BR112015014921B1 - método para a desinfecção eletroquímica de água - Google Patents

Abstract

MÉTODO PARA A DESINFECÇÃO ELETROQUÍMICA DE ÁGUA. A invenção se refere a um método para a desinfecção eletroquímica de água passando-se essa água através de pelo menos uma célula contida em um alojamento dotado de meios par a transferir e remover a água. O método de acordo com a invenção é caracterizado por consistir em: a) usar uma célula eletrolítica que tem um ânodo e um cátodo, ambos em formato de placa, e paralelos um ao outro, cujas faces cataláticas opostas têm áreas de superfície idênticas e formam um espaço simétrico entre os eletrodos sem nenhum trajeto preferencial ou curto-circuito; b) criar, entre as ditas placas, ao longo de toda a extensão da passagem da água a ser tratada, um regime turbulento que tem o efeito de fundir, de modo alternativo e bem sucedido, os micro-organismos contidos nas substâncias dissolvidas contra o ânodo e contra o cátodo para que sejam submetidos ao efeito de desativação causado pelas fortes variações de pH que estão presentes entre os eletrodos e o efeito bactericida adicional mediante o contato com os radicais de O2 e OH formados na superfície dos eletrodos.

Description

DESCRIÇÃOCAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO

[001] A invenção se refere a um método para desinfetar água eletroquimicamente, sem a adição de qualquer produto químico, passando-se essa água através de pelo menos uma célula eletrolítica contida em um alojamento dotado de meios para transferir e remover a água e explorando-se o efeito virucida, bactericida e bacteriostático direto ligado às ações de oxidação no ânodo e à ação de redução no cátodo, bem como o efeito bactericida indireto suplementar e o efeito bacteriostático residual ligado à ação dos oxidantes gerado pela eletrólise da água.

DESCRIÇÃO DOS ANTECEDENTES TÉCNICOS

[002] A patente EP1597202 do mesmo requerente descreve um método:- que consiste em fazer com que a água que deve ser continuamente tratada passe através de um módulo de eletroperoxidação com o uso de eletrodos catalíticos para que seja submetida a um tratamento eletroquímico;- que usa, por um lado, o efeito direto ligado às ações de oxidação no ânodo e à ação de redução no cátodo nos materiais orgânicos dissolvidos (efeitos virucidas, bactericidas e bacteriostáticos) e, por outro lado, o efeito indireto ligado à ação dos oxidantes gerados pela eletrólise da água (efeito bactericida suplementar e efeito bacteriostático residual);- que permite, por contato prolongado com os oxidantes eletroquimicamente gerados, uma redução adicional de bactérias e proteção de água durante o transporte e o armazenamento da mesma do ponto de uso, sendo que a ação é prolongada na saída do eletrolisador (capacidade de desinfecção residual).

[003] Os oxidantes gerados a partir do oxigênio dissolvido (redução catódica) e da água (redução anódica) apresentam um efeito residual notável e induzem produtos de oxidação a taxas inofensivas, ao contrário da maioria dos oxidantes mais usados, tal como cloro.

[004] O dispositivo para implementar o dito método inclui um ânodo e um cátodo, ambos em formato de placa e paralelos um ao outro, cujas faces catalíticas opostas são simétricas e têm áreas de superfície idênticas a fim de permitir a inversão da polaridade em condições ideais (sendo que a densidade de corrente é idêntica em ambos os eletrodos) com o efeito de impedir uma degradação prematura uma em relação à outra devido à descarbonização, a qual não é idêntica, e reações colaterais, as quais são mais importantes no menor eletrodo (maior densidade de corrente).

[005] As condições operacionais aplicadas ao dito dispositivo foram como a seguir:- implementação de um regime de fluxo laminar contínuo entre os dois eletrodos opostos a fim de limitar a turbulência que promove a aderência de depósitos de cal (incrustação) em ou entre os eletrodos, os quais têm o efeito de produzir envelhecimento prematuro dos mesmos;- alimentar os ânodos e cátodos opostos, por meio de uma corrente elétrica pulsada e/ou contínua, a fim de compensar as variações na densidade de corrente a partir de uma extremidade até a outra de cada eletrodo.

