BR102023022268A2 - Célula eletrolítica, e sistema eletrolítico para produzir um agente oxidante, método para operar um sistema eletrolítico, e aparelho para desinfetar e limpar água do mar - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a uma célula eletrolítica para produzir um agente oxidante, a célula eletrolítica compreendendo uma pluralidade de ânodos e cátodos, em que os ânodos e cátodos têm formato geométrico substancialmente igual. Também é divulgado um sistema eletrolítico incluindo uma célula eletrolítica, bem como um aparelho para limpeza de água do mar e um método para operar o sistema eletrolítico.

Description

[001] A presente invenção refere-se a uma célula eletrolítica para prevenir o acúmulo de incrustações na célula eletrolítica. Em particular, a invenção refere-se a uma célula eletrolítica tendo uma pluralidade de ânodos e cátodos e a um sistema eletrolítico compreendendo tal célula eletrolítica. A invenção também se refere a um método para prevenir o acúmulo de incrustações na célula eletrolítica, bem como a um aparelho para desinfecção e limpeza de água do mar, tal como para injeção em um poço de injeção.

[002] A produção eletroquímica de oxidantes por meio de eletrocloradores e geradores de radicais hidroxila é bem conhecida e amplamente utilizada na indústria de tratamento de água, onde o objetivo é inativar os orgânicos presentes na água e assim proporcionar desinfecção.

[003] Um clorador de água salgada para estações de tratamento de água inclui tradicionalmente uma célula de eletrólise composta por placas paralelas de ânodos e cátodos. O clorador de água salgada gera oxidantes como o cloro, que funciona como agente desinfetante. Os principais subprodutos de qualquer processo de eletrólise em água salgada são a geração de gás hidrogênio (H2) e a precipitação de sais insolúveis.

[004] Um gerador de radical hidroxila é similar a um eletroclorador, mas possui potenciais de oxidação/redução e materiais diferentes no cátodo e no ânodo. Oxidantes como os radicais hidroxila são extremamente reativos e serão convertidos em outra molécula química em nanossegundos. Como tais radicais altamente reativos são gerados na superfície dos eletrodos em um gerador de radicais hidroxila, apenas a água que está próxima dos eletrodos será tratada por estes radicais.

[005] As reações de redução de água e oxigênio perto do cátodo causam a liberação de oxidantes e a criação de um ambiente alcalino, enquanto as reações de oxidação no ânodo causam um ambiente ácido. Se a água contiver íons inorgânicos tais como cálcio e magnésio, por exemplo, como presente na água do mar, o ambiente alcalino irá tipicamente induzir a precipitação destes íons, por exemplo de cálcio na forma de CaCO3 e magnésio na forma de Mg(OH)2. Esse precipitado é geralmente conhecido como incrustações. Os termos "incrustação", "incrustações", "a acumulação de incrustações"ou "deposição de incrustações" são aqui utilizados para se referir ao depósito de compostos pouco solúveis, principalmente inorgânicos, tais como, mas não limitados a, carbonato de cálcio, hidróxido de magnésio e sulfato de cálcio. Os compostos particulares dependerão do conteúdo mineral da água/solução aquosa na aplicação particular na qual a invenção presentemente descrita pode encontrar utilidade.

[006] A taxa de deposição e o tipo de material depositado no cátodo dependerão da densidade da corrente elétrica e da temperatura e química da água, bem como da taxa de fluxo de água através da célula. No caso complexo da eletrólise da água do mar, materiais ligeiramente diferentes podem ser depositados no cátodo devido às diferentes taxas de crescimento dos sais de cálcio ou magnésio. Isto pode resultar em diferentes propriedades físicas do material depositado, por exemplo, diferentes dureza, textura ou cor.

[007] A formação de incrustações é um desafio considerável no projeto de cloradores de água do mar, onde a precipitação devido a reações químicas forma um depósito nos cátodos do dispositivo e, portanto, cria uma restrição significativa ou mesmo um tampão. O crescimento da incrustação irá, ao longo do tempo, reduzir significativamente a área de contato do cátodo e, portanto, a eficiência da desinfecção, e aumentar a queda de pressão através da célula devido à redução da área de fluxo.

