BR112015020783B1 - Célula eletrolítica, processo de produção, método de operar a referida célula e uso da mesma para degradação eletrooxidativa de contaminantes em águas residuais e para síntese eletrolítica de produtos químicos - Google Patents

Abstract

célula de eletrodo microlamelar e seu uso. a invenção está relacionada a uma célula de eletrólise para o tratamento particularmente eficiente de águas residuais poluídas com substâncias orgânicas pela degradação eletro-oxidativa dos constituintes de águas residuais que contribuem para a demanda de oxigênio químico, assim como seu uso.

Description

[001] A invenção está relacionada a uma célula de eletrólise para o tratamento particularmente eficiente de águas residuais poluídas com substâncias orgânicas pela degradação eletro- oxidativa dos constituintes de águas residuais que contribuem para a demanda de oxigênio químico.

[002] Um método de tratamento de águas residuais poluídas com substâncias orgânicas é a submissão das águas residuais a uma corrente elétrica em uma célula de eletrólise que carrega ânodos que possuem um alto potencial superior para a formação de oxigênio. Além de uma diferença de potencial específica entre os eletrodos, a oxidação gradual dos constituintes orgânicos dissolvidos do eletrólito (água residual) ocorre no ânodo, sendo esta oxidação capaz de agir diretamente ou por meio de espécies reativas intermediárias, dependendo da escolha do material do ânodo e, possivelmente, das condições adicionais do processo. Os materiais de eletrodo conhecidos que são adequados para este propósito são, por exemplo, platina em tântalo, nióbio e/ou titânio, vários óxidos metálicos como PbO2, IrO2 ou SnO2 e óxidos mistos de Ta/Ir, Ta/Pt, Ta/Pd ou Ta/Rh (por exemplo, DE 44 26 901 A1) ou outros materiais baseados em carbono, como carbono vítreo ou diamante eletricamente condutivo, em cada caso, em bases metálicas ou grafite.

[003] Um material de ânodo que foi considerado particularmente adequado para a degradação eletro-oxidativa dos contaminantes orgânicos é o diamante que tornou-se condutivo pela dopagem com boro (BDD) (por ex., EP 0 659 691 B1 ou DE 197 08 296 A1), ou seja, por exemplo, aplicado em camadas microcristalinas por processos de CVD assistido por plasma para os substratos adequados (por ex., Nb, Ta, Mo, Ti, Si ou carbono vítreo). Comparadas a outros materiais de ânodo conhecidos até então, essas camadas de diamante exibem uma sobrevoltagem particularmente alta para a geração do oxigênio elementar, uma alta resistência química (incluindo o que diz respeito à lixiviação), uma tendência significativamente reduzida de formar depósitos que interferem na superfície do eletrodo e também uma polarizabilidade muito alta da interface com o eletrólito (vide M. Panizza e G. Cerisola, “Application of diamond electrodes to electrochemical processes” em Electrochimica Acta 51 (2005) 191199).

[004] Devido à sobrevoltagem muito alta de oxigênio, é possível, no caso dos ânodos BDD, aplicar uma voltagem suficientemente alta para formar os radicais hidroxila livres (OH-) e sua superfície no eletrólito; esses radicais hidroxila livres agem como um oxidante muito forte e são, portanto, capazes de desmembrar e oxidar, de uma maneira gradual, uma ampla gama de compostos orgânicos dissolvidos no eletrólito. Quando o processo é aplicado por um tempo suficientemente longo, os compostos orgânicos solúveis em água que estão normalmente presentes, pelo menos em vestígios, podem ser completa e essencialmente mineralizados e, portanto, deixam de ser problemáticos dessa maneira. Contanto que não ocorra nenhum efeito de saturação, a formação dos radicais hidroxila livres continua estequiometricamente virtual, isto é, para cada elétron absorvido pelo ânodo, um radical hidroxila livre, que pode, como espécie reativa intermediária, subsequentemente ocasionar a oxidação de uma molécula oxidável dissolvida no eletrólito, é formado a partir de uma molécula de água do eletrólito.