[006] Durante os testes de qualificação sob condições reais, constatou-se que certas bactérias eram menos ou até mesmo nada afetadas pela passagem entre os eletrodos.

[007] Entre essas, as bactérias Pseudomonas aeruginosa e Clostridium perfringens são notáveis.

[008] O desempenho do tratamento bacteriano se provou, portanto, ineficiente no regime laminar principalmente para as bactérias mencionadas anteriormente.

[009] De fato, em regime laminar, a lâmina de água que passa através da célula a partir de uma extremidade até a outra, equidistante do ânodo e do cátodo, é submetida somente ao efeito ligado à corrente que passa entre os eletrodos (por meio de transferência de elétrons entre ânions e/ou cátions e eletrodos).

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0010] Com o objetivo de aumentar a eficiência do tratamento bactericida principalmente para bactérias Pseudomonas aeruginosa e Clostridium perfringens, a depositante desenvolveu o método reivindicado, o qual também usa uma célula eletroquímica que inclui um ânodo e um cátodo, ambos em formato de placa, um paralelo ao outro, cujas faces catalíticas opostas têm áreas de superfície idênticas e formam um espaço simétrico entre eletrodos sem nenhum trajeto preferencial ou curto-circuito.

[0011] Com o uso do resultado dessa pesquisa como ponto de partida e com base no fato de que o potencial de hidrogênio (pH), o qual reflete a acidez da água, é muito baixo (menor do que 1) nos arredores do ânodo (onde a oxigenação ocorre) e, ao contrário, muito alta (maior do que 14) nos arredores do cátodo (onde a redução ocorre), a depositante implementou um regime hidráulico turbulento específico entre os eletrodos opostos a fim de:- aplicar, de modo alternativo e bem sucedido, nos micro-organismos existentes na água, ao longo de toda a sua passagem pela célula, fortes variações de pH com o objetivo de desativá-los;- colocar, de modo alternativo e bem sucedido, os ditos micro-organismos em contato muito próximo com os radicais O2 e OH formados na superfície dos eletrodos com o objetivo de melhorar os efeitos diretos e indiretos.

[0012] Além disso, o campo elétrico entre os eletrodos da ordem de dez volts, no nível de membranas bacterianas, é suficiente para induzir uma "ruptura dielétrica".

[0013] A operação da célula em tal regime turbulento constitui um avanço real no desempenho do sistema, permitindo, desse modo, os testes em organismos mais evoluídos, como protozoários (por exemplo, amebas), fungos e leveduras.

[0014] A fim de otimizar o desempenho do tratamento, a saber, o tratamento de desinfecção, a depositante descobriu que a introdução, no fluxo a jusante, de partes metálicas, a saber, produzidas a partir de cobre, em contato com água, tinham o efeito de acelerar, através da formação de compostos radicais potentes com uma custa vida útil, as taxas de decomposição de compostos oxidantes gerados pelo sistema de água (formação de compostos radicais potentes com uma curta vida útil).

[0015] Quanto à incrustação dos eletrodos e do circuito de água, essa foi limitada controlando-se a capacidade de incrustação da água a montante da célula com o uso de pelo menos uma das seguintes tecnologias:- a retenção seletiva de cátions de cálcio e magnésio na resina de troca catiônica;- o sequestro de íons de cálcio através de contato com polifosfatos na forma de cristais ou em forma líquida;- a inibição da capacidade de incrustação de calcário (carbonato de cálcio) pela ação de um inibidor de crostas magnético, indutivo ou equivalente.APRESENTAÇÃO DAS FIGURAS

