BR102018012366A2 - Método e aparelho para realização de eletrólise através da indução eletrostática - Google Patents

Abstract

eletrólise é o processo onde elementos químicos são produzidos mediante a passagem de corrente elétrica por uma substância iônica. é um processo simples, porém custoso em proporções industriais, requisitando grandes quantidades de energia provindas de uma fonte externa. por isso, indústrias que conduzem processos eletrolíticos tendem a ser construídas próximo de potentes estações de energia, que muitas vezes são termelétricas. a presente patente, com foco na produção de hidrogênio e oxigênio para uma célula de combustível, através da eletrólise de água alcalina, e na obtenção de água potável, através da eletrólise de água salgada, utiliza a energia potencial eletrostática dos íons em relação ao campo elétrico em que estão situados para manter a reação, seguindo os mandamentos da conservação de energia e as leis da termodinâmica.

Description

Relatório Descritivo “MÉTODO E APARELHO PARA REALIZAÇÃO DE ELETRÓLISE ATRAVÉS DA INDUÇÃO ELETROSTÁTICA”

Campo da invenção [1] A invenção encontra aplicação nos processos de eletrólise utilizados atualmente, em particular na eletrólise da água para a produção de hidrogênio e oxigênio destinados a uma célula de combustível. O princípio no qual a invenção baseia-se ainda permite seu uso na dessalinização da água marinha através de uma adaptação do processo de eletrodiálise e na geração de gases através do efeito corona.

Estado da arte da invenção [2] Todos os eletrolisadores atuais operam sob o mesmo princípio: aplica-se uma diferença de potencial entre dois eletrodos imersos em substância iônica, derretida ou dissolvida em outra. Desta forma, ocorre a deposição elementar no catodo e no anodo através da corrente elétrica resultante. Um exemplo é a eletrólise da água em meio alcalino, onde gás hidrogênio (H2) emerge do anodo e gás oxigênio (O2) do catodo. Porém, o processo exige quantidades significativas de energia para ser realizado.

[3] Avanços na área geralmente se limitam a diminuir a resistência elétrica da célula eletrolítica ou desenvolver materiais porosos para os eletrodos, a fim de aumentar a eficiência do processo. Mas, por se tratar de um fenômeno há muito conhecido e estudado, inovações significativas no processo são raras.

[4] O processo de dessalinização, por sua vez, é conhecido há milênios pela humanidade: durante a Era dos Descobrimentos, o estoque de água a bordo das naus era uma preocupação diária, e quando este esgotava, a água do oceano era dessalinizada para reabastecê-lo. Até o século passado, isto era realizado destilando a água e coletando o vapor resultante, um método claramente demorado e arcaico. Foi após o invento da osmose reversa que se tornou possível adotar a água do mar para abastecer cidades inteiras. O processo consiste em forçar a água salgada através de membranas semipermeáveis que impedem a passagem dos minerais dissolvidos, ou seja, o soluto é retido e ao solvente é permitida a passagem.

[5] Apesar de todos os avanços, a dessalinização ainda é custosa: a osmose reversa, método mais eficiente e empregado atualmente, requer pressões da ordem de 8 MPa,

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2/7 necessitando de instalações especiais que suportem o esforço: bombas, encanamentos e tanques, todos adaptados às altas pressões. A eletrodiálise, por sua vez, consiste na passagem da água por um campo elétrico que atrai os íons dissolvidos, forçando-os por membranas semipermeáveis. Desta forma, as camadas internas de água apresentam menor concentração de sais e são coletadas. A eletrodiálise não requer materiais resistentes a esforços físicos, mas não é tão eficiente quando a osmose reversa. De maneira geral, todos os processos dessalinizadores atuais são caros e demandam quantidades de energia grandes demais para dependermos exclusivamente deles.

[6] O efeito ou descarga de corona, por sua vez, ocorre quando o campo elétrico na superfície de um condutor carregado é forte o suficiente para ionizar o ar ao seu redor. Isso causa a formação de gases, como o ozônio (O₃) a partir do oxigênio presente no ar atmosférico. A corona também é utilizada em fotocopiadoras e na remoção de impurezas do ar.