[008] Foram propostos diferentes métodos para lidar com o problema da formação de incrustações, além de retirar a célula da água e limpá-la mecanicamente. Por exemplo, o documento US3822017 A divulga uma unidade de cloração elétrica que possui raspadores para remover mecanicamente a incrustação, o documento US2015233003 AA divulga um método para diminuir a taxa de formação de incrustação injetando intermitentemente jatos de água pressurizada, e o documento US2006027463 AA divulga uma célula eletrolítica em que ar ozonizado bolhas são usadas para diminuir a formação de incrustações, atraindo partículas de incrustações e transportando-as para longe do eletrodo. No entanto, estas soluções tornarão a célula eletroquímica mais complexa e, portanto, mais cara e propensa a funcionar mal. O documento US5034110 A divulga um clorador autolimpante compreendendo um fornecimento de energia que inverte ciclicamente a polaridade nos eletrodos para remover os depósitos de incrustações. Uma desvantagem de reverter a polaridade é que os eletrodos podem ser danificados e sua vida útil reduzida. A vida útil reduzida também é exacerbada pelo fato de que, ao alterar ciclicamente a polaridade, todos os eletrodos terão que servir alternadamente como cátodos e ânodos, respectivamente, de modo que não é mais possível otimizar o design dos diferentes eletrodos para uma função de polaridade específica. Para áreas de utilização onde há fácil acesso aos eletrodos para manutenção, como para limpeza de piscinas, isto pode ser aceitável. Contudo, para aplicações submarinas onde a célula eletroquímica pode ser posicionada, por exemplo, no fundo do mar, que pode, no pior dos casos, estar a várias centenas de quilômetros da costa, a uma profundidade de vários quilômetros abaixo da superfície, a manutenção frequente pode ser muito dispendiosa e altamente indesejável.

[009] A produção de hidrogênio residual na superfície do cátodo também demonstrou ser uma fonte de falha prematura através de fissuração por tensão induzida por hidrogênio (HISC)/fragilização por hidrogênio (HE) do cátodo.

[0010] Tentativas recentes também foram feitas para revestir um cátodo com materiais que sejam repelentes a materiais inorgânicos e, assim, evitar o acúmulo de incrustações. O efeito de tais revestimentos repelentes tem sido um tanto limitado até agora. Estes revestimentos repelentes têm sido geralmente feitos de materiais hidrofóbicos e oleofóbicos que não são eletricamente condutores e, portanto, tiveram que ser feitos muito finos, normalmente na faixa submicrométrica, para não comprometer a função eletrolítica da célula. Tem sido, portanto, difícil aplicar um revestimento uniforme, suficientemente fino, sem furos, onde os furos definem locais de nucleação para formação de incrustações. Para obter algum efeito de tais revestimentos repelentes inorgânicos, também foi necessário reverter a polaridade do eletrodo, o que reduz a vida útil do eletrodo, conforme explicado acima. Os revestimentos repelentes inorgânicos também demonstraram ser dependentes de um determinado fluxo de água para proporcionar algum efeito, o que significa que não seriam eficientes durante uma parada temporária no fluxo.

[0011] A invenção tem por objetivo remediar ou reduzir pelo menos uma das desvantagens da técnica anterior, ou pelo menos fornecer uma alternativa útil à técnica anterior.

[0012] O objetivo é alcançado através de características, que são especificadas na descrição abaixo e nas reivindicações que se seguem.

[0013] A invenção é definida pela reivindicação de patente independente, enquanto as reivindicações dependentes definem modalidades vantajosas da invenção.

[0014] Em um primeiro aspecto, a invenção refere-se a uma célula eletrolítica para produzir um agente oxidante, a célula eletrolítica compreendendo uma pluralidade de ânodos e cátodos, em que os ânodos e cátodos têm uma forma geométrica substancialmente igual. Normalmente, os eletrodos em tal célula eletrolítica, que tem como função principal produzir um agente oxidante, serão moldados para otimizar a sua função pretendida; seja como ânodo ou cátodo. Normalmente, os cátodos eram significativamente maiores que os ânodos. Quando utilizado em um sistema, como será explicado abaixo, onde a polaridade pode ser invertida em intervalos regulares, cada eletrodo precisa ser capaz de cumprir a função tanto de ânodo quanto de cátodo. A sua concepção pode, como tal, ser uma compensação para o cumprimento de ambas as funções.

[0015] Em uma modalidade, os cátodos e ânodos também podem ser feitos do mesmo material e ter um revestimento substancialmente igual. O material pode, em algumas modalidades, ser titânio (Ti), mas outros materiais típicos de eletrodo também podem ser usados, incluindo platina, grafite, cobre, prata, latão, etc. O revestimento pode ser um óxido de metal misturado (MMO), mas outros tipos de revestimento eletrolítico com funcionalidade similar também pode ser usado, incluindo platina galvanizada, diamante dopado com boro (BDD), etc. Em uma modalidade, o revestimento pode ser um revestimento MMO com uma porcentagem molar deTiO2 de 50% combinada com óxido de rutênio ou óxido de irídio. A densidade da área de revestimento pode ser da ordem de 10 g/m2.

