BR112013003263B1 - sistema de eletrodos em fluxo contínuo; sistema de armazenamento de energia de alta capacidade e uso do sistema de armazenamento de energia de alta capacidade no tratamento de água do mar e de água residual industrial - Google Patents

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Tae-hwan Kim
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Abstract

A presente invenção usa os princípios de absorção de íons (carga) e dessorção de íons (descarga) eletroquímicas e diz respeito a um sistema de eletrodos em fluxo contínuo, um sistema de armazenamento de energia de alta capacidade e seu uso em um método de tratamento de água sendo que os citados sistemas em que a energia de alta capacidade é armazenada como materiais ativos dos eletrodos na fase de pasta fluida, e os eletrólitos fluem simultânea e sucessivamente dentro de um canal de fluxo dino disposto no eletrodo. Mais especificamente, a presente invenção diz res-peito a um sistema de eletrodos em fluxo contínuo, um sistema de armazenamento de energia e um método de tratamento de água em que os materiais ativos dos eletrodos fluem consecutivamente em estado de pasta fluida por meio de que se obtém a alta capacidade sem aumentar ou empilhar os eletrodos.

Description

Campo Técnico da Invenção
[001] A presente invenção usa os princípios de absorção de íons (carga) e de dessorção de íons (descarga) eletroquímicas e diz respeito a um sistema de eletrodos em fluxo contínuo, um sistema de armazenamento de energia de alta capacidade e seu uso em um método de tratamento de água em que os materiais dos eletrodos na fase de pasta fluida e os eletrólitos fluem simultânea e continuamente dentro de um canal de fluxo fino disposto em um eletrodo, a fim de armazenar a energia elétrica de alta capacidade. Mais especificamente, a presente invenção diz respeito a um sistema de eletrodos em fluxo contínuo, um sistema de armazenamento de energia e um método de tratamento de água em que os materiais ativos de eletrodos fluem consecutivamente em estado de uma pasta fluida e por meio dos quais se obtém, com facilidade, a alta capacidade sem aumentar ou empilhar os eletrodos.
Antecedentes da Invenção
[002] Nos anos recentes, muitos países do mundo têm dedicado esforços intensos à pesquisa e ao desenvolvimento de energias alternativas limpas e de técnicas de armazenamento de energia a fim de resolver problemas de poluição do ar e/ou aquecimento global. Mais especificamente, as tecnologias de armazenamento de energia elétrica, inclusive, por exemplo, um sistema de armazenamento de energia de alta capacidade para armazenar a energia elétrica gerada por uma variedade de fontes alternativas, diferentes tipos de dispositivos móveis, um sistema de armazenamento de energia de alta capacidade, mas de pequeno tamanho necessário para futuros veículos elétricos para reduzir a poluição atmosférica, ou semelhantes, foram desenvolvidos como o alicerce da futura indústria verde. A maioria das tecnologias futuras de armazenamento de energia é baseada no uso dos princípios de absorção de íons (carga) e dessorção de íons (descarga) como no caso de baterias de íon de lítio ou supercapacitores, por isso todos os países do mundo continuam dedicando os esforços significativos a pesquisas e ao desenvolvimento para alcançar a densificação de alta eficiência e a extensão da capacidade mediante a melhoria das características de carga e descarga de materiais e componentes.
[003] No entanto, recentemente, os mesmos princípios conforme descritos acima têm sido utilizados nas aplicações de tratamento de água, inclusive, no tratamento de água purificada ou água residual, dessalinização de água do mar, etc. sendo que um método de tratamento de água com o custo de energia muito reduzido em comparação com os métodos existentes de evaporação ou osmose reversa (OR), ou seja, um processo de deionização capacitiva (DIC), agora está em fase de desenvolvimento.
[004] Para um sistema de armazenamento de energia e de tratamento de água que utiliza os mesmos princípios conforme descritos acima, o problema mais significante é o alto custo de equipamentos assim como a redução da eficácia na extensão da capacidade. Em outras palavras, devido ao aumento da área do eletrodo e à irregularidade da distribuição do campo elétrico no eletrodo por causa disso, à quantidade limitada do material ativo no eletrodo de película fina revestido no coletor, ao aumento da área de contato entre o material ativo e o eletrólito por um ligante durante o revestimento e à deterioração da eficácia de carga-descarga e assim por diante, uma série de células unitárias devem ser empilhadas aumentando, desse modo, o custo de equipamentos que já é alto, e, especialmente, os custos operacionais do processo de deionização capacitiva (DIC) devido à perda de pressão de água (eletrólito) no fluxo de pilhas.
Problema Técnico
[005] Portanto, o objetivo da presente invenção consiste em prover um sistema de eletrodos em fluxo contínuos que possa ter uma capacidade estendida sem empilhamento ou aumento da área do eletrodo a que a extensão da capacidade é aplicada.
[006] Mais um objetivo da presente invenção consiste em prover um sistema de armazenamento de energia de alta capacidade econômico e eficaz. Outro objetivo da presente invenção consiste em prover um método de tratamento de água que possibilite o tratamento de água com energia de baixo custo.
Solução Técnica
[007] Em um primeiro aspecto, a presente invenção revela um sistema de eletrodos em fluxo contínuo, compreendendo: um ânodo de fluxo que contém o material ativo de ânodo fluente; um cátodo de fluxo que contém o material ativo de catodo fluente; e um eletrólito.
[008] De acordo com o sistema de eletrodos em fluxo contínuo do aspecto 1, o material ativo do ânodo e o material ativo do catodo fluem de maneira contínua, sendo, desse modo, fornecidos de maneira consecutiva ao sistema; portanto, a capacidade pode ser estendida com facilidade sem empilhamento e/ou aumento da área do eletrodo.