[7] Salvo por algumas poucas aplicações como as citadas acima, o efeito corona é indesejado, por ser tratado como uma falha em sistemas elétricos de alta tensão. Por isso, inovações referentes a ele geralmente são voltadas a suprimi-lo.

Sumário da invenção [8] A presente invenção consiste de um aparelho que opera como um eletrolisador em meios eletrolíticos e como um ionizador em meio gasoso.

[9] Primeiro, cria-se um campo elétrico uniforme tal como aquele entre as placas de um capacitor de placas paralelas. As placas devem apresentar uma camada dielétrica em suas superfícies, a fim de evitar descargas elétricas acidentais e a consequente perda de carga destas.

[10] Através da indução eletrostática, cargas elétricas positivas e negativas surgirão na superfície de condutores previamente inseridos no meio onde o campo elétrico é formado. Se o ar for este meio, o campo elétrico induzido pelas cargas superficiais nos condutores poderá ser forte o suficiente para ionizá-lo ao seu redor, dependendo de sua geometria. Este é o efeito corona e, desta maneira, o aparelho se comportará como um ionizador.

[11] Em meio eletrolítico, um condutor também apresentará cargas superficiais para cancelar seu campo elétrico interno. Elas também induzirão um campo em suas proximidades, o qual atrairá os íons de sinal oposto dissolvidos no meio. Estes íons, ao perderem energia potencial elétrica, serão descarregados nos condutores e realizarão a eletrólise. Desta forma, o aparelho se comportará como um eletrolisador.

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Descrição detalhada da invenção [12] Como mencionado, a maneira mais simples de criar um campo elétrico uniforme é através da energização de duas placas paralelas, tal como no capacitor homônimo. A Figura 1 apresenta o exemplar recomendado para a invenção. Assume-se que o recipiente onde as placas são instaladas tenha a forma de um bloco retangular.

[13] Figura 1 - Energização das placas por uma fonte de alta tensão contínua não mostrada no desenho. Vista lateral. A) Placas condutoras: as cargas nelas são responsáveis pelo campo elétrico no meio. Após este ser estabelecido no meio, a fonte pode ser desconectada das placas. Os sinais positivo (+) e negativo (-) indicam as cargas em cada placa. B) Barreira dielétrica: uma lâmina dielétrica adjacente a cada placa, a barreira impede a passagem de corrente no caso da ruptura do meio e a subsequente descarga das placas. Recomenda-se o uso de vidro ou de um polímero. No caso da invenção, correspondem às paredes do recipiente onde se encontra o meio dielétrico. C) Meio dielétrico: espaço onde o campo elétrico é formado. A invenção estipula um fluido como o ar ou a água. A fim de criar um campo elétrico uniforme em todo o volume do meio, recomenda-se que a distância “d” seja, no máximo, igual a 10% do comprimento do menor lado das placas.

[14] Feixes de condutores inseridos previamente no meio sofrem indução eletrostática mediante a presença do campo elétrico, adquirindo tensão elétrica. Os condutores não possuem diferença de potencial em seu volume, uma vez que o campo em seu interior é nulo. No entanto, dois condutores separados podem apresentar diferença de potencial entre si desde que não estejam na mesma linha equipotencial, isto é, não estejam à mesma distância normal da mesma placa. Essa diferença de potencial é essencial para a realização da eletrólise.

[15] Os condutores são instalados nas paredes do recipiente do meio. A Figura 2 apresenta uma das possíveis disposições que esses condutores podem assumir. A Figura 3 apresenta uma das formas possíveis para os condutores: um cilindro.

[16] Figura 2 - Exemplo de disposição dos condutores no meio. A vista em corte 1:1 mostra a configuração ideal, que permite inserir o maior número de condutores e tornar o processo o mais uniforme possível em todo o volume do meio. Os condutores cilíndricos devem ser instalados de forma que o eixo longitudinal seja paralelo às placas e o detalhe “A” da vista superior evidencia que estes devem ser preferencialmente encaixados nas paredes do recipiente.