[005] Portanto, o método tem em princípio uma alta eficiência de corrente; em condições adequadas, na verdade, isso corresponde virtualmente a 100%. Entretanto, ele é limitado pela curta vida dos radicais hidroxila livres: se estes se decompuserem antes de terem interagido com uma espécie oxidável no eletrólito, seu potencial de oxidação será irrevogavelmente perdido e a eficiência da corrente diminui. A curta vida é acompanhada por um alcance físico extremamente curto dos radicais hidroxila livres, como resultado do fato de eles estarem completa e virtualmente localizados na superfície do ânodo. A reação completa dos radicais hidroxila livres formados eletroliticamente em relação a uma reação adicional com as espécie oxidáveis a partir do eletrólito ocorre, portanto, somente quando o último está presente em concentração suficiente na superfície do ânodo. Uma vez que as espécies oxidáveis que ficam estáveis durante o tratamento eletrolítico de água residual são degradadas na proximidade imediata da superfície do eletrodo, uma concentração de equilíbrio que diminui continuamente durante o curso do processo em um volume eletrolítico total é estabelecida após um curto período; essa concentração de equilíbrio é determinada primeiramente pela taxa de degradação dependente da corrente das espécies oxidáveis e, em segundo lugar, por sua chegada como resultado da transferência de massa convectiva e difusa e fica, de qualquer modo, abaixo da concentração média no volume do eletrólito. Contanto que o fluxo das espécies oxidáveis para o ânodo se torne menor do que a formação atual dependente da corrente dos radicais hidroxila livres, parte desses últimos se decompõe sem utilização e a eficiência de corrente do processo e também a taxa de degradação inicialmente constante diminuem. Uma vez que a transferência de massa do volume do eletrólito para a superfície do ânodo é, em última instância, sempre naturalmente difusa, este estado sempre ocorre, em uma determinada geometria de célula e em determinadas condições de fluxo, quando a concentração das espécies oxidáveis no volume do eletrólito ficam abaixo de uma concentração específica que é proporcional à densidade da corrente.

[006] Por essa razão, se uma determinada quantidade de água residual for tratada em um tempo limitado para uma concentração de resíduos estabelecida de contaminantes oxidáveis, será necessário, em determinadas propriedades de transferência de massa da célula, fornecer não somente uma opção adequada da corrente de trabalho, mas também uma área mínima específica do ânodo. Uma vez que os eletrólitos de diamante dopados com boro particularmente estejam associados a custos de capital muito altos por área de unidade, é desejável, por razões econômicas, manter essa área de ânodo requerida tão pequena quanto possível pela otimização da transferência de massa na célula e, deste modo, permitir a operação em altas densidades de corrente mas também alta eficiência de corrente.

[007] A fim de representar os relacionamentos de forma quantitativa, é útil introduzir a demanda de oxigênio químico (COD), o que indica a quantidade teórica de oxigênio que seria necessária para oxidar os contaminantes oxidáveis presentes na água residual completamente sob condições específicas (padronizadas), como uma medida da concentração das espécies oxidáveis, isto é, do grau de contaminação da água residual com as substâncias oxidáveis. O exame quantitativo a seguir é baseado essencialmente em: M.A. Rodrigo et al., Modeling of Electrochemical Process for the Treatment of Wastewater Containing Organic Pollutants, em: C. Comniniellis and G. Chen (eds.), Electrochemistry for the Environment, Springer LLC (2010).

[008] Com o andamento do tratamento eletroquímico, a concentração de substâncias oxidáveis na água residual e, portanto, seu COD diminui gradualmente. Acima de um valor limite de CODlim que é dependente das condições da célula e do fluxo, nele e também no comportamento da difusão das espécies oxidáveis, a concentração das espécies oxidáveis no ânodo é sempre maior do que aquela dos radicais hidroxila livres formados e a degradação continua estequiometricamente com a carga introduzida; portanto, em uma corrente constante I linearmente com o tempo:

[009] Aqui, F = 9, 45-104 Cmol-1 é a constante de Faraday e VR denota o volume do reservatório de água residual submetida a tratamento, que é geralmente circulada repetidamente por meio de uma bomba do recipiente de armazenamento através da célula de eletrólise. Abaixo do CODlim, o fluxo das espécies oxidáveis do volume do eletrólito para o ânodo se torna o fator determinante para a taxa de degradação que, por sua vez, é proporcional à concentração dessa espécie no volume do eletrólito, assim:

O próprio CODlim é determinado pela densidade da corrente j = I/A (A = área do ânodo) e o coeficiente da transferência de massa km:

[010] Portanto, o curso com o decorrer do tempo do COD abaixo do CODlim fica, finalmente, dependente da corrente de trabalho e a degradação anteriormente linear passa para uma taxa de degradação exponencial, isto é, progressivamente mais lenta:

[011] Nesse estado da operação, a eficiência da corrente, isto é, a proporção dos números dos portadores de carga usados para carregar os portadores utilizados para a oxidação das espécies oxidáveis, diminui continuamente com o COD residual decrescente:

e a duração do processo, começando a partir de um valor inicial de COD0 para um valor fixado de CODend é determinada por:

[012] Para ser capaz de operar tal processo de purificação em um tempo muito curto com uma eficiência de corrente muito alta e, assim, com eficiência de energia para uma concentração residual muito baixa de contaminantes oxidáveis, é necessário, portanto, escolher um valor suficientemente alto para o produto kmA do coeficiente de transferência de massa e da área do ânodo. Uma vez que os ânodos BDD são particularmente muito caros, primeiramente devido ao alto preço dos metais refratários (Nb, Ta, Mo) que são preferencialmente usados como substratos e, em segundo lugar, devido à produção complicada do revestimento de diamante, é desejável, por razões econômicas, otimizar a transferência de massa na célula tanto quanto possível.

[013] Até certo ponto, km pode ser aumentado ao aumentar o fluxo de volume do eletrólito por meio de uma determinada célula. Desta maneira, as informações sobre o fluxo definido ou as variações de velocidade de fluido nas células podem ser encontradas em vários documentos da arte antecedente (por exemplo, DE 37 05 956 C2, DE 43 30 518 A1 ou DE 44 26 901 A1). Entretanto, este procedimento está sujeito aos limites econômicos desde a queda de pressão no sistema de circulação e, assim, também o aumento do consumo de energia da bomba de circulação rapidamente com o crescente fluxo do volume. Além do aumento dos custos de energia, há também os custos de capital elevados pela tubulação mais larga e a tecnologia de bomba acima de um ponto específico.

[014] Outra possível maneira de melhorar a eficiência da corrente do tratamento de água residual eletro-oxidativa em baixos valores de COD é adicionar substâncias específicas que são transformadas no ânodo em oxidantes intermediários fortes que têm uma vida significativamente mais longa comparada aos radicais hidroxila livres para o eletrólito. Se essa vida for longa o suficiente, as espécies correspondentes podem, por sua vez, ser transportadas do ânodo para o volume do eletrólito e então ocasionar processos adicionais de oxidação (efeito do mediador). NaSO4 foi considerado particularmente útil para esse propósito; isso é normalmente incluído em concentrações de um pouco de 1 g/l para um pouco de 10 g/l para o eletrólito e é convertido no processo em peroxodissulfato que tem uma ação oxidante forte (por exemplo, DE 10 2005 006 214 A1). Além disso, outros sulfatos (por exemplo, DE 44 26 901 A1) e também vários outros sais que agem como oxidantes fortes (por exemplo, percloratos, hipocloritos: vide DE 37 05 956 C2) são possíveis como mediadores e estes são incluídos também em sua forma oxidada ou reduzida no eletrólito e ciclicamente reduzidos no volume do eletrólito e reoxidados no ânodo no processo. Entretanto, o efeito de tais mediadores no aumento da eficiência de corrente em baixos valores de COD é bastante limitado e não pode ser aumentado arbitrariamente ao aumentar a concentração do mediador. Além disso, a inclusão de substâncias adicionais na água residual a ser tratada, particularmente de sais que normalmente só podem ser separados novamente com um alto investimento, é em muitas aplicações permitida apenas de modo muito limitado e em vez disso é, em princípio, indesejável.

[015] Uma abordagem particularmente útil para o aumento da eficiência de corrente do tratamento de água residual eletro- oxidativa em baixos valores de COD é, portanto, a otimização da geometria de célula e do fluxo associado do eletrólito na célula a fim de intensificar a transferência de massa, particularmente no ânodo, por componentes convectivos muito fortes. Para esse fim, o US 7 232 507 B2 descreve, por exemplo, um sistema de planar, ânodos e cátodos alternadamente empilhados com películas isolantes semelhantes à malha localizadas entre eles, que foram introduzidos em um compartimento hermético e através do qual o fluxo ocorre paralelamente às superfícies do eletrodo. A configuração do tipo malha ou tecido dos isolantes e opcionalmente de um dos eletrodos aqui serve para repetidamente desviar o eletrólito e assim garantir a transferência de massa que é bastante intensiva em toda a área do eletrodo. Entretanto, esse sistema tem a desvantagem do contato interno bastante complicado dos eletrodos. Particularmente, todos os constituintes do ânodo que estão em contato com o fluido estão sujeitos a uma força corrosiva muito alta durante o tratamento da água residual eletro-oxidativa e, portanto, têm que ser feitos de materiais caros e em sua maioria difíceis de processar (por exemplo, nióbio) já que também são usados para os substratos do ânodo.