[009] De acordo com o segundo aspecto da presente invenção, no sistema de eletrodos em fluxo contínuo do primeiro aspecto da presente invenção, o ânodo compreende um coletor do ânodo; uma camada de separação do ânodo; um canal de fluxo do ânodo disposto entre o coletor do ânodo e a camada de separação do ânodo; e o material ativo do ânodo que flui através do canal de fluxo do ânodo, e o catodo compreende um coletor do catodo; uma camada de separação do catodo; um canal de fluxo do catodo disposto entre o coletor do catodo e a camada de separação do catodo; e o material ativo do catodo que flui através do canal de fluxo do catodo, sendo que o eletrólito flui através um espaçador isolante como um canal de fluxo do eletrólito disposto entre a camada de separação do ânodo e a camada de separação do catodo.
[010] De acordo com o sistema de eletrodos em fluxo contínuo do segundo aspecto, a adsorção de íons (carga) e/ou dessorção de íons (descarga) ocorre pela troca de íons entre o material ativo do ânodo e o eletrólito ou o material ativo do catodo e o eletrólito a fim de armazenar e/ou gerar energia.
[011] De acordo com o terceiro aspecto da presente invenção, no sistema de eletrodos em fluxo contínuo do segundo aspecto da presente invenção, a camada de separação do ânodo é uma membrana de separação isolante microporosa ou uma membrana de troca de ânions (condutiva) e a camada de separação do catodo é uma membrana de separação isolante microporosa ou uma membrana de troca de cátions (condutiva).
[012] De acordo com o sistema de eletrodos em fluxo contínuo do terceiro aspecto, os íons podem ser transferidos ou trocados a partir do material ativo para o eletrólito pela membrana de separação isolante microporosa ou membrana de troca de íons para assim armazenar e/ou gerar energia.
[013] De acordo com o quarto aspecto da presente invenção, no sistema de eletrodos em fluxo contínuo do segundo aspecto da presente invenção, o material ativo do ânodo ou o material ativo do catodo é misturado com o eletrólito para formar um material ativo na fase de pasta fluida.
[014] De acordo com o sistema de eletrodos em fluxo contínuo do quarto aspecto, é fácil controlar a taxa de fluxo e fornecer de maneira constante e consecutiva o material ativo à unidade do sistema de eletrodos em fluxo contínuo, desse modo armazenando e/ou gerando energia de maneira constante.
[015] De acordo com o quinto aspecto da presente invenção, no sistema de eletrodos em fluxo contínuo do segundo aspecto da presente invenção, o material ativo do ânodo ou o material ativo do catodo compreende o mesmo material. De acordo com o sistema de eletrodos em fluxo contínuo do quinto aspecto, ambos os materiais do ânodo e do catodo podem ser armazenados e fornecidos utilizando apenas um dispositivo para assim reduzir as inconveniências causadas pelo armazenamento separado e pela gestão dos materiais ativos mencionados acima assim como para reduzir as despesas com o fornecimento de dispositivos respectivos.
[016] De acordo com o sexto aspecto da presente invenção, no sistema de eletrodos em fluxo contínuo do segundo aspecto da presente invenção, a camada de separação é uma membrana de separação isolante microporosa e o material ativo do ânodo ou o material ativo do catodo é microencapsulado.
[017] De acordo com o sistema de eletrodos em fluxo contínuo do sexto aspecto, o material ativo do eletrodo microencapsulado permite que a área de contato com o eletrólito aumente, melhorando, desse modo, a reatividade. De acordo com o sétimo aspecto da presente invenção, a direção do fluxo do eletrólito é oposta à direção do fluxo do material ativo do ânodo de fluxo e do material ativo do catodo de fluxo sendo que esses dois materiais ativos fluem na mesma direção.
[018] É possível desenhar um sistema de eletrodos em fluxo contínuo com base nas configurações técnicas acima.
[019] De acordo com o oitavo aspecto da presente invenção, o material ativo do ânodo de fluxo possui uma taxa de fluxo diferente da do material ativo do catodo de fluxo para se obter um eletrodo assimétrico. Ou seja, visto que as suas taxas de fluxo são diferentes, os valores absolutos das taxas de fluxo podem ser diferentes ou as direções do fluxo podem ser opostas uma em relação à outra. Portanto, é possível desenhar sistemas de eletrodos em fluxo contínuo de várias formas.
[020] De acordo com o nono aspecto da presente invenção, o sistema não possui a camada de separação. Desse modo, o sistema possui uma estrutura simples. Porém, a fim de evitar a mistura do material ativo do ânodo e do material ativo do catodo, o material ativo do ânodo ou o material ativo do catodo é microencapsulado.
[021] De acordo com o décimo aspecto da presente invenção, no sistema de eletrodos em fluxo contínuo de qualquer um dos aspectos de 1 a 9, o sistema de eletrodos em fluxo contínuo é uma segunda bateria ou um capacitor elétrico de dupla camada (CEDC).
[022] De acordo com o sistema de eletrodos em fluxo contínuo do décimo aspecto, o sistema pode ser usado de várias formas dependendo de seus objetivos.
[023] No décimo segundo aspecto, a presente invenção revela um sistema de armazenamento de energia de alta capacidade, compreendendo: o sistema de eletrodos em fluxo contínuo de acordo com qualquer um dos aspetos de 1 a 9; um dispositivo de alimentação para fornecer o material ativo do ânodo, o material ativo do catodo e o eletrólito, respectivamente; uma fonte de alimentação para fornecer energia ao sistema de eletrodos em fluxo contínuo; um interruptor de comutação para controlar a diferença de potencial que ocorre no fornecimento de energia; e tanques de armazenamento para armazenar o material ativo do ânodo, o material ativo do catodo e o eletrólito.