[17] Figura 3 - Perfil dos condutores da Figura 2. Cilíndricos, os condutores apresentam raio “r” razoavelmente pequeno para que o campo elétrico induzido pelas cargas em sua superfície seja forte o suficiente para ionizar o ar pelo efeito corona ou atrair e descarregar os íons dissolvidos na solução. A vista “B” mostra a concentração

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4/7 de cargas induzidas na superfície de um condutor da Figura 2 exposto a um campo elétrico como o da Figura 1.

[18] Quer que os íons sejam gerados pelo efeito corona, quer que já existam em solução, estes serão atraídos para os condutores, em direção da extremidade que apresentar cargas opostas a eles. Ao se moverem pelo campo elétrico, em busca de um estado termodinâmico mais estável, os íons perderão energia potencial eletrostática. O decréscimo (output) da energia potencial destes corresponderá ao acréscimo (inpuf) energético necessário para realizar a eletrólise ou a ionização. O processo não é completamente eficaz: durante a passagem da corrente elétrica, parte da energia é convertida em calor através do efeito Joule. Assim, as leis da termodinâmica bem como as da conservação de energia são satisfeitas.

[19] O material dos condutores deve ser escolhido de acordo com o eletrólito e a reação que ocorrerá neles. No caso da eletrólise da água, adiciona-se uma base forte como hidróxido de sódio (NaOH) ou de potássio (KOH), a fim de aumentar a condutividade e tornar o processo mais eficiente. Se este for o caso, os condutores deverão ser de grafite ou outro material inerte, de forma que não sejam corroídos pela base ou consumidos durante o processo.

[20] O recipiente onde as placas são instaladas pode ser aberto em dois lados para permitir o fluxo do meio (Figura 4) ou em apenas um, servindo como reservatório (Figura 5). A última possibilidade pode ser aplicada em situações como a eletrólise da água alcalina, que produzirá hidrogênio e oxigênio para combustão em um motor ou energização de uma célula de combustível. Um recipiente completamente fechado não teria aplicações claras, então essa possibilidade não será explorada.

[21] Figura 4 - Campo elétrico em atividade. Recipiente com duas aberturas. As aberturas “A” e “B” permitem o fluxo constante do meio. Por exemplo, o ar atmosférico entraria pela abertura “A”, seria ionizado e sairia pela abertura “B” com maior teor de ozônio.

[22] Figura 5 - Campo elétrico em atividade. Recipiente com uma abertura. A abertura “A” permite a evacuação de produtos obtidos a partir da eletrólise, exemplificada pela da água, supracitada.

[23] Nota-se, em ambos os exemplos, o campo elétrico mais forte na superfície dos condutores. Estes podem assumir diversas formas para tornar a reação mais eficiente ou para atender a um propósito específico. Sua forma simples e cilíndrica pode ser substituída por uma mais sofisticada como mostra a Figura 6, ou por uma mais compacta e prática, como a da Figura 7.

[24] Figura 6 - Condutor com perfil de aerofólio. Um condutor com raio menor, ou mais pontiagudo, apresentará maior concentração de cargas na presença de um

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5/7 campo elétrico. Consequentemente, um campo induzido com maior densidade energética será formado em sua superfície, o que se traduz em uma reação mais rápida (em decorrência do chamado “poder das pontas”, a capacidade de corpos eletrizados se descarregarem mais facilmente pelas pontas). A vista “B” mostra a maior concentração de cargas na superfície.

[25] Figura 7 - Condutor com perfil de diamante. Diminuindo ainda mais o raio do condutor, eventualmente obtém-se uma ponta, como a aresta de um cubo. Este perfil também apresenta menor volume e maior capacidade ionizante, como mostra a vista “B”. Isto permite inserir maior número de condutores no meio e tornar a reação ainda mais rápida e uniforme neste.

[26] Após a eletrólise da água alcalina, o hidrogênio e oxigênio obtidos tomarão parte em um processo de combustão ou a energia química do primeiro será convertida em eletricidade através de uma célula de combustível, com o oxigênio sustentando a reação. Em ambos os casos, os produtos finais serão energia para alguma aplicação desejada e água, reutilizada para abastecer o reservatório.