[016] Além disso, os sistemas que têm eletrodos que são constituídos de estruturas semelhantes à nervura, nó ou canal e em torno dos quais ou através dos quais o fluxo ocorre essencialmente ao longo de sua superfície são conhecidos. Os exemplos de tais sistemas são fornecidos, entre outras coisas, no DE 35 19 573 A1, DE 25 38 000 A1, DE 100 25 167 A1, JP 326 6 617 B2 ou WO 2008 056 336 A1. Aqui também, as repetidas mudanças na direção do fluxo garantem a transferência de massa intensificada mas, devido aos comparativamente longos caminhos de fluido através da célula, às vezes geram altas quedas de pressão. Além disso, a produção de estruturas semelhantes a relevos, como dutos ou nervuras, dos materiais que são preferencialmente usados para os eletrodos do BDD é razoavelmente complicada.

[017] Para atender à exigência das baixas quedas de pressão, também foram propostos sistemas nos quais os eletrodos fornecidos com aberturas são empilhados e o fluxo ocorre essencialmente na direção da pilha, isto é, predominantemente perpendicular à superfície do eletrodo. Aqui é dada uma descrição das representações que têm aberturas geometricamente não especificadas e são também geralmente apresentadas como permeáveis (por ex., WO 2012 004 769 A1 ou KR 10 2012 002 189 A1) ou, por exemplo, são descritas como trançadas por fios (DE 603 06 172 T2). Além disso, há representações que têm geometricamente, pelo menos de forma qualitativa, aberturas mais precisamente definidas como orifícios ou fendas e são também organizadas de maneira alinhada entre os planos individuais da pilha (JP 2011 246 799) ou sua posição relativa entre os planos da pilha não é explicitamente indicada e, portanto, pode ser assumida para não ser mais precisamente definida (por exemplo, KR 101 080 227 B1). Como célula de referência para a comparação de força com a célula do eletrodo microlamelar da invenção, o uso foi feito, por exemplo, de uma célula de laboratório comercialmente disponível que consistia essencialmente em uma pilha de eletrodos através da qual o fluxo ocorreu essencialmente ao longo da direção de empilhamento e sendo cada uma composta de estruturas anulares e uma folha metálica expandida soldada nela.

[018] Embora uma série completa de formas de substrato de poros finos em sua maioria como trançados de fios, fritas sinterizadas ou espumas de metal não possa ser revestida, ou só pode ser revestida com maiores dificuldades, com o BDD em uma maneira estável, os sistemas de eletrodo que têm aberturas definidas alinhadas na direção do fluxo principal têm propriedades de transferência de massa desfavoráveis desde o começo. Comparativamente, no caso dos sistemas que têm posicionamento relativo indefinido das aberturas do eletrodo na pilha de eletrodos, pode se esperar uma determinada equivalência, em geral aleatória, conforme necessário para a transferência de massa das aberturas nos planos adjacentes na pilha de eletrodos; mas o potencial de tais geometrias para fazer a transferência de massa mais intensa é, em grande parte, apenas explorado insatisfatoriamente, a menos que a forma, o tamanho e o posicionamento relativo das aberturas, tantos nos eletrodos quanto no que se refere aos eletrodos adjacentes, sejam definidos de uma maneira sutil.

[019] Portanto, trata-se de um objeto da invenção para desenvolver uma célula de fluxo para a purificação de água residual eletro-oxidativa por meio de eletrodos revestidos com diamantes condutivos, que a célula possui, devido à sua geometria, uma transferência de massa significativamente melhorada a partir do eletrólito para os eletrodos (especialmente para o ânodo) comparada às células convencionais. A célula deve adicionalmente ter uma estrutura simples que é barata de realizar, uma baixa queda de pressão e uma alta estabilidade, particularmente no que diz respeito à corrosão que ocorre durante a operação.