[024] De acordo com o sistema de armazenamento de energia do décimo primeiro aspecto, o material ativo do ânodo, o material ativo do catodo e o eletrólito não são armazenados no sistema de eletrodos em fluxo contínuo, mas são armazenados em um tanque de armazenamento adicional fornecido separadamente e disposto no sistema, a alta capacidade de energia pode ser armazenada sem precisar aumentar a área do eletrodo ou empilhar o mesmo. Portanto, o aumento da proporção adequado para diferentes capacidades pode ser feito com facilidade com a redução significante dos custos de fabricação e operacionais, sendo que o sistema acima pode ser usado vantajosamente pelas indústrias de energia no futuro.
[025] De acordo com o décimo segundo aspecto da presente invenção, no sistema de armazenamento de energia de alta capacidade do décimo primeiro aspecto, o sistema ainda compreende um resistor conectado ao interruptor de comutação.
[026] De acordo com o sistema de armazenamento de energia de alta capacidade do décimo segundo aspecto da presente invenção, o interruptor de comutação é transformado da fonte de alimentação no resistor permitindo que a energia de íons adsorvidos (carregados) armazenada no tanque de armazenamento seja a de saída.
[027] De acordo com o décimo terceiro aspecto da presente invenção, no sistema de armazenamento de energia de alta capacidade do décimo primeiro aspecto, o dispositivo de alimentação compreende um tanque de alimentação e uma bomba de alimentação para fornecer o material ativo do ânodo, o material ativo do catodo e o eletrólito, respectivamente.
[028] De acordo com o sistema de armazenamento de energia de alta capacidade do décimo terceiro aspecto, o tanque de alimentação pode ser fornecido independentemente do sistema de eletrodos em fluxo contínuo, obtendo, desse modo, a extensão da capacidade com custo reduzido independentemente do tamanho do sistema de eletrodos em fluxo contínuo.
[029] De acordo com o décimo quarto aspecto da presente invenção, no sistema de armazenamento de energia de alta qualidade do décimo terceiro aspecto, um único tanque de alimentação funciona como o tanque de alimentação do material ativo do ânodo para fornecer o material ativo do ânodo simultaneamente com o tanque de alimentação do material ativo do catodo para fornecer o material ativo do catodo.
[030] De acordo com o sistema de armazenamento de energia de alta capacidade do décimo quarto aspecto, os materiais ativos podem ser fornecidos em quantidade suficiente usando somente um único tanque de alimentação quando o material ativo do ânodo for idêntico ao material ativo do catodo, reduzindo, desse modo, os custos dos equipamentos.
[031] De acordo com o décimo quinto aspecto da presente invenção, no sistema de armazenamento de energia de alta qualidade do décimo terceiro aspecto, provêem-se dois sistemas de eletrodos em fluxo contínuo sendo que uma parte dos sistemas de eletrodos em fluxo contínuo é usada como o dispositivo de carga enquanto o resto é usado como o dispositivo de descarga, e o material ativo do ânodo e o material ativo do catodo que fluem a partir do dispositivo de armazenamento de energia para a descarga são novamente reciclados no tanque de alimentação do material ativo do ânodo e no tanque de alimentação do material ativo do catodo, respectivamente.
[032] De acordo com o sistema de armazenamento de energia de alta capacidade do décimo quinto aspecto, a carga/descarga pode ser feita de maneira consecutiva e simultânea e não é necessário abastecer adicionalmente o tanque de alimentação do material ativo do ânodo e o tanque de alimentação do material ativo do catodo, reduzindo, desse modo, os custos dos equipamentos.
[033] De acordo com o décimo sexto aspecto da presente invenção, no sistema de armazenamento de energia de alta capacidade do décimo primeiro aspecto, o tanque de armazenamento é um recipiente de armazenamento eletricamente isolado.
[034] De acordo com o sistema de armazenamento de energia de alta capacidade do décimo sexto aspecto, a energia armazenada do no tanque de armazenamento é mantida estável sem vazamentos.
[035] De acordo com o décimo sétimo aspecto da presente invenção, no sistema de armazenamento de energia de alta capacidade do décimo primeiro aspecto, o eletrólito compreende água do mar ou água residual industrial.
[036] De acordo com o sistema de armazenamento de energia de alta capacidade do décimo sétimo aspecto, considerando que a água do mar e a água residual são usadas como eletrólito, as despesas podem ser reduzidas e o sistema acima pode ser aplicado na dessalinização da água do mar e na purificação de águas residuais.
[038] No décimo oitavo aspecto, a presente invenção revela um método de tratamento de água mediante a deionização capacitiva, usando o sistema de armazenamento de energia de alta capacidade de acordo com o décimo primeiro aspecto.
[039] O uso do método de tratamento de água do décimo oitavo aspecto possibilita o tratamento de água em larga escala com custos dos equipamentos e custos operacionais reduzidos.
[040] No décimo nono aspecto, a presente invenção revela um método de dessalinização da água do mar mediante a deionização capacitiva, usando o sistema de armazenamento de energia de alta capacidade de acordo com o décimo primeiro aspecto em que o eletrólito compreende água do mar.
[041] De acordo com o método de dessalinização da água do mar do décimo nono aspecto, é possível realizar a dessalinização da água do mar em larga escala com custos dos equipamentos e custos operacionais reduzidos.
[042] No vigésimo aspecto, a presente invenção revela um método de purificação de água residual mediante a deionização capacitiva, usando o sistema de armazenamento de energia de alta capacidade de acordo com o décimo primeiro aspecto em que o eletrólito compreende água residual industrial.
[043] De acordo com o método de purificação de água residual industrial do vigésimo aspecto, é possível purificar água residual em larga escala com custos dos equipamentos e custos operacionais reduzidos.
