BR102022005320A2

BR102022005320A2 - Dispositivo de tratamento e método de tratamento

Info

Publication number: BR102022005320A2
Application number: BR102022005320-0A
Authority: BR
Inventors: Naohiro Shimizu; Ranjit Rohidas Borude; Kenji Ishikawa; Masaru Hori; Hiroki Hosoe; Satoshi Ino; Yosuke Inoue
Original assignee: National University Corporation Tokai National Higher Education And Research System; Honda Motor Co., Ltd.
Priority date: 2021-03-25
Filing date: 2022-03-22
Publication date: 2022-09-27
Also published as: JP7356732B2; JP2022149155A

Abstract

A presente invenção refere-se a um dispositivo de tratamento tendo um primeiro eletrodo, um segundo eletrodo, e um fornecedor de pulso que aplica uma tensão de pulso entre o primeiro eletrodo e o segundo eletrodo. Um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo são mantidos em um líquido a ser eletrolisado, um fornecedor de pulso é funcionalizado para aplicar pulso de alta tensão direto para o primeiro eletrodo, e imediatamente após para aplicar pulso de tensão reverso para o primeiro eletrodo, de modo a induzir fluxo de corrente a partir do segundo eletrodo para o primeiro eletrodo.

Description

DISPOSITIVO DE TRATAMENTO E MÉTODO DE TRATAMENTO

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO 1. Campo da invenção

[0001] A presente descrição refere-se a um dispositivo de tratamento, e um método de tratamento para tratar líquido.

2. Descrição da técnica relacionada

[0002] Um método que faz uso de plasma em baixa temperatura gerado em um espaço entre eletrodos foi empregado como um método para modificar uma substância contida no espaço (vide JP 2013-165062 A, por exemplo). Também foi testado um método para gerar hidrogênio ou semelhante, por introduzir um líquido no plasma, com o objetivo de aumentar a velocidade do tratamento (vide JP 2006-257480 A e JP 2019-210491 A, por exemplo).

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0003] Os presentes inventores reconheceram um problema em relação ao aprimoramento adicional da eficiência de modificação da substância e conceberam uma técnica da presente descrição.

[0004] A presente descrição foi concebida em vista de tal questão, em que um objetivo da qual é aprimorar a técnica para o tratamento de líquido.

[0005] De acordo com um aspecto da presente descrição com o propósito de solucionar a questão, é proporcionado um dispositivo de tratamento tendo um primeiro eletrodo, um segundo eletrodo, e um fornecedor de pulso que aplica uma tensão de pulso entre o primeiro eletrodo e o segundo eletrodo. O primeiro eletrodo e o segundo eletrodo são mantidos em um líquido a ser eletrolisado, e o fornecedor de pulso é funcionalizado para aplicar pulso de alta tensão direto para o primeiro eletrodo, e imediatamente após para aplicar pulso de tensão reverso para o primeiro eletrodo, de modo a induzir fluxo de corrente a partir do segundo eletrodo para o primeiro eletrodo.

[0006] Outro aspecto da presente descrição se refere a um método para tratar um líquido. Um método para tratar um líquido inclui: aplicar tensão de pulso positivo entre um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo, ambos sendo mantidos em um líquido, para ativar uma substância contida no líquido; e aplicar tensão de pulso negativo entre o primeiro eletrodo e o segundo eletrodo para induzir fluxo de corrente invertida a partir do segundo eletrodo para o primeiro eletrodo, de modo a retornar a substância que foi ativada no líquido para a superfície do primeiro eletrodo.

[0007] A presente descrição pode aprimorar a técnica for tratamento de um líquido.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0008] A Figura 1 é um desenho que ilustra de modo esquemático uma estrutura de um dispositivo de tratamento de uma modalidade;

[0009] A Figura 2A é um desenho que ilustra de modo esquemático uma reação de eletrodo em um método de eletrólise anterior;

[0010] A Figura 2B é um desenho que ilustra de modo esquemático uma reação de eletrodo no método de eletrólise com uso de um dispositivo de tratamento dessa modalidade;

[0011] A Figura 3 é um desenho que ilustra um exemplo de estrutura de circuito de um fornecedor de pulso;

[0012] A Figura 4A é um gráfico que ilustra mudanças temporais de tensão e corrente fornecidas a uma unidade de tratamento;

[0013] A Figura 4B é um desenho que ilustra a tensão V(1) fornecida por um fornecedor de pulso, corrente I(2) que flui através de uma unidade de tratamento, e energia P(3);

[0014] A Figura 5A é um desenho que ilustra de modo esquemático uma estrutura de um dispositivo de tratamento de acordo com Exemplo da presente descrição;

[0015] A Figura 5B é uma fotografia ilustrando a geração de gases a partir de ambos os eletrodos;

[0016] A Figura 5C é um gráfico que resume os resultados experimentais;