[0016] A célula eletrolítica pode, em uma modalidade, ser projetada para produzir cloro como agente oxidante primário. Uma célula eletrolítica projetada para produzir cloro primário pode inevitavelmente produzir também pequenas quantidades de outros agentes oxidantes, como hipoclorito ou radicais hidroxila livres. Em outras modalidades, a célula eletrolítica pode ser projetada para produzir outro agente oxidante como agente oxidante primário, tal como hipoclorito, radicais hidroxila livres, bromo, etc. Um técnico no assunto compreenderá a escolha de diferentes tamanhos de eletrodos, materiais, revestimentos, diferentes fontes de corrente e tensão, etc., favorecerão a produção de diferentes tipos de agentes oxidantes, cujos detalhes não serão aqui apresentados.

[0017] Em uma modalidade, a célula eletrolítica pode incluir uma estrutura de quadro retangular, em que uma porção principal da área ativa dos ânodos e cátodos está localizada abaixo da estrutura de quadro. Dois lados da estrutura do quadro podem incluir um par de barramentos conectando eletricamente os eletrodos. Ao diminuir a área ativa dos eletrodos para uma posição abaixo dos barramentos, o risco de acúmulo de incrustações nos eletrodos é ainda mais reduzido, principalmente devido à redução da área de contato entre os eletrodos e os barramentos e à criação de uma distância entre a estrutura do quadro e os eletrodos. A área de contato entre a estrutura do quadro e os eletrodos demonstrou ser uma origem do crescimento da incrustação. Reduzir a área de contato e afastar a área do eletrodo ativo do quadro, baixando os eletrodos, reduz assim o risco de acúmulo de incrustações. A lacuna vertical criada entre o plano da estrutura do quadro e o topo dos eletrodos pode ser preenchida por meio de placas de um material não condutor, o que pode reduzir ainda mais o risco de formação de pontes de incrustações no topo dos eletrodos em uso. Preferencialmente, as áreas de contato entre os eletrodos e a estrutura do quadro, em particular os barramentos, podem ser revestidas com um material não condutor, como um molde à base de resina. Outros componentes não condutores da célula eletrolítica podem ser feitos ou cobertos por materiais com capacidade reduzida de acumular carga superficial uma vez imersos em água do mar, tais como vários tipos de polímeros. Muitos polímeros apresentam modificações com capacidade reduzida de acumular carga superficial. Alguns exemplos são PEHD (polietileno de alta densidade), PVC (cloreto de polivinila), PTFE (politetrafluoroetileno), PVDF ((di)fluoreto de polivinilideno) e resinas de flúor, etc.

[0018] Em uma modalidade, os ânodos e cátodos podem ser dispostos em paralelo e com uma distância entre eles na faixa de 5 a 40 mm, preferencialmente em torno de 20 mm. Foi constatado que uma distância na faixa de 20 mm é ideal para certas condições de fluxo para produzir uma quantidade apropriada de oxidante, tal como cloro, enquanto ao mesmo tempo reduz a queda de pressão sobre a célula eletrolítica. A distância entre os eletrodos é um fator primário para o potencial elétrico da célula eletrolítica.

[0019] Em um segundo aspecto a invenção refere-se a um sistema eletrolítico para produzir um agente oxidante, o sistema eletrolítico compreendendo uma célula eletrolítica de acordo com o primeiro aspecto da invenção, o sistema eletrolítico compreendendo ainda: - uma unidade de fornecimento de energia; e - uma unidade de controle para controlar o fornecimento de energia da unidade de fornecimento de energia para a célula eletrolítica.

[0020] Em uma modalidade, a densidade de corrente em condições normais de operação da célula eletrolítica pode estar na faixa de 100 a 1000 A/m2, preferencialmente 500 A/m2 ou superior e ainda mais preferencialmente 500 a 700 A/m2.

[0021] A unidade de fornecimento de energia pode normalmente ser conectada a barramentos da célula eletrolítica, onde os ânodos e cátodos da célula eletrolítica estão eletricamente conectados aos respectivos barramentos.

[0022] Em um terceiro aspecto, a invenção refere-se a um método de operação do sistema eletrolítico de acordo com o segundo aspecto da invenção, o método incluindo as etapas de: - reverter a polaridade do fornecimento de energia para a célula eletrolítica em intervalos regulares, por meio do qual os cátodos tornam- se ânodos e vice-versa.