Efeitos Vantajosos
[044] Contrariamente ao eletrodo do material ativo de fase estacionária, revestido no coletor existente, o material ativo de eletrodo microfino com o tamanho de várias dezenas de nm a várias dezenas de μm, e separado do coletor, flui de modo contínuo em estado de pasta fluida misturada com o eletrólito, portanto, a alta capacidade pode ser obtida com facilidade, usando apenas um recipiente de armazenamento isolado assim como uma célula unitária com o canal de fluxo microfino como um dispositivo de armazenamento de energia, e é fácil aumentar o tamanho do dispositivo de deionização (DIC), adequando-o a diferentes capacidades sendo que as despesas com fabricação e operação do dispositivo podem ser consideravelmente reduzidas.
Descrição dos desenhos
[045] Figura 1 é uma vista esquemática demonstrando o sistema de eletrodos em fluxo contínuo de acordo com uma modalidade da presente invenção. Figura 2 é uma vista de corte transversal demonstrando a microcápsula contendo o material do eletrodo de acordo com uma modalidade da presente invenção. Figura 3 é uma vista esquemática demonstrando o sistema de eletrodos de alta capacidade de acordo com uma modalidade da presente invenção. Figura 4 é uma vista esquemática demonstrando o sistema de eletrodos em fluxo contínuo de acordo com mais uma modalidade da presente invenção. Figura 5 é uma vista esquemática demonstrando o sistema de eletrodos em fluxo contínuo de acordo com mais uma modalidade da presente invenção. Melhor Forma de Execução da Invenção
[046] A presente invenção será descrita a seguir com maiores detalhes. Porém, a descrição seguinte é proporcionada para explicar mais especificamente a presente invenção sendo que seu desenho pode ser apropriadamente alterado ou modificado pelos profissionais do ramo.
[047] De acordo com uma modalidade da presente invenção, o sistema de eletrodos em fluxo contínuo compreende um ânodo de fluxo que contém o material ativo de ânodo fluente; um catodo de fluxo que contém o material ativo de catodo fluente; e um eletrólito fluente.
[048] O material ativo do ânodo, o material ativo do catodo e o eletrólito podem compreender qualquer material usado em um sistema típico de eletrodos em fluxo contínuo, ou seja, uma bateria ou uma bateria de armazenamento que pode ser adequadamente selecionada pelos profissionais do ramo, considerando os propósitos e/ou circunstâncias do uso dos mesmos.
[049] De acordo com uma modalidade da presente invenção, o material ativo do ânodo e o material ativo do catodo podem compreender diferentes materiais ou, caso contrário, o mesmo material.
[050] De acordo com uma modalidade da presente invenção, o material do eletrodo tal como o material ativo do ânodo e/ou o material ativo do catodo podem compreender carbono poroso (carbono ativado, aerossol de carbono, nanotubo de carbono, etc.), pó de grafite, pó de óxido de metal e semelhantes, que podem ser misturados com o eletrólito a ser usado em um estado fluidizado.
[051] De acordo com uma modalidade da presente invenção, o eletrólito compreende um eletrólito solúvel em água tal como NaCl, H2SO4, HCl, NaOH, KOH, Na2NO3, etc. e um eletrólito orgânico como carbonato de propileno (CP), Carbonato de dietilo (CDE), tetraidrofurano (THF), etc.
[052] De acordo com uma modalidade da presente invenção, o material ativo do eletrodo flui sozinho enquanto o eletrólito pode ser um eletrólito em fase sólida ou estacionária.
[053] De acordo com uma modalidade da presente invenção, o ânodo compreende um coletor do ânodo; uma camada de separação do ânodo, um canal de fluxo do ânodo disposto entre o coletor do ânodo e a camada de separação do ânodo, e o material ativo do ânodo que flui através do canal de fluxo do ânodo, e o catodo compreende um coletor do catodo, uma camada de separação do catodo, um canal de fluxo do catodo disposto entre o coletor do catodo e a camada de separação do catodo, e o material ativo do catodo que flui através do canal de fluxo do catodo, sendo que o eletrólito flui através do canal de fluxo disposto entre a camada de separação do ânodo e a camada de separação do catodo.
[054] O coletor do eletrodo e a camada de separação do eletrodo podem compreender qualquer um usado em sistemas convencionais de eletrodos em fluxo contínuo (bateria, bateria de armazenamento, etc.) que podem ser adequadamente selecionados ou adotados pelos profissionais do ramo, considerando os propósitos e condições de uso dos mesmos.
[055] A largura do canal de fluxo do ânodo ou do canal de fluxo do catodo pode ser do tamanho igual ou menor do que o espaço entre o coletor do eletrodo e a camada de separação em um sistema convencional de eletrodos em fluxo contínuo. Visto que o material ativo do eletrodo é fixado de modo convencional, ele causa um problema: o tamanho do sistema de eletrodos em fluxo contínuo aumenta quando se tenta obter a capacidade desejada do material ativo necessário para carga/descarga para assim limitar o espaço entre o coletor do eletrodo e a camada de separação. Por outro lado, de acordo com a presente invenção, considerando que o material ativo do eletrodo pode ser fornecido de maneira contínua, o desenho pode ser livremente alterado ou modificado, dependendo dos objetivos, dos materiais ativos do eletrólito a serem usados, etc. sem limitações. De acordo com uma modalidade da presente invenção, a largura e a altura do canal de fluxo usado podem variar de dezenas de μm até vários mm.
[056] Do mesmo modo, a largura do espaçador isolante pode ser apropriadamente alterada sem limitações causadas pela dimensão do sistema de eletrodos em fluxo contínuos já que o eletrólito pode ser fornecido de modo contínuo.