[27] No primeiro caso, as espécies não precisarão estar separadas. Ao contrário: elas precisam se encontrar na mesma câmara para produzir a combustão. No entanto, tratando-se de uma célula de combustível, o hidrogênio deve estar em uma das extremidades desta e o oxigênio na outra. Logo, eles devem ser separados na eletrólise através do uso de membranas permeáveis, como mostra a Figura 7.

[28] Figura 8 - Dispositivo para eletrólise da água com membrana permeável. Vista lateral parcial em corte. A) Placa: os sinais positivo (+) e negativo (-) indicam as cargas em cada placa, suas setas indicam a direção do campo elétrico. B) Recipiente: apresenta apenas uma abertura. C) Eletrólito: água alcalina. D) Condutores com perfil de aerofólio: feitos de grafite, material condutor e inerte. E) Membrana permeável: permite o fluxo de íons dissolvidos, mas impede a mistura dos gases gerados pela eletrólise de dois condutores diferentes. F) Membrana impermeável com condutores embutidos: divide o recipiente em várias sessões, impedindo a mistura de gases gerados por um mesmo condutor e evita a combinação da solução de duas sessões adjacentes. As aberturas acima permitem que os gases ascendam e sejam conduzidos à célula de combustível. As aberturas “H” levam as moléculas de hidrogênio e as aberturas “O” levam aquelas de oxigênio.

[29] O aparelho ideal voltado à eletrólise da água apresenta as características de ionizador e eletrolisador simultaneamente: os conjuntos de condutores mais próximos das placas apresentam uma extremidade na água e uma no ar. Isso porque, se todo o meio fosse o eletrólito em questão, íons positivos dissolvidos eventualmente migrariam em direção da placa negativa e íons negativos migrariam em direção da positiva. Isto, por sua vez, diminuiria ou até mesmo anularia o campo elétrico no meio. Os íons

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6/7 gerados no ar, por outro lado, rapidamente se recombinam aos outros gases presentes nele.

[30] A Figura 9 apresenta o design mais apropriado e eficiente sugerido para a eletrólise da água a fim de alimentar uma célula de combustível.

[31] Figura 9 - Design ideal da invenção voltada à eletrólise da água. 1) Vista lateral em corte: nota-se que este desenho é similar ao apresentado na Figura 8. “C” representa um compartimento contendo ar. O conjunto de condutores mais próximo das placas encontra metade de seu volume no ar e a outra metade no eletrólito, como explicitado acima. 2) Vista frontal em corte, sem tampa: o detalhe “D” destaca a abertura de reabastecimento e sua conexão com o resto do aparelho. 3) Vista superior, sem tampa: observa-se mais claramente a separação de “D” do resto do aparelho. “A” é a vista superior da tampa, que apresenta o rasgo “B” em sua região central. “B” apresenta uma espécie de grade que separa os gases gerados pela eletrólise, convertidos em energia e água na célula de combustível (C.C.). A água será reinserida no aparelho pela abertura “D”, através da ação gravitacional.

[32] As membranas permeáveis podem ser substituídas por semipermeáveis, caso deseje-se permitir o fluxo exclusivo de íons positivos ou de negativos. Este princípio é explorado no processo cloro-álcali: durante a eletrólise de água com cloreto de sódio (NaCl), H2 surge do anodo e gás cloro (Cl2) surge no catodo, mas parte deste reage com os íons de oxigênio da água, resultando em hipoclorito de sódio (NaClO) dissolvido. As membranas semipermeáveis permitem apenas a passagem dos íons de sódio, em direção do anodo, o que diminui a formação do hipoclorito e aumenta a produção de Cl₂ que não se dissolve.