[020] O objeto é surpreendentemente atingido por uma célula de eletrólise que consiste em pelo menos uma entrada e pelo menos uma saída para o eletrólito, além de consistir em um número de eletrodos planares fornecidos com aberturas pelas quais o fluxo pode ocorrer, dos quais pelo menos um, por meio do revestimento funcional, é configurado como ânodo que tem um sobrepotencial aumentado para a formação do oxigênio comparado ao eletrodo de hidrogênio padrão e pelo menos um eletrodo adicional é configurado como contraeletrodo (cátodo), que, na base de sua polaridade, está disposto em uma sequência alternada ou alternada em pares para formar uma pilha, além de consistir em uma série de elementos da estrutura que, em cada um dos casos, estão organizados separadamente entre os eletrodos adjacentes, onde os elementos da estrutura garantem simultaneamente um isolamento elétrico mútuo, uma vedação mútua de fluido e um espaçamento definido entre os eletrodos adjacentes, assim, a pilha de eletrodos formada dessa maneira é instalada entre a entrada e a saída, de uma forma que um caminho de eletrólito, pelo qual o fluxo pode ocorrer e que é vedado fluidicamente a partir dos arredores, seja formado a partir da entrada através da pilha de eletrodos até a saída, caracterizado por- eletrodos adjacentes terem um espaçamento livre mútuo de não mais do que 0,5 mm,- aberturas pelas quais o fluxo pode ocorrer nos eletrodos serem configuradas como fendas ou linhas de fenda paralelas que rompem os eletrodos essencialmente de forma perpendicular à sua superfície, onde as fendas individuais têm uma largura de não mais do que 1 mm e um comprimento de pelo menos três vezes a largura e têm um espaçamento livre perpendicular à sua dimensão máxima de pelo menos duas vezes a largura da fenda e- fendas ou linhas de fendas nos eletrodos adjacentes, em cada caso, operarem paralelamente entre si e estarem dispostas em uma forma de equivalência definida entre si perpendicularmente à dimensão máxima das fendas ou linhas de fendas de uma forma que o espaçamento entre uma linha de fendas em um eletrodo para cada linha de fendas imediatamente adjacente nos eletrodos diretamente adjacentes varie por não mais do que 25%.

[021] A invenção, portanto, fornece uma célula de eletrólise deste tipo, que a partir de agora também irá ser chamada de célula de eletrodo microlamelar.

[022] A vantagem substancial da célula de eletrólise da invenção comparada à arte antecedente é que a geometria definida e o alinhamento relativo das aberturas nos eletrodos levam a altos coeficientes de transferência de massa em quedas de pressão relativamente baixas.

[023] As combinações específicas das características adicionais, às vezes conhecidas individualmente, resultam, como outras vantagens da célula de eletrólise de acordo com a invenção comparada com a parte predominante da arte antecedente, em - os eletrodos planares ou substratos do eletrodo fornecidos com aberturas pelas quais o fluxo pode ocorrer podem ser produzidos de maneira simples e econômica pelos métodos de separação bidimensionais, como corte a laser ou corte por jato de água com peças semiacabadas prontamente disponíveis comercialmente como lâminas ou folhas de metal e fornecidas por meio de métodos disponíveis com revestimentos de superfície homogênea e estável (por exemplo, BDD),- o contato dos eletrodos pode ocorrer, por exemplo, por meio das guias de contato formadas ou instaladas na ponta dos eletrodos fora da região que carrega o fluido e é então exposta ao ataque corrosivo pelo eletrólito,- o alto grau de integração funcional (espaçadores, isolamento elétrico, vedação fluídica) dos elementos da estrutura que consistem em um ou alguns componentes individuais permite uma estrutura celular muito simples e também barata de realizar e em particular

[024] Os eletrodos configurados como ânodos são normalmente fornecidos com uma camada de superfície aplicada deliberadamente que, quando usada com eletrólitos predominantemente aquosos, têm uma sobrevoltagem particularmente alta para a geração de oxigênio e idealmente promovem a geração eletrolítica dos radicais hidroxila livres. Os revestimentos que consistem em óxidos metálicos específicos como PbO2, IrO2 ou SnO2 ou óxidos mistos de Ta/Ir, Ta/Pt, Ta/Pd ou Ta/Rh ou materiais baseados em carbono como o carbono vítreo, carbono tipo diamante (DLC) eletricamente condutivo ou diamante eletricamente condutivo foram considerados úteis neste contexto. Entretanto, a preferência é dada ao uso de revestimentos que consistem em diamante eletricamente condutivo, particularmente aqueles que consistem em diamante dopado com boro (BDD), no qual a espessura da camada é preferencialmente de 1 μm a 5 μm. Para a aplicação do revestimento, todos os métodos conhecidos, para aqueles especializados na arte, e adequados para este propósito são em princípio possíveis; no caso das camadas de diamante eletricamente condutivos, eles são, por exemplo, processos de CVD assistido por plasma (deposição de vapor químico).