[057] Porém, para aumentar a eficácia de carga/descarga, as velocidades do eletrólito e do material ativo podem ser diferentes uma em relação à outra, ou, caso contrário, a razão das larguras entre o material ativo e o espaçador isolante pode ser restringida.
[058] De acordo com uma modalidade da presente invenção, a camada de separação do ânodo pode ser uma membrana de separação isolante microporosa ou membrana de troca de ânions (condutiva) enquanto a camada de separação do catodo pode ser uma membrana de separação isolante microporosa ou uma membrana de troca de cátions (condutiva).
[059] A camada de separação é usada para a separação elétrica e física e a membrana isolante microporosa permite a transferência de íons somente quando a membrana de troca de íons (condutiva) pode transferir seletivamente ou cátions ou ânions.
[060] Adicionalmente, de acordo com uma modalidade da presente invenção, o material ativo do ânodo e o material ativo do catodo podem compreender o material ativo na fase de pasta fluida, inclusive o material ativo do ânodo ou o material ativo do catodo misturado com o eletrólito.
[061] No entanto, de acordo com mais uma modalidade da presente invenção, o eletrólito pode fluir na direção oposta à do material ativo do ânodo e do material ativo do catodo. Portanto, é possível montar um sistema de eletrodos em fluxo contínuo de várias formas.
[062] Além disso, a adoção de diferentes taxas de fluxo do material ativo do ânodo no ânodo e do material ativo do catodo no catodo pode induzir diferentes tempos de reação do material ativo do ânodo e do material ativo do catodo com o eletrólito, respectivamente. Por isso, podem fazer-se uma variedade de modificações do desenho.
[063] As modalidades preferidas da presente invenção serão descritas a seguir em mais detalhes com referência aos desenhos em anexo.
[064] A Figura 1 é uma vista esquemática, demonstrando um sistema de eletrodos em fluxo contínuo de acordo com uma modalidade da presente invenção. De acordo com a Figura 1, o sistema compreende um ânodo 10 que inclui um coletor do ânodo 11, uma camada de separação do ânodo 13 e o material ativo do ânodo 12 que flui através do canal de fluxo do ânodo 14 disposto entre o coletor do ânodo 11 e a camada de separação do ânodo 13; um catodo 20 que inclui um coletor do catodo 21, uma camada de separação do catodo 23 e o material ativo do catodo 22 que flui através do canal de fluxo do catodo 24 disposto entre o coletor do catodo 21 e a camada de separação do catodo 23; e um eletrólito 13 e a camada de separação do catodo 23.
[065] O sistema de eletrodos em fluxo contínuo pode ser uma célula unitária em que duas ou mais células unitárias podem ser dispostas de maneira consecutiva e em que podem fluir simultânea e continuamente o material do eletrodo assim como o eletrólito.
[066] Além disso, conforme demonstra a Figura 4, é possível direcionar o movimento do eletrólito 30 na direção oposta ao do material ativo do ânodo 12 e do material ativo do catodo 22.
[067] De acordo com a Figura 2, o material do eletrodo pode ser microencapsulado para aumentar a área de contato entre o eletrólito e o material do eletrodo. Mais especificamente, usam-se uma camada de separação de ânions (uma camada densa que passa seletivamente os ânions, bloqueando ao mesmo tempo a passagem do fluxo do eletrólito líquido), e uma camada de separação de cátions (uma camada densa que passa seletivamente somente os cátions). Porém, caso se use o material ativo do eletrodo encapsulado por cada camada seletiva de íons (veja Fig.2), não é necessário prover as camadas densas condutivas de íons entre os dois eletrodos. De modo alternativo, caso se use a membrana de separação isolante microporosa que permite a passagem do fluxo do eletrólito assim como de íons, aumenta a área de contato entre o eletrólito e as partículas do material ativo do eletrodo.
[068] O eletrodo microencapsulado compreende um núcleo no centro e um invólucro em torno da periferia do núcleo, sendo que o material do invólucro possui a propriedade de trocar íons presentes no eletrólito. De acordo com uma modalidade da presente invenção, o material do invólucro pode compreender uma membrana polimérica que contém um grupo do ácido sulfônico (SO3-), um grupo carboxílico (COO-) ou um grupo do ácido fosfórico (PO4-), etc., que é capaz de trocar cátions; ou uma membrana polimérica que contém um grupo de amônio primário, secundário, terciário, quaternário ligado a ela, que é capaz de trocar ânions. A microcápsula pode ser preparada mediante um método de fase sólida ou líquida. Em particular, no método de fase líquida, a estrutura do núcleo/invólucro pode ser formada mediante, por exemplo, um método de emulsão, usando um surfactante, um método de polimerização, polimerizando os monômeros para preparar o material do invólucro ou um método de injeção ou extrusão do núcleo e do invólucro, simultânea ou separadamente, a fim de se obter um eletrodo microencapsulado. Visto que o eletrodo micro-encapsulado compreende um único grânulo ou grânulos individuais aglomerados juntos e o envoltório cobre os mesmos, a sua vantagem é que a área do eletrodo por unidade de peso ou volume é maior do que a do eletrodo estático formado por todos os grânulos aglomerados.
[069] Em particular, conforme demonstra a Figura 5, quando o sistema de eletrodos em fluxo contínuo 60 sem a camada de separação é fabricado, é possível evitar a mistura direta do material ativo do ânodo e do material ativo do catodo com o eletrólito.