[0017] A Figura 6 é um gráfico que ilustra mudanças temporais na quantidade de radicais OH em água pura tratada pelo dispositivo de tratamento de acordo com o Exemplo da presente descrição; e

[0018] As Figuras 7A a 7C ilustram as mudanças temporais nas quantidades de radicais em vários líquidos tratados pelo dispositivo de tratamento de acordo com o Exemplo da presente descrição.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0019] A Figura 1 ilustra de modo esquemático uma estrutura de um dispositivo de tratamento de uma modalidade. Um dispositivo de tratamento 1 tem uma unidade de tratamento 4 que contém um primeiro eletrodo 2 e um segundo eletrodo 3; e um fornecedor de pulso 5 que aplica tensão de pulso entre o primeiro eletrodo 2 e o segundo eletrodo 3. O primeiro eletrodo 2 e o segundo eletrodo 3 são mantidos em um líquido a ser eletrolisado. No exemplo ilustrado, o segundo eletrodo 3 é aterrado, e pulsos de tensão nas direções direta e reversa são aplicados a partir do fornecedor de pulso 5 para o primeiro eletrodo (úmido) 2. O segundo eletrodo 3 pode alternativamente ser conectado ao fornecedor de pulso 5. O segundo eletrodo 3 nesse caso pode ter pulso positivo aplicado ao mesmo, de modo a criar um estado potencial igual àquele criado quando o pulso negativo é aplicado ao primeiro eletrodo 2. O pulso de tensão pode alternativamente ser pulso de corrente ou pulso de energia.

[0020] O fornecedor de pulso 5 é funcionalizado para aplicar pulso de alta tensão direto para o primeiro eletrodo 2, e imediatamente após para aplicar pulso de tensão reverso para o primeiro eletrodo 2, de modo a induzir fluxo de corrente a partir do segundo eletrodo 3 para o primeiro eletrodo 2. Isso eletrolisa com sucesso o líquido com o uso de um método totalmente diferente a partir do método de eletrólise anterior, e pode gerar espécies ativas tais como radical OH no líquido de modo a modificar o líquido.

[0021] A Figura 2A ilustra de modo esquemático a reação de eletrodo em um método de eletrólise anterior. De acordo com o método de eletrólise anterior, íons de hidrogênio H+ gerados por uma reação de oxidação no lado do ânodo migram no eletrólito em direção do lado do cátodo, e aceita elétrons a partir do cátodo para produzir hidrogênio H2. Por outro lado, íons hidróxido OH- gerados por uma reação de redução no lado do cátodo migram no eletrólito em direção do lado do ânodo onde elétrons são retirados pelo ânodo, desse modo gerando oxigênio O2 ou água H2O. De modo a permitir a migração de íons de hidrogênio H+ e íons hidróxido OH- entre eletrodos, o líquido a ser eletrolisado precisa ser uma solução eletrolítica.

[0022] A Figura 2B ilustra de modo esquemático uma reação de eletrodo no método de eletrólise com uso do dispositivo de tratamento 1 dessa modalidade. íons de hidrogênio H+ gerados no lado do primeiro eletrodo 2 (ânodo) em resposta ao pulso positivo (ETAPA-1) aplicado a partir do fornecedor de pulso 5 para o primeiro eletrodo 2 migram em direção do primeiro eletrodo 2 (cátodo) em resposta ao pulso negativo (ETAPA-2) aplicado imediatamente após o primeiro eletrodo 2, e recebe elétrons a partir do primeiro eletrodo 2 (cátodo) para se transformar em hidrogênio H2. Por outro lado, íons hidróxido OH-e íons de oxigênio O2-gerados no lado do segundo eletrodo 3 em ETAPA-1 migram em direção do segundo eletrodo 3 (ânodo) em ETAPA-2 onde elétrons são retirados pelo segundo eletrodo 3 (ânodo), e se transformam em oxigênio O2 ou água H2O.

[0023] De acordo com este método de eletrólise, uma vez que os íons hidrogênio H+, íons hidróxido OH- e íons oxigênio O2- migram ao longo de um caminho extremamente curto ao redor dos eletrodos (estimado em cerca de 1 μm ou menor), em vez de migrar entre os eletrodos, tornando possível se aprimorar drasticamente a eficiência de geração de hidrogênio H2 e assim por diante eletrolisando o líquido. A ETAPA-1 e a ETAPA-2 habilitadas pela energia de pulso podem repetir rapidamente o ciclo acima mencionado, e isso também torna possível melhorar drasticamente a eficiência da geração de hidrogênio H2 e assim por diante eletrolisando o líquido. Como não é mais necessário mover, entre os eletrodos, íons de hidrogênio H+, íons de hidróxido OH, íons de oxigênio O2- e assim por diante gerados nos eletrodos, para que a eletrólise possa prosseguir com alta eficiência. Isso também permite a eletrólise de líquido diferente da solução eletrolítica, com condutividade elétrica relativamente baixa, como água, etanol, mistura de água e etanol ou solução de amônia. É estimado que a eletrólise de água pura de acordo com a presente descrição se baseie nas reações a seguir em torno de cada eletrodo.
Ao redor do ânodo:
4H2O - 4e- →4H+ + 4OH (4OH.)
4H+ + 4e-→2H2↑ Ao redor do cátodo:
4H2O + 4e- → 2O2- + 2OH- + 2H+
2O2- + 2OH- + 2H+ - 4e- → O2↑ + 2H2O