[0016] As características e vantagens da invenção parecerão mais claras mediante a leitura da descrição detalhada a seguir de pelo menos uma modalidade preferencial da mesma, fornecida com fins exemplificativos não limitantes, e dos desenhos anexos (Fig. 1), os quais são um esboço esquemático que mostram o trajeto de micro-organismos entre os eletrodos e as reações químicas nos arredores dos mesmos.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0017] A invenção se refere a um método para a desinfecção eletroquímica de água, passando-se a dita água através de pelo menos uma célula eletrolítica contida em um alojamento dotado de meios para transferir e remover a dita água e explorando-se o efeito virucida, bactericida e bacteriostático direto ligado às ações de oxidação no ânodo e à ação de redução no cátodo, bem como o efeito bactericida indireto suplementar e o efeito bacteriostático residual ligado à ação dos oxidantes gerados pela eletrólise da água.

[0018] O método, de acordo com a invenção, é substancialmente caracterizado por consistir em:a) usar uma célula eletrolítica que inclui um ânodo e um cátodo, ambos em formato de placa e paralelos um ao outro, cujas faces catalíticas opostas têm áreas de superfície idênticas e formam um espaço simétrico entre eletrodos sem nenhum trajeto preferencial ou curto-circuito;b) criar, entre as ditas placas, por meio de um dispositivo localizado a montante ou a jusante das mesmas, ao longo de toda a extensão da passagem da água a ser tratada, um regime turbulento que tem o efeito de fundir, de modo alternativo e bem sucedido, os micro-organismos contidos nas substâncias dissolvidas contra o ânodo e contra o cátodo para que sejam submetidos ao efeito de desativação causado pelas fortes variações no pH que estão presentes entre os eletrodos, bem como o efeito bactericida adicional mediante o contato com o radicais de O2 e OH formados na superfície dos eletrodos.

[0019] A Figura 1 exibe:- o ânodo A (pH < 1) e o cátodo C (pH > 14)- o trajeto percorrido pelos micro-organismos M entre os ditos dois eletrodos;- a reação química no ânodo: 2 H2O = 4 H+ + 3e + O2-- a reação química no cátodo: 2 H2O = 2 OH- + H2

[0020] O método, de acordo com a invenção, consiste adicionalmente em, a fim de otimizar o desempenho do tratamento, particularmente em relação à desinfecção, colocar, no fluxo a jusante, partes metálicas, a saber, produzidas a partir de cobre, em contato com a água, para acelerar, através da formação de compostos radicais potentes com uma curta vida útil, as taxas de decomposição dos compostos oxidantes gerados pelo sistema de água.

[0021] Além disso, consiste adicionalmente em, a fim de inibir a incrustação dos eletrodos e do circuito de água, aplicar, a montante dos mesmos, uma tecnologia escolhida a partir de:- a retenção seletiva de cátions de cálcio e magnésio na resina de troca catiônica;- o sequestro de íons de cálcio através de contato com polifosfatos na forma de cristais ou na forma líquida;- a inibição da capacidade de incrustação do carbonato de cálcio através da ação de um inibidor de crostas magnético ou indutivo.

[0022] Além disso, consiste adicionalmente em, a fim de limpar os eletrodos, aplicar nos mesmos:- um campo ultrassônico;- ou um campo de alta frequência que gera fenômenos de ressonância.

[0023] O dispositivo para implementar o dito método inclui perturbadores de fluxo, como, por exemplo:- na entrada das células, um gerador de turbulência dotado de uma série de defletores montados em direções opostas e sustentados por um anel cilíndrico, o qual se encaixa sobre o bocal da entrada da célula eletrolítica;- nas bordas dianteiras das placas, a fim de aumentar o regime de turbulência entre as placas, perfis de intertravamento em formato de U.

[0024] A função de um sistema de desinfecção é manter concentrações suficientes de desinfetantes oxidantes na água que flui através da rede de distribuição interna para que as bactérias, as quais estão suspensas na água (provenientes do sistema de água fria existente da cidade, represamentos ou biofilmes), sejam exterminadas ou desativadas antes que atinjam os pontos de extração. A garantia do uso de uma água de qualidade, consistente com seu uso, implica, portanto a verificação, no local e ao longo do tempo, da presença de uma concentração suficiente nos pontos de extração de água, sendo que os valores alvo medidos como equivalente de cloro estão compreendidos entre 0,5 e 1 mg/l.