[070] A Figura 3 demonstra um sistema de armazenamento de energia 100 de acordo com uma modalidade da presente invenção, compreendendo um sistema de eletrodos em fluxo contínuo 1 em forma de célula unitária, um tanque de alimentação do material ativo do catodo 2a e uma bomba de alimentação 41 para fornecer o material ativo do catodo que foi preparado na fase de pasta fluida, misturando o material ativo do catodo 22 com o eletrólito 30, um tanque de alimentação do material ativo do ânodo 2b e uma bomba de alimentação 42 para fornecer o material ativo do ânodo que foi preparado na fase de pasta fluida, misturando o material ativo do ânodo 12 com o eletrólito 30, um tanque de alimentação do eletrólito e uma bomba de alimentação 43 para fornecer o eletrólito 30, uma fonte de alimentação 7 para aplicar a corrente contínua ao sistema de eletrodos em fluxo contínuo 1, um interruptor de comutação 9 para controlar a diferença de potencial que ocorre no fornecimento de energia 7, um tanque de armazenamento de ânions 3 em que se armazena o material ativo do ânodo que contém íons adsorvidos (carregados) enquanto passam através do sistema de eletrodos em fluxo contínuo 1 aplicado ao potencial, um tanque de armazenamento de cátions 4 em que se armazena o material ativo do catodo que contém íons adsorvidos (carregados), e um tanque de armazenamento do eletrólito deionizado 6.
[071] O sistema de armazenamento de energia 100 possui as seguintes funções técnicas.
[072] Ao aplicar a diferença de potencial que ocorre no fornecimento de corrente contínua 7, por exemplo, na faixa de 0,5 a 2,0v, ao sistema de eletrodos em fluxo contínuo 1 mediante o interruptor de comutação 9, o material ativo do ânodo 12, o material ativo do catodo 22 e o eletrólito 30 nas fases de pasta fluida, o material ativo do ânodo 12, o material ativo do catodo 22 e o eletrólito 30 nas fases de pasta fluida passam simultânea e continuamente através do sistema de eletrodos em fluxo contínuo 1.
[073] O material ativo do ânodo 12 e o material ativo do catodo 22 podem ser misturados com o eletrólito 30 de antemão, então, fluir a partir do tanque de alimentação do material ativo do catodo 2a, do tanque de alimentação do material ativo do ânodo 2b e do tanque de alimentação do eletrólito 5, respectivamente, e ser alimentados no sistema de eletrodos em fluxo contínuo 1 mediante as bombas de alimentação 41, 42 e 43, respectivamente. Neste caso, se o material ativo do ânodo 12 e o material ativo do catodo 22 usados forem iguais, não é necessário prover ambas as bombas 2b e 2a, respectivamente, em vez disso se usa, de preferência, apenas um tanque de alimentação 2. O eletrólito no tanque de alimentação do eletrólito 5 é fornecido da água do mar ou esgoto através da bomba de alimentação 44 e da válvula de controle 45.
[074] Conforme mencionado acima, o material ativo do ânodo 12, o material ativo do catodo 22 e o eletrólito 20 fluem passando através do sistema de eletrodos em fluxo contínuo 1 aplicado ao potencial (na direção da linha sólida), os materiais ativos dos eletrodos 12 e 22 com absorção de íons (carregados) enquanto passam através do sistema e do eletrólito 30 livre de íons, são armazenados nos tanques de armazenamento 3,4 e 6, respectivamente. De acordo com uma modalidade, de preferência, o tanque de armazenamento é um tanque de armazenamento eletricamente isolado.
[075] Quanto ao eletrodo convencional de material ativo de fase estacionária, é impossível continuar carregando-o após os íons serem carregados no material ativo do eletrodo. Portanto, para se obter a alta capacidade, o eletrodo deve possuir uma grande área ou vários eletrodos devem ser empilhados, causando, desse modo, o problema de aumento significante nos custos de fabricação e operacionais do dispositivo. Porém, de acordo com a presente invenção, é possível fornecer o material ativo de maneira contínua e armazenar o material ativo para adsorção de íons em um tanque de armazenamento fornecido adicionalmente, portanto, a alta capacidade pode ser obtida sem aumentar o tamanho do sistema de eletrodos em fluxo contínuo 1 ou empilhar o mesmo. Além disso, visto que o sistema de eletrodos em fluxo contínuo 1 pode ser alterado se necessário, ele pode ser ajustado a várias capacidades.
[076] No entanto, o método de emissão (aplicação) de energia adsorvida por íons (carregados) para o material ativo do eletrodo armazenado em cada tanque de armazenamento pode ser o oposto do processo de adsorção de íons (carga) e compreender: desligamento da fonte de alimentação 7; conversão do interruptor de comunicação 9 para conectar a fonte de alimentação ao resistor 8 e, simultaneamente, permitir que o material ativo do ânodo, o material ativo do catodo e o eletrólito armazenados nos tanques de armazenamento 3, 4 e 6 fluam em ordem inversa através do sistema de eletrodos em fluxo contínuo 1 (na direção da linha ponteada para que, desse modo, continue a dessorção de íons (descarga) enquanto passam pelo sistema de eletrodos em fluxo contínuo 1.
[077] Neste sentido, se for necessário realizar simultânea e continuamente a carga e a descarga por um longo período de tempo, é possível utilizar dois ou mais sistemas de eletrodos em fluxo contínuo 1 para se obter o sistema final, sendo que uma parte do sistema pode funcionar como o dispositivo de carga enquanto o resto pode funcionar como o dispositivo de descarga. De acordo com a presente invenção, sem a necessidade de tanques de armazenamento 3 e 4 adicionais para o material ativo do ânodo 12 e o material ativo do catodo 22, os materiais ativos dos eletrodos absorvidos por íons (carregados) no sistema de eletrodos em fluxo contínuo 1 no processo de descarga podem ser reciclados diretamente nos tanques de alimentação 2b e 2a sem passar através dos tanques de armazenamento descritos acima.