[025] Se a célula contiver mais de um ânodo e mais de um cátodo, eles serão dispostos de maneira alternada (“AKAK”) ou alternadamente em pares (“AAKKAAKK”, “AKKAKK” ou “AAKAAK”), mas preferencialmente de maneira alternada, na pilha de eletrodos na célula.

[026] Embora os eletrodos configurados como cátodos na célula possam, em princípio, ser constituídos de qualquer material condutivo eletricamente que possa suportar as forças mecânicas, químicas e térmicas durante a operação, a preferência é dada aqui ao uso, por exemplo, de aços inoxidáveis, cobre, alumínio e suas ligas ou outro grafite, opcionalmente também as ligas à base de níquel; o material de base selecionado para os eletrodos configurados como ânodos deve ser um material que, além dessas exigências, seja, particularmente, um substrato adequado para o revestimento funcional do eletrodo (ativo eletrocataliticamente) e seja capaz de suportar as pressões corrosivas eletroquímicas particularmente altas durante a operação, mesmo quando o revestimento possuir áreas de dano ou pontos de vazamento que resultem em contato direto do substrato do eletrodo com o eletrólito. A adequação como substrato para o revestimento da superfície abrange assim, entre outras coisas, a compatibilidade do material com as condições do processo de revestimento, ótima combinação do coeficiente de expansão térmica com o do revestimento, boa adesão do revestimento, pequena e controlável interdifusão entre o material de base e o material de revestimento e opcionalmente as propriedades específicas da superfície que podem positivamente influenciar o comportamento de deposição ou crescimento do revestimento. Os materiais de base preferenciais para os ânodos são, portanto, particularmente no caso do revestimento com o diamante condutivo, os metais nióbio, tungstênio, tântalo, molibdênio, titânio ou suas ligas e também silicone dopado que formam uma camada estável de óxido de difusão impermeável (camada de passivação) sob as condições eletro-oxidativas durante a operação. Particularmente os materiais de base preferenciais para os ânodos são nióbio, tântalo ou titânio, particular e preferencialmente o nióbio.

[027] Especialmente por razões econômicas, a fabricação dos eletrodos (ou no caso dos ânodos e substratos) a partir de peças semiacabadas semelhantes à uma folha, como lâminas ou folhas de metal, com espessura que varia de 0,2 mm a 3 mm, preferencialmente de 0,5 a 1,5 mm, foi considerada vantajosa. A seleção de uma espessura muito pequena do material é, em princípio, desejável devido ao normalmente alto preço deste material. Entretanto, uma rigidez suficiente de curvatura deve que ser garantida, primeiramente para evitar a descamação do revestimento funcional (ativo eletrocataliticamente) durante ou imediatamente após sua produção, por exemplo, como resultado das pressões térmicas durante o resfriamento, e em segundo lugar, para garantir um espaçamento suficiente e precisamente definido dos eletrodos em sua área total durante a operação, isto é, sob a pressão exercida pelo eletrólito do fluxo.

[028] A formação lateral dos eletrodos ou substratos de eletrodo é preferencialmente realizada pelos processos bidimensionais de separação de definição de contorno como corte por jato de água, corte a laser ou decapagem de forma, sendo particularmente preferencial o corte por jato de água. Dependendo da estrutura da construção, particularmente dos elementos da estrutura, a introdução das ranhuras da vedação pode adicionalmente ser necessária, neste caso, eles são preferencialmente introduzidos por fresagem ou erosão em tanque, sendo particularmente preferencial por fresagem (opcionalmente também fresagem HSC).