[0023] A reversão da polaridade do fornecimento de energia da unidade de fornecimento de energia é controlada pela unidade de controle. O intervalo entre as reversões polares pode estar na faixa de 12 a 72 horas, preferencialmente em torno de 24 horas. Foi constatado que 12 a 72 horas em certas condições de fluxo podem ser intervalos de comutação benéficos. Para a prevenção da formação de incrustações, uma frequência elevada pode ser desejável. Ao mesmo tempo, a reversão da polaridade gera cargas significativas nos eletrodos, reduzindo sua vida útil. Em um intervalo de reversão de 12 a 72 horas, e preferencialmente em torno de 24 horas, apenas uma quantidade pequena/insignificante de incrustação pode se acumular no cátodo antes de reverter a polaridade, após o qual a incrustação irá descascar do ânodo (anteriormente cátodo), não permitindo assim que a incrustação se acumule. Com intervalos de reversão mais longos, foi demonstrado que é menos provável que a incrustação descasque após a reversão. Com intervalos de reversão mais curtos, a vida útil dos eletrodos é reduzida. Para uma vida útil operacional livre de manutenção de 4 anos ou mais, os intervalos de reversão de 24 horas demonstraram ser uma possível compensação. Como os eletrodos são idênticos, não há tempo de inatividade para os ciclos, ou seja, a célula eletrolítica está produzindo o mesmo tipo e quantidade de oxidantes em ambas as polaridades. Deve também ser observado que se a produção de outros oxidantes primários, diferentes do cloro, for o alvo principal do sistema eletrolítico, então outras frequências de reversão podem ser mais benéficas. Para a produção de radicais hidroxila livres, a frequência de reversão pode ser da ordem de 1 a 2 minutos para minimizar o desenvolvimento de hidrogênio.

[0024] Para reduzir a carga nos eletrodos após a reversão de polaridade, a etapa de reverter a polaridade da unidade de fornecimento de energia pode incluir a etapa de diminuir o fornecimento de energia de um valor operacional antes da reversão e aumentar a fonte de alimentação de volta para o valor operacional após a reversão. Como será compreendido por um técnico no assunto, a célula eletrolítica acumulará carga durante o seu funcionamento. Mesmo desligando completamente o fornecimento de energia, uma certa quantidade de carga, como alguns volts, permanecerá na célula eletrolítica e diminuirá lentamente. Esta carga “residual” pode ser prejudicial aos eletrodos quando a polaridade for posteriormente invertida. Preferencialmente, o aumento do fornecimento de energia pode ser feito durante um intervalo de tempo de 1 a 20 minutos, preferencialmente em torno de 5 minutos, o que demonstrou reduzir a carga residual e reduzir a carga nos eletrodos imediatamente após a reversão, enquanto no momento em que reduz o tempo de operação em um fornecimento de energia abaixo das condições normais de operação.

[0025] Em uma modalidade, o fornecimento de energia da unidade de fornecimento de energia para a célula eletrolítica pode ser completamente desligada por um período de tempo imediatamente antes da reversão da polaridade. Manter a célula eletrolítica ociosa por um período de tempo será benéfico para liberar o hidrogênio ao redor do cátodo (que está prestes a se tornar o ânodo) e restaurar condições estáveis de água ao redor dos eletrodos, bem como para reduzir a carga acumulada na célula eletrolítica. Ainda assim, em certas modalidades, descobriu-se que a dissipação de carga por autodescarga passiva da célula eletrolítica para um “nível seguro” pode levar muito tempo e é um tanto imprevisível. Qualquer carga restante ao reverter a polaridade pode causar falha no fornecimento de energia. Em uma modalidade, uma carga ativa pode ser adicionada à placa da unidade de fornecimento de energia durante o desligamento. O princípio de operação pode ser encurtar os eletrodos por meio de uma carga ativa quando a célula eletrolítica não estiver energizada e desconectar essa carga ativa quando a unidade de fornecimento de energia estiver novamente fornecendo energia para a célula eletrolítica (para evitar consumo indesejável de energia e geração de calor). Em uma modalidade, a carga ativa pode ser automaticamente engatada durante a redução das condições normais de operação para o modo inativo/desligado da unidade de fornecimento de energia. O engate/desengate da carga ativa pode, por exemplo, ser definido quando a tensão ou corrente de saída da unidade de fornecimento de energia está abaixo ou acima, respectivamente, de um determinado limite de tensão e/ou de um determinado limite de corrente. Em uma modalidade, a carga ativa pode ser ligada/engatada quando a tensão de saída estiver abaixo de 0,8 V ou inferior e/ou a corrente de saída for substancialmente 0A. Da mesma forma, a carga ativa pode ser desligada/desativada quando a tensão de saída estiver acima de 0,8 V e/ou a corrente de saída for diferente de (substancialmente) 0A. A etapa de desligar completamente o fornecimento de energia e descarregar a célula eletrolítica tem o duplo efeito de reduzir a carga nos eletrodos ao reverter a polaridade, bem como de liberar o hidrogênio do cátodo, de modo a reduzir o risco de indução de hidrogênio. rachaduras por tensão e, em última análise, aumentam a vida útil dos eletrodos.

[0026] A carga ativa pode ser limitada a uma determinada corrente nominal, tal como na faixa de 5 a 10 A, preferencialmente em torno de 7 A, de modo que a taxa de consumo de energia é limitada (70W no máximo para 7A).

[0027] Permitir que a célula eletrolítica descarregue substancialmente e que o hidrogênio seja liberado antes de reverter a polaridade pode aumentar significativamente a vida útil do sistema eletrolítico, incluindo tanto os eletrodos quanto a unidade de fornecimento de energia.