[078] Mais especificamente, o sistema de eletrodos em fluxo contínuo 1 adicionalmente instalado para a descarga pode compreender uma camada de separação com propriedades condutivas de íons ou usar o material do eletrodo microencapsulado para evitar a contaminação do material do eletrodo, a dessorção rápida dos íons armazenados e a concentração do eletrólito pela inversão da polaridade.
[079] O sistema de armazenamento de energia 100 de acordo com a presente invenção pode ser aplicado a técnicas de tratamento de água do tipo de deionização capacitiva. Por exemplo, quando a água do mar ou água residual industrial flui para dentro do tanque de alimentação do eletrólito 5 e passa através do sistema de eletrodos em fluxo contínuo 1 em que ocorre a diferença de potencial, a água é dessalinizada (deionizada) e armazenada no tanque de armazenamento do eletrólito 6, possibilitando, desse modo, a dessalinização da água do mar e a purificação de água residual industrial.
[080] Portanto, se comparado com os métodos de evaporação ou OR existentes, o tratamento de água pode ser efetuado com baixo custo de energia. É possível se obter a alta capacidade do tratamento de água.
EXEMPLO
[081] A presente invenção será descrita a seguir em mais detalhes por meio de exemplos. Porém, os exemplos seguintes são fornecidos a título de descrição da presente invenção e não devem ser considerados como limitativos do escopo da presente invenção.
[082] Propriedades de deionização fluidizada da pasta fluida de pó de carbono ativado a partir do eletrólito de NaCl
[083] Fabricou-se uma célula unitária (sistema de eletrodos em fluxo contínuo) com um canal de fluxo microfino em que a membrana de troca de cátions (-SO3-), a membrana de troca de ânions (R3N+-) e o espaçador são isolados entre os coletores do catodo e do ânodo (SUS316, 95x52 mm, área de contacto de 22.4 cm2). Conforme demonstra a Tabela 2, o eletrólito aquoso de NaCl com a condutividade elétrica (concentração) na faixa de 1.030 μs to 11.000 μs passou através da célula unitária a uma taxa de fluxo de 3 a 5 cc/mm usando uma microbomba de medição (Japan Fine Chemicals Co. Ltd., Minichemi Pump).
[084] Ao mesmo tempo, o material ativo micro-pulverizado do eletrodo com o tamanho médio da partícula de cerca de 95nm com propriedades de poros finos demonstradas na Tabela 1, ou seja, o pó de carbono ativado foi misturado com o mesmo eletrólito nas concentrações indicadas na Tabela 2, respectivamente. Então, enquanto a mistura passava por uma parte do material do eletrodo do canal de fluxo do catodo e do canal de fluxo do ânodo na célula unitária a uma taxa de fluxo da fase de pasta fluida de cerca de 20 a 25 cc/min, a diferença de potencial da CC de cerca de 1,2 a 1,5v foi aplicada aos terminais do catodo e do ânodo. No presente exemplo, o material ativo do eletrodo da fase de pasta fluida que foi absorvido por íons (carregado), não foi mais armazenado à medida que passava pelos dois coletores, mas reciclado em um recipiente de alimentação e armazenamento e, ao mesmo tempo, e submetido à medição da variação da corrente do coletor e da concentração (condutividade elétrica) do eletrólito com um intervalo de cerca de 30 minutos. Os resultados da medição são demonstrados na Tabela 2. Tabela 1.
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Tabela 2.
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[085] De acordo com os resultados medidos demonstrados na Tabela 2, o eletrodo de fase estacionária existente revelou que o fluxo da corrente diminui abruptamente quando o material ativo do eletrodo estava saturado de íons absorvidos (carregados) durante um período de tempo (por exemplo, patente coreana No. 2002-0076629). Por outro lado, o sistema de eletrodos em fluxo contínuo da presente invenção demonstrou o fluxo constante da corrente quando a concentração do eletrólito era mantida constante. Com base no fato de que a concentração do material ativo reciclado do eletrodo da fase de pasta fluida aumentou quando a concentração (condutividade elétrica) do eletrólito que passou pelo coletor, diminuiu cerca de 30 a 40%, dependendo da concentração de uma dada solução de alimentação (eletrólito), identificou-se que possivelmente os íons do eletrólito são adsorvidos e armazenados pelo material dos eletrodos em fluxo contínuo da presente invenção. Portanto, a presente invenção solucionou com facilidade os problemas de sistemas de eletrodos de fase estacionária existentes envolvendo as limitações na extensão do revestimento do material do eletrodo das tecnologias de armazenamento de energia e dessalinização de DIC, desse modo, melhorando significativamente os altos custos de equipamentos e operacionais devido à alta capacidade.
Descrição dos números de referência dos desenhos
[086] 1, 60: sistema de eletrodos em fluxo contínuo 2: tanque de alimentação do material ativo 3: tanque de armazenamento de ânions 4: tanque de armazenamento de cátions 5: tanque de alimentação do eletrólito 6: tanque de armazenamento do eletrólito 7: fonte de alimentação 8: resistor 9: interruptor de comutação 10: ânodo 11: coletor do ânodo 12: material ativo do ânodo 13: camada de separação do ânodo 14: canal de fluxo do ânodo 20: catodo 21: coletor do catodo 22: material ativo do catodo 23: camada de separação do catodo 24: canal de fluxo do catodo 30: eletrólito 34: espaçador isolante 41, 42, 43, 44: bomba de alimentação 50: membrana da cápsula (membrana iônica).