[029] O número e o tamanho dos eletrodos, particularmente dos ânodos, e, portanto, sua área total A que é efetiva no processo define, juntamente com o coeficiente de transferência de massa km alcançado na célula, a corrente elétrica introduzida I = j -A e o volume total V do eletrólito a ser tratado (água residual), a taxa de diminuição (geralmente dependente do tempo devido aos efeitos de saturação) da demanda de oxigênio químico. O dimensionamento deve consequentemente ser tal que, em um valor inicial estabelecido, um valor final desejado do COD pode ser alcançado em um período de tempo normalmente estabelecido.

[030] Para alcançar as propriedades de transferência de massa particularmente boas em uma determinada área de ânodo total, ainda que esteja atingindo uma queda de pressão que não é muito alta na célula, é vantajoso na próxima etapa combinar o número (e assim, o tamanho) do eletrodo, seu espaçamento mútuo e a largura e o espaçamento mútuo das fendas ou linhas de fendas entre si e para o fluxo do eletrólito através da célula, apropriadamente. Aqui, pode ser assumido que um aumento no número de eletrodos fluidicamente conectados em série, uma redução no espaçamento livre entre os eletrodos, um aumento na sua espessura, uma redução na largura da fenda nos eletrodos, um aumento no espaçamento mútuo das fendas ou linhas de fendas nos eletrodos e um aumento no fluxo de eletrólitos através da célula levarão, em cada caso, a um aumento, tanto no coeficiente de transferência de massa como em um aumento na queda de pressão. O aumento na queda da pressão sempre ocorre em uma energia mais alta dos respectivos parâmetros mencionados aqui do que o aumento no coeficiente de transferência de massa e, portanto, tem que ser considerado no projeto. As larguras da fenda variando entre 0,1 a 1,5 mm, os espaçamentos da fenda variando entre 2 mm a 10 mm e os espaçamentos livres do eletrodo variando entre 0,1 mm a 0,5 mm foram considerados preferenciais. As larguras da fenda variando entre 0,2 a 0,8 mm, os espaçamentos da fenda variando entre 3 mm a 8 mm e os espaçamentos livres do eletrodo variando entre 0,2 mm a 0,4 mm podem ser considerados particularmente preferenciais, com a largura da fenda preferencialmente não sendo maior do que metade da espessura do eletrodo. Além das representações da célula da invenção na qual o espaçamento das fendas ou linhas de fendas em cada eletrodo e também em todos os eletrodos na célula varia por não mais do que ±10% e é particular e preferencialmente constante também pode ser considerado vantajoso. As representações da célula da invenção na qual o espaçamento mútuo das fendas adjacentes ou linhas de fendas nos eletrodos adjacentes varia por não mais do que ±10%, sendo particularmente preferencial que a constante também possa ser considerada vantajosa. Por razões de fabricação, pode ser vantajoso configurar a organização das fendas ou linhas de fendas por uma equivalência adequada a partir da uma linha de simetria do contorno externo do eletrodo de uma maneira que a geometria dos ânodos seja derivada da geometria dos cátodos pelo reflexo do espelho sobre o eixo ou rotação em 180° ou vice-versa.

[031] Os elementos da estrutura organizados entre os eletrodos podem, em cada caso, consistir em um componente único ou na pluralidade de componentes, com funções como espaçador, elemento de isolamento elétrico e elemento de vedação fluídica, com capacidade opcional de serem distribuídos por esses componentes. No caso mais simples, os elementos da estrutura consistem em um material eletricamente isolante uniforme que possui um comportamento de deformação elástica definido (opcional e parcialmente plástico) e tem uma espessura uniforme. Uma construção semelhante à camada dos elementos da estrutura com uma camada de isolamento elétrico e elástico sobre as duas superfícies de vedação e um material essencial mais forte (por exemplo, na forma de folha ou tecido) que dá ao elemento da estrutura uma força mecânica adicional também é possível. Ao mesmo tempo, a pressão definida de tal elemento da estrutura entre os eletrodos leva a um espaçamento livre definido, vedação fluídica e também a um efeito de isolamento elétrico entre os eletrodos, em cada caso, adjacentes ao elemento da estrutura. Neste caso, a preferência é dada ao uso de materiais elastoméricos, particularmente aqueles que possuem uma alta resistência química, nos quais um efeito de vedação confiável é alcançado mesmo em baixas pressões de compressão na área. Um dimensionamento amplo da largura da vedação, com valores que variam de 5 mm a 15 mm que foi considerado útil aqui, permite a variação na altura da vedação sobre uma ampla gama de forças de fixação para ser mantido tão baixo que a definição suficientemente exata dos espaçamentos do eletrodo seja possível mesmo em uma definição muito preliminar dessas forças de fixação (por exemplo, pelos torques de aperto dos parafusos usados para fixação). Tais elementos da estrutura de peça única podem vantajosamente ser fabricados por, por exemplo, corte por jato de água ou selagem a partir de filmes elastoméricos comerciais e são adequados para construções muito simples, baratas e compactas de uma célula de eletrodo microlamelar, de acordo com a invenção, quando os requisitos de pressão, temperatura e resistência química que estes elementos têm que cumprir não forem muito altos. Se as peças semiacabadas feitas de um material adequado que têm a espessura desejada estiverem disponíveis, essa representação do elemento da estrutura poderá ser considerada preferencial.