[0028] Em uma modalidade, o período inativo/desligado pode estar na faixa de 1 a 20 minutos, preferencialmente em torno de 10 minutos, o que se mostrou suficiente ao adicionar uma carga ativa.

[0029] Em um quarto aspecto, a invenção refere-se a um aparelho para desinfecção e limpeza de água do mar, o aparelho incluindo um ou mais sistemas eletrolíticos de acordo com o segundo aspecto da invenção, sendo o aparelho configurado para ser posicionado abaixo da superfície da água do mar e para receber circundar a água do mar através de uma entrada, em que a(s) célula(s) eletrolítica(s) é/são posicionada(s) na entrada de modo que a água do mar flua para dentro do aparelho passando pelos ânodos e cátodos da(s) célula(s) eletrolítica(s).

[0030] O aparelho pode ser usado para limpar água a ser injetada em um poço de injeção.

[0031] Em uma modalidade preferida, o aparelho pode compreender uma pluralidade de sistemas eletrolíticos na sua entrada. Dependendo dos requisitos de fluxo de água limpa, uma pluralidade de tais sistemas eletrolíticos pode operar em paralelo. Em certas modalidades, onde o requisito de fluxo é de 200 a 300 m3/h, 8 a 10, em particular 9, tais sistemas eletrolíticos podem operar em paralelo. Operando em paralelo e certificando-se de que o tempo de reversão de polaridade seja diferente para pelo menos alguns dos sistemas eletrolíticos, uma quantidade suficiente de oxidante, tal como cloro, pode ser produzida em todos os momentos, mesmo que a função de descarga divulgada acima seja implementada. Em uma modalidade, o aparelho pode ser fornecido com um conjunto duplo de células eletrolíticas, implicando que se forem necessárias 9 células eletrolíticas para tratar um fluxo volumétrico suficiente de água do mar, então 18 células podem ser fornecidas para redundância.

[0032] Em uma modalidade, a entrada do aparelho pode ser posicionada de modo que o fluxo de água do mar que passa pelos ânodos e cátodos tenha uma componente vertical. Isto pode ser útil para incrustações, descamação após reversão de polaridade, queda do aparelho e afastamento das células eletrolíticas.

[0033] Em uma modalidade, o aparelho, a jusante da entrada, pode incluir um tanque para filtragem gravitacional da água do mar. A filtragem/sedimentação gravitacional, ao deixar a água fluir lentamente através do tanque, normalmente de baixo para cima, elimina, ou pelo menos reduz, a necessidade de filtragem por meio de membranas e similares. Tais membranas podem ficar obstruídas e geralmente aumentam a necessidade de manutenção do aparelho.

[0034] Em outras modalidades, o sistema eletrolítico pode ser usado em outros tipos de processos/em outros tipos de aparelhos onde o tratamento/pré-tratamento da água do mar é importante para a qualidade e o resultado do processo a jusante. Isto pode ser para fornecimento de água utilizada para eletrólise para a produção de hidrogênio. Em uma modalidade, a célula eletrolítica pode ser usada em combinação com uma turbina eólica offshore, fornecendo a energia necessária para acionar a eletrólise e, opcionalmente, também a energia para acionar a célula eletrolítica. O aparelho utilizado para fornecer água para eletrólise pode ser do mesmo tipo que aquele utilizado para tratar água para injeção em um poço de injeção.

[0035] A seguir são descritos exemplos de modalidades preferidas ilustradas nos desenhos anexos, em que:

[0036] A Figura 1 mostra, em uma vista superior, uma célula eletrolítica de acordo com a invenção;

[0037] A Figura 2A mostra a célula eletrolítica da Figura 1 em uma vista lateral em corte transversal através da linha A-A;

[0038] A Figura 2B mostra uma porção do eletrolítico da Figura 1 em uma vista lateral em corte transversal a partir da linha B-B;

[0039] A Figura 3 mostra, em uma vista em perspectiva parcialmente cortada, uma modalidade alternativa de uma célula eletrolítica de acordo com a invenção;

[0040] A Figura 4 mostra, em uma vista parcialmente em corte, a célula eletrolítica da Figura 1;

[0041] A Figura 5A mostra uma primeira modalidade exemplificativa de um aparelho para limpeza de água do mar de acordo com a invenção;

[0042] A Figura 5B mostra uma segunda modalidade exemplificativa de um aparelho para limpar suéteres de acordo com a invenção.

[0043] A Figura 6A mostra a quantidade de cloro livre em função do tempo em uma primeira configuração experimental;

[0044] A Figura 6B mostra a quantidade de cloro livre em função do tempo em uma segunda configuração experimental;

[0045] A Figura 7A mostra a corrente e a tensão em função do tempo em uma configuração experimental durante a reversão da polaridade de negativo para positivo; e

[0046] A Figura 7B mostra a corrente e a tensão em função do tempo em uma configuração experimental durante a reversão da polaridade de positiva para negativa.