[0024] Após a aplicação de pulso de alta tensão para eletrolisar líquido de alta resistividade, tal como água ou etanol, o impacto do pulso acompanhado por mudança de tensão acentuada ocorre para excitar espécies químicas contidas no líquido e também produz uma espécie ativa, como radical OH. O dispositivo de tratamento 1 desta modalidade pode gerar consecutivamente uma espécie ativa, tal como radical OH e, portanto, pode modificar eficientemente o líquido.

[0025] A Figura 3 é um desenho que ilustra um exemplo de estrutura de circuito de um fornecedor de pulso 5. O fornecedor de pulso 5 inclui uma fonte elétrica pulsada 8, e um diodo 9 conectado em série à fonte elétrica pulsada 8 e à unidade de tratamento 4. O diodo 9 tem uma tensão suportável superior à tensão necessária para excitar uma substância contida no líquido para gerar uma espécie ativa como o radical OH. O diodo 9 funciona para induzir corrente reversa na unidade de tratamento 4, com o auxílio de recuperação reversa e característica de ruptura de avalanche, mediante aplicação de energia de pulso direto e posterior aplicação de tensão reversa. O diodo 9 tem uma característica de recuperação reversa e uma resistência à corrente reversa suficiente para fornecer a corrente necessária para íons de hidrogênio H+, gerados em resposta à energia do pulso direto, para receber elétrons do primeiro eletrodo 2 e se transformar em hidrogênio H2. O diodo 9 pode ser conectado ao primeiro eletrodo 2 ou pode ser conectado ao segundo eletrodo 3.

[0026] Como já foi descrito anteriormente, a eletrólise prévia necessita de fornecimento contínuo de corrente no sentido direto, a fim de causar a migração de íons de hidrogênio gerados no lado do ânodo para o lado do cátodo. Isso ocasionalmente exigiu que um diodo fosse conectado em série, com a finalidade de bloquear o fluxo de corrente reversa. Em contraste, o dispositivo de tratamento 1 da presente descrição é concebido com a finalidade de induzir fluxo de corrente reversa, de modo a causar migração de íons de hidrogênio H+ gerados no lado do primeiro eletrodo 2 em direção ao primeiro eletrodo 2 e, portanto, conectado em série para isso, o diodo 9 possui características de recuperação reversa e resistência à corrente reversa adequada para o propósito. Assim, a finalidade de fornecimento do diodo 9 no dispositivo de tratamento 1 da presente descrição é diferente da finalidade de fornecimento do diodo no aparelho de eletrólise anterior. Também a característica de recuperação reversa, a resistência à corrente reversa e assim por diante do diodo 9 fornecido ao dispositivo de tratamento 1 da presente descrição são diferentes daquelas do diodo incluído no aparelho de eletrólise anterior. Note que em um caso onde o líquido a ser tratado tem uma pequena condutividade elétrica (alta resistividade), a aplicação de pulso direto em baixa tensão geralmente demonstra, em seu estágio inicial, uma característica de carga que é tipicamente observada na descarga de barreira dielétrica capacitiva. Na presente descrição, uma tensão de pulso de alta tensão direta é aplicada, a fim de iniciar intencionalmente a reação de eletrólise de pulso do líquido. Nesse caso, a tensão reversa de rebote próxima ao valor de pico é aplicada instantaneamente à carga e ao diodo conectado em série. O diodo deve, portanto, ter resistência à tensão de pulso reverso que corresponde à tensão reversa de pico e ter durabilidade contra uma característica de corrente de deslocamento semelhante à carga resistiva, causada quando a carga energizada direta, tendo sido gerada no líquido de alta resistividade após a aplicação de pulso direto anterior, flui como uma corrente reversa sob aplicação de tensão reversa.