[0025] O princípio de eletrólise implementado permite produzir desinfetantes oxidantes à base do oxigênio contido na água.

[0026] Um estudo interno mostrou que a persistência dos oxidantes gerados pelo método, de acordo com a invenção, tenderam a uma evolução logarítmica da persistência como uma função da concentração inicial dos agentes oxidantes. Por exemplo, a vida útil é de aproximadamente 24 horas para uma concentração inicial de 0,5 mg/l e aumenta a 30 horas para 1 mg/l. É de 15 dias para 2,5 mg/l e mais do que um mês (31 dias) para 10 mg/l.

[0027] A célula eletrolítica é geralmente associada a um medidor de vazão (do tipo hélice, com gerador de pulso, ou outro) e um painel eletrônico, o qual gerencia o controle da corrente elétrica enviada para a célula como uma função do volume de fluxo atravessante e os ajustes adotados pelo operador.

[0028] De acordo com as duas variantes operacionais da invenção, diversas células podem ser hidraulicamente montadas:- em série para acumular os efeitos desinfetantes das mesmas;- ou em paralelo para acumular as taxas de fluxo das mesmas.

[0029] As células podem ser, em ambos os casos, aprisionadas em um alojamento comum dotado de meios para transferência e remoção que também são comuns para a dita montagem de células.

[0030] As células podem ser hidraulicamente montadas em série ou em paralelo, porém, não necessariamente de modo elétrico, cada célula pode ser alimentada separadamente.

[0031] De acordo com diversas variantes operacionais da invenção, um módulo de tratamento eletroquímico pode ser:a) submerso em um tanque de tratamento ou sedimentação;b) colocado no circuito de um tanque de tratamento ou sedimentação;c) acoplado a um sistema de filtração, especialmente do tipo granular, ou com membranas, e/ou a outro módulo de tratamento eletroquímico.

[0032] A célula ou as células podem ser abastecidas com uma corrente pulsada e/ou contínua.

[0033] A inversão da polaridade do eletrodo é programada de acordo com uma porcentagem bem determinada da elevação da tensão como uma função das características da água a ser tratada e/ou de acordo com uma temporização bem determinada, dependendo da qualidade da água.

[0034] O espaço entre os dois eletrodos está geralmente compreendido entre 2 e 6 mm dependendo da condutividade da água usada.

[0035] Os eletrodos têm uma espessura compreendida geralmente entre 1 mm e diversos milímetros.

[0036] Os módulos de tratamento eletroquímico podem incluir 2, 4, 6 ou mais eletrodos.

[0037] A corrente elétrica pulsada e/ou contínua que é usada tem um valor compreendido geralmente entre 1 e 10 A por dm2.

[0038] A pressão de água ideal na célula é de 0,3 MPa (3 bar).

[0039] Quando as células são montadas formando um circuito emuma cuba, produzem um volume de água a uma concentração maior de oxidantes totais, por exemplo, para proteger a água tratada contra qualquer recontaminação causada pelos germes e/ou matéria orgânica no sistema de armazenamento e distribuição e até os pontos de uso. Essa água pode ser, então, injetada na água a ser tratada, já que, nessa aplicação, somente o efeito indireto é usado.

[0040] Essa implementação pode ser usada para desinfetar equipamentos, por exemplo, instrumentos médicos, através de imersão na cuba descrita acima.

[0041] O sistema também pode ser usado como tratamento terciário de água residual ou como um tratamento principal ou secundário de água destinada para usos recreativos ou terapêuticos (águas termais, talassoterapia, etc).