[0047] A seguir, o número de referência 1 será usado para denotar uma célula eletrolítica, enquanto os números de referência 10 e 100 serão usados para denotar um sistema eletrolítico e um aparelho para limpeza de água do mar, respectivamente. Números de referência idênticos referem-se a características idênticas ou similares nos desenhos. As figuras desenhadas são altamente esquemáticas e simplificadas, e vários recursos nelas contidos não são necessariamente desenhados em incrustação. Quaisquer indicações de posição referem-se à posição mostrada nas figuras.

[0048] É feita primeiramente referência às Figuras 1, 2A e 2B. A Figura 1 mostra uma vista superior de uma célula eletrolítica 1 de acordo com a invenção, enquanto as Figuras 2A e 2B mostram vistas laterais em corte transversal conforme visto através das linhas A-A e B-B, respectivamente, da Figura 1. Uma pluralidade de eletrodos 3, 5 é mostrada estendendo-se em paralelo entre as barras laterais 7,7'. A distância entre cada eletrodo 3, 5 na modalidade mostrada é de aproximadamente 20 mm. Conforme explicado no presente documento, os eletrodos 3, 5 servirão alternadamente como cátodos 3 e ânodos 5. Um conjunto de eletrodos 3 está conectado a um primeiro barramento 9 em uma das barras laterais 7, enquanto o outro conjunto de eletrodos 5 está conectado a um segundo, não mostrado diretamente, barramento na outra das barras laterais 7'. Na modalidade mostrada, cada um dos eletrodos 3, 5 tem o mesmo formato, é feito de titânio e revestido com um óxido de metal misturado (MMO). Os barramentos 9 não apresentam formas onduladas permitindo a ligação a cada segundo eletrodo em cada barra lateral 7, 7' de modo a definir um lado positivo e um lado negativo. As barras laterais 7, 7'são preenchidas com um molde de resina de poliuretano 11 encapsulando/protegendo os barramentos 9, sendo o molde de resina coberto por um material plástico 12, como PVC ou PTFE. Na modalidade mostrada, os eletrodos 3, 5 são conectados aos barramentos por meio de conexões aparafusadas 19. As conexões aparafusadas 19 simplificam a troca de componentes e evitam soldas, que demonstraram afetar negativamente a produção de incrustações. Os conectores externos 13, 15 conectam cada um dos barramentos 9 a uma unidade de fornecimento de energia 29, como será explicado com referência à Figura 3A. As barras laterais 7, 7', juntamente com as barras de extremidade 17, 17' definem uma estrutura do quadro retangular 21 envolvendo os eletrodos 3, 5. Uma porção ativa 3', 5' dos eletrodos 3, 5 é fornecida na posição vertical abaixo da estrutura de quadro 21 em uso. Mais precisamente, a porção ativa 3', 5'está localizada abaixo de um plano horizontal definido pela porção inferior/fundo da estrutura de quadro 21. Na modalidade das Figuras 2A e 2B, uma lacuna vertical entre uma parte superior da porção ativa 3', 5' de cada eletrodo 3, 5 é fornecida com uma placa não condutora 23, que pode ser útil para evitar a formação de pontes de incrustações no topo dos eletrodos 3, 5. A placa não condutora 25 pode ser feita de um material plástico tal como polietileno, PVC ou PTFE. Cada eletrodo 3, 5 está conectado ao seu respectivo barramento 9 com uma porção angular 25 conectando as porções ativas 3', 5' com seus respectivos barramentos 9.

[0049] A Figura 3 mostra uma primeira modalidade de um sistema eletrolítico 10 de acordo com a invenção. A célula eletrolítica 1 é similar à mostrada nas Figuras 1, 2A e 2B, sendo a única diferença que a lacuna vertical entre a parte superior dos eletrodos 3, 5 não está preenchida com uma placa não condutora, mas está vazio. Os conectores externos 13, 15 conectam cada barramento 9 e, portanto, cada conjunto de eletrodos 3, 5, a uma unidade de fornecimento de energia 29 que é mostrada esquematicamente na figura. A unidade de fornecimento de energia está sendo controlada por meio de uma unidade de controle 31. Na modalidade mostrada, a unidade de controle 31 é mostrada como externa à unidade de fornecimento de energia 29, mas pode igualmente ser integrada ou integrada à unidade de fornecimento de energia 29. Em utilização submarina, a unidade de fornecimento de energia 29 e/ou unidade de controle 31 pode ser fornecida em um recipiente atmosférico preenchido com um gás inerte, tal como N2. Em certas modalidades, a unidade de fornecimento de energia 29 pode ser projetada para fornecer 4-8 V a 20-60 A, preferencialmente em torno de 5-6 V a 30-40 A. Dependendo do tamanho dos eletrodos, isso pode corresponder a uma densidade de corrente de aproximadamente 700A/m2. A unidade de fornecimento de energia 29 pode ser projetada para funcionar tanto em CA quanto em CC como entrada, tal como 250VCA e 400VCC e para se comunicar em RS-485 e CanBus com um alto nível de integridade.