[0027] A Figura 4A é um gráfico que ilustra mudanças temporais de tensão e corrente fornecida para a unidade de tratamento 4. A Figura 4B ilustra tensão V(1) fornecida pelo fornecedor de pulso 5, corrente l(2) que flui através da unidade de tratamento 4, e energia P(3). Com a aplicação de um pulso positivo pelo fornecedor de pulso 5 para o primeiro eletrodo 2, a tensão se eleva agudamente. Após, também a corrente se eleva agudamente. Nesse processo, uma substância contida no líquido ao redor da superfície do primeiro eletrodo 2 é ativada por ionização por colisão, para gerar íons de hidrogênio H+, radicais OH, e assim por diante. Com a subsequente aplicação de um pulso negativo pelo fornecedor de pulso 5 para o primeiro eletrodo 2, a corrente reversa flui com a ajuda de recuperação reversa e características de ruptura de avalanche do diodo 9.

Exemplos

[0028] A Figura 5A ilustra de modo esquemático uma estrutura do dispositivo de tratamento 1 de acordo com Exemplo da presente descrição. O primeiro eletrodo 2 e o segundo eletrodo 3 foram dispostos em água, o gás gerado a partir de cada eletrodo foi coletado com um frasco de coleta de gás, e cada gás coletado foi detectado com um detector de gás combustível. A Figura 5B é uma fotografia ilustrando a geração do gases a partir de ambos os eletrodos.

[0029] A Figura 5C é um gráfico que resume os resultados experimentais. No Exemplo, a água pura foi eletrolisada pelo método de eletrólise desta modalidade. A tensão de admissão para o fornecedor de pulso 5 foi ajustada para 75 W, a frequência de pulso foi ajustada para 10 kpps, a tensão de pulso positiva foi ajustada para 7,3 kV, a tensão de pulso negativa foi ajustada para -4,0 kV e a energia de saída foi ajustada para 22 W. Exemplo Comparativo, a água da torneira foi eletrolisada por um método de eletrólise anterior. A voltagem DC foi ajustada para 0,2 kV e a energia DC foi ajustada para 2 W. No Exemplo Comparativo, o hidrogênio foi gerado no cátodo, enquanto o hidrogênio não foi gerado no ânodo. No exemplo, o hidrogênio foi gerado no ânodo (primeiro eletrodo 2), enquanto o hidrogênio não foi gerado no cátodo (segundo eletrodo 3). Conforme ilustrado nas Figuras 2A e 2B, foi verificado que o método de eletrólise desta modalidade gera hidrogênio a partir do eletrodo com polaridade reversa daquela do método de eletrólise anterior.

[0030] A Figura 6 ilustra mudanças temporais na quantidade de radical OH em água pura tratada com o dispositivo de tratamento 1 de acordo com o Exemplo da presente descrição. A quantidade de radical OH é representada pelo radical OH de intensidade de spin de pico observado no espectro de ressonância de spin eletrônico (ESR). A quantidade de radical OH aumentou continuamente com o decorrer do tempo de tratamento.

[0022] As Figuras 7A a 7C ilustram mudanças temporais na quantidade de radical em vários líquidos tratados com o dispositivo de tratamento 1 de acordo com o Exemplo da presente descrição. A Figura 7A ilustra a quantidade de radical OH em água pura. A quantidade de radical OH aumentou com o tratamento. A Figura 7B ilustra a quantidade de radical OH em uma mistura de água e etanol. A quantidade de radical OH aumentou com o tratamento. A Figura 7C ilustra a quantidade de radical CH em etanol. A quantidade de radical CH aumentou com o tratamento. O tratamento com uso do dispositivo de tratamento 1 de acordo com a modalidade da presente descrição provou gerar radical OH e radical CH por tratamento de água pura, etanol ou a mistura de água e etanol.

Claims

Dispositivo de tratamento, caracterizado pelo fato de que compreende:
um primeiro eletrodo; um segundo eletrodo; e
um fornecedor de pulso que aplica uma tensão de pulso entre o primeiro eletrodo e o segundo eletrodo,
o primeiro eletrodo e o segundo eletrodo sendo mantidos em um líquido a ser eletrolisado,
o fornecedor de pulso sendo funcionalizado para aplicar pulso de alta tensão direto para o primeiro eletrodo, e imediatamente após para aplicar pulso de tensão reverso para o primeiro eletrodo, de modo a induzir fluxo de corrente a partir do segundo eletrodo para o primeiro eletrodo,
o líquido sendo água, etanol, ou uma mistura de água e etanol, e o dispositivo de tratamento sendo desenvolvido para gerar hidrogênio como um as resultado da eletrolise do líquido sobre a superfície do primeiro eletrodo.
Dispositivo de tratamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que é desenvolvido para gerar radical OH no líquido.
Método para tratar um líquido, caracterizado pelo fato de que compreende:
aplicar tensão de pulso positivo entre um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo, ambos sendo mantidos em um líquido, para ativar uma substância contida no líquido; e
aplicar tensão de pulso negativo entre o primeiro eletrodo e o segundo eletrodo para induzir fluxo de corrente a partir do segundo eletrodo para o primeiro eletrodo, de modo a retornar a substância que foi ativada no líquido para a superfície do primeiro eletrodo.