Claims (19)

1. “Sistema de eletrodos em fluxo contínuo (1)”, em que o dito sistema compreende: - um ânodo (10) de fluxo contendo material ativo do ânodo (12) fluente; - um catodo (20) de fluxo contendo material ativo do catodo (22) fluente; e um eletrólito (30), caracterizado pelo fato de que o ânodo (10) compreender: um coletor do ânodo (11), uma camada de separação do ânodo (13), um canal de fluxo do ânodo (14) disposto entre o coletor do ânodo (11) e a camada de separação do ânodo (13), e o material ativo do ânodo (12) que flui através do canal de fluxo do ânodo (14), e o catodo (20) compreende um coletor do catodo (21), uma camada de separação do catodo (23), um canal de fluxo do catodo (24) disposto entre o coletor do catodo (21) e a camada de separação do catodo (23), e o material ativo do catodo (22) que flui através do canal de fluxo do catodo (24), sendo que o eletrólito (30) flui através de um espaçador isolante (34) disposto entre a camada de separação do ânodo (13) e a camada de separação do catodo (23).
2. “Sistema de eletrodos em fluxo contínuo (1)”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de separação do ânodo (13) é uma membrana de separação isolante microporosa ou uma membrana de troca de ânions (50), e a camada de separação do catodo (23) é uma membrana de separação isolante microporosa ou uma membrana de troca de cátions (50).
3. “Sistema de eletrodos em fluxo contínuo (1)”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material ativo do ânodo (12) ou o material ativo do catodo (22) é misturado com o eletrólito (30) para se obter o material ativo na fase de pasta fluida.
4. “Sistema de eletrodos em fluxo contínuo (1)”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material ativo do ânodo (12) ou o material ativo do catodo (22) compreende o mesmo material.
5. “Sistema de eletrodos em fluxo contínuo (1)”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de separação é uma membrana de separação isolante microporosa (50), e o material ativo do ânodo (12) ou o material ativo do catodo (22) é microencapsulado.
6. “Sistema de eletrodos em fluxo contínuo (1)”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a direção do fluxo do eletrólito (30) é oposta à direção do fluxo do material ativo do ânodo (12) de fluxo e do material ativo do catodo (22) de fluxo sendo que os citados dois materiais ativos fluem na mesma direção.
7. “Sistema de eletrodos em fluxo contínuo (1)”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a taxa de fluxo do material ativo do ânodo (12) de fluxo é diferente da do material ativo do catodo (22) de fluxo.
8. “Sistema de eletrodos em fluxo contínuo (1)”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ânodo (10) compreende: - um coletor do ânodo (11) e o material ativo do ânodo (12) que flui perto do coletor do ânodo (21) e o catodo (20) compreende: - o coletor do catodo (21) e o material ativo do catodo (22) que flui perto do coletor do catodo (21); - o eletrólito flui entre o material ativo do ânodo (12) e o material ativo do catodo (22), e - o material ativo do ânodo (12) ou o material ativo do catodo (22) é microencapsulado.
9. “Sistema de eletrodos em fluxo contínuo (1)”, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o sistema de eletrodos em fluxo contínuo (1) é uma bateria secundária ou um capacitor elétrico de camada dupla (CECD).
10. “Sistema de armazenamento de energia de alta capacidade”, caracterizado por compreender: - o sistema de eletrodos de fluxo contínuo (1), tal como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 9; - um tanque de alimentação (2) para fornecer o material ativo do ânodo (12), o material ativo do catodo (22) e o eletrólito (30), respectivamente; - uma fonte de alimentação (7) para fornecer energia ao sistema de eletrodos em fluxo contínuo (1); - um interruptor de comutação (9) para controlar a diferença de potencial que ocorre no fornecimento de energia e - tanques de armazenamento (3,4 e 6) para armazenar o material ativo do ânodo (12), o material ativo do catodo (22) e o eletrólito (30).
11. “Sistema de armazenamento de energia de alta capacidade”, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por compreender um resistor (8) conectado ao interruptor de comutação (9).
12. “Sistema de armazenamento de energia de alta capacidade”, de acordo com as reivindicações 10 e 11, caracterizado pelo fato de que compreende: um tanque de alimentação (2) e bombas de alimentação (41, 42, 43 e 44) para fornecer o material ativo do ânodo (12), o material ativo do catodo (22) e o eletrólito (30), respectivamente.
13. “Sistema de armazenamento de energia de alta capacidade”, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que um único tanque de alimentação (2) funciona como o tanque de alimentação do material ativo do ânodo (12) para fornecer o material ativo do ânodo (12) e simultaneamente com o tanque de alimentação do material ativo do catodo para fornecer o material ativo do catodo (22).
14. ”Sistema de armazenamento de energia de alta capacidade”, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que se provêm dois sistemas de eletrodos em fluxo contínuo (1) em que uma parte dos sistemas de eletrodos em fluxo contínuo (1) é usada como o dispositivo de carga enquanto o resto é usado como o dispositivo de descarga, e o material ativo do ânodo (12) e o material ativo do catodo (22) que fluem a partir do dispositivo de armazenamento de energia para a descarga são novamente reciclados no tanque de alimentação (3) do material ativo do ânodo (12) e no tanque de alimentação (4) do material ativo do catodo (22), respectivamente.
15. “Sistema de armazenamento de energia de alta capacidade”, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o tanque de armazenamento é um recipiente de armazenamento eletricamente isolado.
16. “Sistema de armazenamento de energia de alta capacidade”, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 15, caracterizado pelo fato de que o eletrólito (30) compreende água do mar ou água residual industrial.
17. “Uso do sistema de armazenamento de energia de alta capacidade, tal como definido em qualquer uma das reivindicações 10 a 16, caracterizado por ser para o tratamento de água mediante a deionização capacitiva (DIC)”.
18. “Uso do sistema de armazenamento de energia de alta capacidade no tratamento de água mediante a deionização capacitiva (DIC)”, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo eletrólito compreender a água do mar.
19. “Uso do sistema de armazenamento de energia de alta capacidade no tratamento de água mediante a deionização capacitiva (DIC)”, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo eletrólito compreender a água residual industrial.
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