[33] Após a reação, o espaço entre a membrana e o anodo (extremidade do condutor, com cargas negativas) contém água alcalina pela presença de NaOH e aquele entre a membrana e o catodo (extremidade com cargas positivas) contém água com menor teor de íons dissolvidos. Eventualmente, estes íons se tornam tão escassos que a água poderia ser considerada potável para consumo humano. O processo cloro-álcali é um processo eletrolítico, o que explica sua similaridade com o da eletrólise da água e, por utilizar um campo elétrico para sua realização, o processo de dessalinização derivado deste pode ser descrito como similar à eletrodiálise.

[34] Para obter o aparelho voltado à dessalinização da água, bastam algumas modificações: as membranas permeáveis entre condutores são substituídas por semipermeáveis adequadas. A abertura de reabastecimento é removida e as sessões entre uma membrana impermeável e uma semipermeável apresentarão, em seu lugar, um orifício de entrada em uma face, destinado à inserção da água salgada, e um de saída localizado na face oposta, pelo qual se retira a água potável e a alcalina obtidas. Como o recipiente é o único componente que sofre modificações, a Figura 10 apresenta apenas o

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7/7 design adaptado deste. Condutores, placas e demais partes são ocultadas por não apresentarem diferença em relação ao design anterior.

[35] Figura 10 - Detalhamento do recipiente ideal para a invenção voltada à dessalinização da água. 1) Paredes internas do recipiente: evidenciadas por traços fortes nas três vistas. 2) Membranas impermeáveis: divide o recipiente em sessões contendo o catodo de um condutor e o anodo de outro, além de impedir a mistura dos produtos de um mesmo condutor. 3) Membranas semipermeáveis: permitem apenas o fluxo de íons positivos ou de negativos. A vista frontal “A” apresenta a disposição de ambas as membranas, além dos orifícios supracitados, localizados nas sessões entre uma membrana impermeável (traços descontínuos) e uma semipermeável (traços pontilhados). A vista superior “B” evidencia estes no interior das paredes do recipiente, e uma perspectiva mais clara das membranas (impermeáveis em traços contínuos, semipermeáveis em traços descontínuos). A vista lateral “C” demonstra o fluxo da água pelos orifícios, representado pelas setas, e evidencia a localização destes em faces opostas do recipiente.

Claims (4)

1. Quadro Reivindicatório “MÉTODO E APARELHO PARA REALIZAÇÃO DE ELETRÓLISE ATRAVÉS DA INDUÇÃO ELETROSTÁTICA”

   Eu, Bruno Castanho Emídio, reivindico através desta patente:

   1) “MÉTODO DE ELETRÓLISE ATRAVÉS DA INDUÇÃO ELETROSTÁTICA”, caracterizado por utilizar a energia potencial eletrostática dos íons situados em um campo eletrostático para efetuar a oxidação dos ânions e a redução dos cátions, a reação de eletrólise.
2. 2) “APARELHO PARA REALIZAÇÃO DE ELETRÓLISE ATRAVÉS DA INDUÇÃO ELETROSTÁTICA”, utilizado no método descrito pela reivindicação 1), caracterizado por realizar este método sem uma fonte energética persistente, tal como uma bateria ou um gerador, permitindo a realização deste enquanto houver campo elétrico fornecido pelo aparelho.
3. 3) “MÉTODO DE ELETRÓLISE DA ÁGUA ATRAVÉS DA INDUÇÃO ELETROSTÁTICA”, dependente do método descrito pela reivindicação 1), é caracterizado por fornecer uma contínua fonte de gás hidrogênio (H2) e gás oxigênio (O2) obtidos através da eletrólise da água realizada pelo aparelho descrito pela reivindicação 2), utilizando-o em conjunto com um dispositivo que reaja os produtos da eletrólise, convertendo-os novamente em água e retornando-a ao aparelho.
4. 4) “MÉTODO DE ELETRÓLISE DE ÁGUA MARINHA ATRAVÉS DA INDUÇÃO ELETROSTÁTICA”, dependente do método descrito pela reivindicação 1), é caracterizado por fornecer uma contínua fonte de água dessalinizada obtida através da eletrólise de água marinha realizada pelo aparelho descrito pela reivindicação 2), obtendo-se também gás hidrogênio (H2), gás cloro (Cl2) e água com hidróxido de sódio (NaOH).