anidro. L’acido fluoridrico puro non è adatto al processo in quanto non conduce elettricità. Le soluzioni acquose acide non possono essere utilizzate poiché gli ioni idrossido verrebbero preferenzialmente scaricati come ossigeno. Utilizzando una miscela di idrogeno-difluoruro di potassio e fluoruro di idrogeno in rapporto da 1 a 2,5-5, si ottiene un basso punto di fusione, 340 K, che consente basse temperature di esercizio e quindi è necessario un minor isolamento delle celle.
Una cella tipica ha fino a 40 anodi (circa 50 x 20 x 5 cm di dimensione) e contiene circa 1250 kg di elettrolita, producendo 3-4 kg di fluoro all’ora. Un’installazione completa contiene da 6 a 60 celle. Le reazioni nelle celle:
la cella funziona a 360 K e il raffreddamento è effettuato da una camicia d’acqua operante a 350 K. Gli anodi sono in carbonio duro poiché la grafite si disintegrerebbe rapidamente a causa dell’infiltrazione di piccoli atomi di fluoro tra gli strati di carbonio. I catodi sono in acciaio. Gli altri materiali utilizzati nella cella sono l’acciaio dolce e una lega di nichel (Monel), che sono relativamente inalterati dal contatto con fluoro o acido fluoridrico.
Entrambi i gas che escono dalla cella contengono fino al 6% in volume di acido fluoridrico. In alcuni processi l’acido fluoridrico viene rimosso dall’idrogeno facendo passare i gas attraverso una soluzione di idrossido di sodio o di potassio:
Il contenuto di HF può essere ridotto a circa lo 0,2% in volume nel gas fluoro, mediante trattamento con fluoruro di sodio:
L’elettrolita viene reintegrato mediante l’aggiunta di acido fluoridrico anidro. Il fluoro viene solitamente utilizzato immediatamente. In alternativa, può essere trasportato come gas in bombole di acciaio inossidabile.
Ultimo aggiornamento 10 ottobre 2016
Edizione italiana Gloriana Reginato e Valter Ballantini
Foto in alto di Tyler Martin su Unsplash