[0042] Para as aplicações mencionadas acima, bem como para desinfecção de água, torres de resfriamento ou outro sistema de tratamento de ar, a implementação pode ser diferente no caso em que os conjuntos de eletrodos estão expostos (não contidos em uma célula).

[0043] A massa de líquido pode ser, então, colocada em contato com os oxidantes gerados pelos movimentos de convecção (fenômeno de convecção). Esse tipo de implementação pode ser adotado, por exemplo, em tanques tampão e cisternas de água.

[0044] Diversos conjuntos de eletrodos podem ser implementados na mesma cuba.

[0045] Os conjuntos de eletrodos também podem ser implementados integrados no interior ou no exterior dos tubos e submersos na água a ser tratada (por exemplo, para agrupamentos no sistema de reciclagem de água).

[0046] A água tratada com o dispositivo, independentemente do tipo de implementação, pode ser usada, por fim, para aplicações médicas (terapias).

[0047] Quando essa técnica é combinada a um sistema de filtração granular, uma sinergia técnica ocorre, já que a microfiltração combate completamente parasitas e bactérias, porém, não combate vírus, enquanto o dispositivo contribui para a destruição de vírus.

[0048] Além disso, o dispositivo cria uma capacidade de desinfecção residual da água que a microfiltração e a radiação ultravioleta não podem fornecer.

[0049] Por fim, o dispositivo contribui para a degradação de matéria orgânica dissolvida, enquanto a microfiltração somente combate a matéria suspensa (partículas maiores do que 0,1 mícrons, ou 0,01 mícrons no caso da ultrafiltração).

[0050] Evidentemente, a pessoa versada na técnica será capaz de executar a invenção como descrita e mostrada aplicando e adaptando meios conhecidos sem que seja necessário descrevê-los ou representa-los.

[0051] A pessoa versada na técnica também pode contemplar ouras variantes sem se desviar do escopo da invenção, como determinado pelos termos das reivindicações.

Claims (5)

1. Método para a desinfecção eletroquímica de água passando- se essa água através de uma célula eletrolítica contida em uma caixa dotada de meios para transferir e remover a água;caracterizado pelo fato de que consiste em:a) usar uma célula eletrolítica, a qual é composta por um ânodo e um cátodo, ambos em formato de placa e paralelos um ao outro, cujas faces catalíticas opostas têm áreas de superfície idênticas e formam um espaço simétrico entre eletrodos sem nenhum trajeto preferencial e sem nenhum curto-circuito;b) colocar, a montante e a jusante das ditas placas, um gerador de turbulência, o qual é composto por uma série de defletores montados em direções opostas, adequadas para criar entre os mesmos defletores, ao longo de toda a extensão da passagem da água a ser tratada, um regime turbulento que tem o efeito de fundir, de modo alternativo e bem sucedido, os micro-organismos contidos nas substâncias dissolvidas contra o ânodo, o qual tem, em seus arredores, um pH menor do que 1, e contra o cátodo, o qual tem, em seus arredores, um pH de mais de 14.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que consiste em, a fim de otimizar o desempenho do tratamento, particularmente em relação à desinfecção, colocar, no fluxo a jusante, partes metálicas, a saber, produzidas a partir de cobre, em contato com a água para acelerar, através da formação de compostos radicais potentes com uma curta vida útil, as taxas de decomposição de compostos oxidantes gerados pelo sistema de água.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que consiste em, a fim de inibir a incrustação dos eletrodos e do circuito de água, aplicar a montante dos mesmos uma tecnologia escolhida entre: - a retenção seletiva de cátions de cálcio e magnésio na resina de troca catiônica;- o sequestro de íons de cálcio através de contato com polifosfatos;- a inibição da capacidade de incrustação de carbonato de cálcio através da ação de um inibidor de crostas magnético ou indutivo.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que consiste em, a fim de limpar os eletrodos, aplicar um campo ultrassônico aos mesmos.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que consiste em, a fim de limpar os eletrodos, aplicar um campo de alta frequência aos mesmos que gera fenômenos de ressonância.

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