[0050] A Figura 4 mostra uma vista em perspectiva da célula eletrolítica 1 das Figuras 1, 2A e 2B incluídas em um sistema eletrolítico 10. Tal como na Figura 3, a unidade de fornecimento de energia 29 e a unidade de controle 31 são mostradas de forma altamente esquemática.

[0051] As Figuras 5A e 5B mostram, de forma altamente esquemática, uma parte de um aparelho 100 para limpeza de água do mar. Um sistema eletrolítico 10 é mostrado fornecido em uma entrada 33 do aparelho 100, por meio do qual uma corrente de água do mar suja flui para dentro do aparelho 100, passando pelo sistema eletrolítico 10. Em modalidades não mostradas, uma pluralidade de tais sistemas eletrolíticos 10 pode ser fornecida na entrada 33 do aparelho 100. Tipicamente, dois ou mais desses sistemas eletrolíticos 10 podem estar operando em paralelo. Preferencialmente, a água do mar é filtrada e tratada de outra forma a jusante da entrada antes de ser utilizada para o fim a que se destina. Em uma modalidade preferida, a água do mar, a jusante do sistema eletrolítico 10, pode fluir para um tanque não mostrado para filtragem gravitacional da água do mar. Nas modalidades das Figuras 5A e 5B, o fluxo de água do mar que passa pelo sistema eletrolítico 10 é vertical (Figura 5B) ou pelo menos parcialmente vertical (Figura 5A). A orientação/componente de fluxo vertical das células eletrolíticas 1 é benéfica de modo que a incrustação, descamando durante a reversão da polaridade, como aqui explicado, caia para fora do aparelho 100, longe do fluxo de água do mar. Na Figura 5A é mostrada uma escotilha 35, que pode ser útil para liberar hidrogênio durante um processo de descarga ao reverter a polaridade. Em vez de uma escotilha 35, podem ser utilizados um ou mais orifícios de ventilação menores. Experimentos

[0052] Uma primeira e uma segunda configuração experimental, utilizando sistemas eletrolíticos 10 de acordo com a invenção, foram testadas durante um período de 6 meses em condições operacionais realistas. A primeira configuração experimental utilizou uma célula eletrolítica 1 e sistema 10 e mostrada nas Figuras 1, 2A, 2B e 4, enquanto a segunda configuração experimental utilizou uma célula eletrolítica 1 e um sistema 10, conforme mostrado na Figura 3. O fluxo de água através de cada célula 1 foi da ordem de 15m3/h. A entrada para o fornecimento de energia era de 250V CA com um consumo máximo de energia de 400W e uma tensão de saída de ± 0,8-10V CC. A unidade de controle enviou comandos ao fornecimento de energia através de um link de comunicação serial (RS 485) para organizar a saída do fornecimento de energia. Foram utilizados 12 eletrodos em cada célula eletrolítica e a distância entre eles foi de 20 mm. A dimensão da área ativa foi de 430 x 12 x 2 mm. Um polímero PEHD foi usado para cobrir superfícies não ativas para reduzir o acúmulo de carga superficial nas mesmas.

[0053] As Figuras 6A e 6B mostram o cloro livre medido em função do tempo do período de teste de seis meses para a primeira e segunda configuração experimental. O cloro livre foi medido com um sensor Hach DPD1 e monitoramento online CRIUS®. Os dados apresentados nas Figuras 6A e 6B são retirados do sensor Hach, enquanto o Crius foi usado para verificação. A frequência de reversão foi definida para 24 horas, com 5 minutos de redução/aceleração, 10 minutos de inatividade/descarga e 5 minutos de aceleração/redução. Como pode ser visto em ambas as figuras, a produção de cloro livre é estável a uma média de aproximadamente 0,9 mg/l. No início das experiências, ou seja, no dia 1, a tensão para operar cada uma das células era de 4,4 V. Após 6 meses de testes, a tensão de funcionamento era substancialmente a mesma, ou seja, 4,4 V. As células 1 não apresentavam ou apresentavam apenas um acúmulo insignificante de incrustações, o que também corresponde à produção estável de cloro livre.

[0054] As Figuras 7A e 7B mostram a tensão e a corrente em função do tempo durante a reversão de polaridade.

[0055] Além disso, uma terceira configuração experimental foi executada em paralelo com a primeira e a segunda configuração. A configuração da terceira configuração foi idêntica à da primeira configuração, com a única diferença de que a frequência de reversão polar foi 8 vezes maior que a das configurações 1 e 2. A frequência mais alta foi utilizada para, ao longo de um período de seis meses, expor o sistema eletrolítico ao número de reversões polares que seriam esperadas durante uma operação normal de 4 anos. Os experimentos mostraram que o desempenho do sistema eletrolítico foi estável com uma produção estável de cloro livre e níveis estáveis de tensão e corrente, indicando que os eletrodos usados nas configurações são adequados para uso submarino prolongado sem necessidade de manutenção.

[0056] Um técnico no assunto compreenderá que as figuras são apenas desenhos principais. As proporções relativas de elementos individuais também podem ser distorcidas.

[0057] Deve ser observado que as modalidades acima mencionadas ilustram em vez de limitar a invenção, e que os técnicos no assunto serão capazes de projetar muitas modalidades alternativas sem sair do escopo das reivindicações anexas. Nas reivindicações, quaisquer sinais de referência colocados entre parênteses não serão interpretados como limitando a reivindicação. O uso do verbo “compreender” e suas conjugações não exclui a presença de elementos ou etapas diferentes daqueles indicados em uma reivindicação. O artigo “um” ou “uma” precedendo um elemento não exclui a presença de uma pluralidade de tais elementos.

[0058] O simples fato de certas medidas serem invocadas em reivindicações dependentes mutuamente diferentes não indica que uma combinação destas medidas não possa ser utilizada com vantagem.

[0059] A unidade de controle incluída em um sistema de acordo com a invenção pode ser implementada por meio de hardware compreendendo vários elementos distintos e por meio de um computador adequadamente programado. Na reivindicação de dispositivo que enumera vários meios, vários destes meios podem ser concretizados por um único e mesmo item de hardware.

Claims (15)

1. Célula eletrolítica para produzir um agente oxidante, a célula eletrolítica compreendendo uma pluralidade de ânodos e cátodos, caracterizada pelo fato de que os ânodos e cátodos têm formato geométrico substancialmente igual.

2. Célula eletrolítica de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que os cátodos e os ânodos são feitos do mesmo material e têm um revestimento substancialmente igual.

3. Célula eletrolítica de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que os cátodos e ânodos são feitos de titânio (Ti) e/ou o revestimento é um óxido de metal misturado (MMO).

4. Célula eletrolítica de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a célula eletrolítica inclui uma estrutura de quadro retangular, em que uma porção principal da área ativa dos ânodos e cátodos está localizada abaixo da estrutura de quadro.

5. Célula eletrolítica de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que os ânodos e os cátodos estão dispostos em paralelo e em que a distância entre os ânodos e os cátodos está na faixa de 5 a 40 mm, preferencialmente em torno de 20 mm.

6. Sistema eletrolítico para produzir um agente oxidante, o sistema eletrolítico compreendendo uma célula eletrolítica como definida em qualquer uma das reivindicações precedentes, o sistema eletrolítico caracterizado pelo fato de que compreende ainda: - uma unidade de fornecimento de energia; e - uma unidade de controle para controlar o fornecimento de energia da unidade de fornecimento de energia para a célula eletrolítica.

7. Método para operar um sistema eletrolítico como definido na reivindicação 6, o método caracterizado pelo fato de que inclui as etapas de: - reverter a polaridade do fornecimento de energia para célula eletrolítica em intervalos regulares, onde os cátodos se tornam ânodos e vice-versa.

8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o intervalo entre reversões está na faixa de 12 a 72 horas, preferencialmente cerca de 24 horas.

9. Método de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que a etapa de reversão da polaridade do fornecimento de energia inclui a etapa de diminuir o fornecimento de energia a partir de um valor operacional antes da reversão e aumentar o fornecimento de energia de volta ao valor operacional após reversão.

10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o aumento do fornecimento de energia é feito durante um intervalo de tempo de 1 a 20 minutos, preferencialmente cerca de 5 minutos.

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado pelo fato de que após o fornecimento de energia ser desligado por um período de tempo imediatamente antes da reversão da polaridade.

12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o período de inatividade está na faixa de 1 a 20 minutos, preferencialmente em torno de 10 minutos.

13. Aparelho para desinfetar e limpar água do mar, o aparelho caracterizado pelo fato de que inclui um ou mais sistemas eletrolíticos como definido na reivindicação 6, e sendo configurado para ser posicionado abaixo da superfície da água do mar e para absorver a água do mar circundante através de uma entrada, em que a(s) célula(s) eletrolítica(s) é/são posicionada(s) na entrada de modo que a água do mar flua para dentro do aparelho, passando pelos ânodos e cátodos da(s) célula(s) eletrolítica(s).

14. Aparelho de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a entrada está posicionada de modo que o fluxo de água do mar que passa pelos ânodos e cátodos tenha uma componente vertical.

15. Aparelho de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que o aparelho, a jusante da entrada, inclui um tanque para filtragem gravitacional da água do mar.