[032] Em uma outra representação possível dos elementos da estrutura, estes consistem em uma estrutura do espaçador que tem uma espessura definida e é, em cada caso, feita de um material eletricamente isolante ou é revestida, pelo menos no lado virado para os eletrodos, com o isolamento elétrico e também de um elemento de vedação elástica que juntamente com a estrutura do espaçador é instalado no intervalo entre os eletrodos definidos por essa estrutura do espaçador. O elemento de vedação está preferencialmente, em cada caso, localizado estreitamente na estrutura do espaçador para que as últimas ações como elemento de suporte, isto é, o elemento de vedação seja suportado diante da pressão do presente eletrólito na célula. Dessa maneira, é possível realizar os elementos da estrutura que também permitem a vedação entre os eletrodos na presença das pressões relativamente altas do eletrólito. Devido à manipulação melhorada, também pode ser vantajoso para o elemento de vedação a ser unido de forma adesiva (por exemplo, pela vulcanização na parte de cima ou de dentro) ao elemento do espaçador.

[033] Em uma terceira variante dos elementos da estrutura, estes consistem em uma estrutura do espaçador que tem uma espessura definida e é, em cada caso, feita de material eletricamente isolante ou é revestida, pelo menos no lado virado para os eletrodos, com isolamento elétrico e também em um ou dois elementos de vedação elástica inseridos nas ranhuras nos eletrodos adjacentes. Ao mover a função de vedação para a região dos eletrodos, essa representação torna possível o uso até mesmo de estruturas do espaçador muito finas que podem preferencialmente ser produzidas a partir de películas finas do polímero, particularmente preferencial a partir das películas do fluoropolímero (por exemplo, PTFE, PFA ou FEP). Os espaçamentos de intereletrodo particularmente pequenos podem consequentemente ser realizados dessa maneira. A fabricação das estruturas do espaçador podem ser realizadas com um pequeno investimento, por exemplo, por corte a laser ou por jato de água, em números maiores sendo também particularmente econômica por selagem. Como os elementos de vedação, a preferência é dada aos anéis O-ring que estão disponíveis em uma ampla variedade de dimensões e materiais (por exemplo, NBR, EPDM, FKM ou FFKM). Dependendo da rigidez da estrutura do espaçador, dois elementos de vedação diretamente opostos entre si ou dois elementos de vedação que são equiparados em uma direção paralela são usados. No caso de estruturas muito finas do espaçador que têm uma baixa rigidez de curvatura, também pode ser suficiente usar somente um elemento de vedação por estrutura do espaçador.

[034] Para o contato elétrico dos eletrodos, foi considerado vantajoso providenciar guias de contato de uma maneira que estas guias instaladas sejam projetadas a partir da pilha de eletrodos e possam então ser conectadas com o respectivo polo da fonte de energia fora do volume da célula na qual o eletrólito está presente. No caso mais simples e preferencial, as guias de contato são um constituinte integral da geometria dos eletrodos ou substratos do eletrodo e assim resultam diretamente da fabricação. As guias de contato particularmente preferenciais têm um orifício e são empilhadas de uma maneira que os orifícios das guias, que em cada caso pertencem à mesma polaridade do eletrodo (ânodo/cátodo), fiquem organizados de maneira nivelada entre si; as arruelas de contato cuja espessura corresponde ao espaçamento livre entre os eletrodos adjacentes da mesma polaridade são inseridas entre as guias de contato adjacentes e os eletrodos de mesma polaridade são, dessa maneira, eletricamente conectados em sua totalidade ou em grupos, por exemplo, por aparafusamento, e podem receber uma linha de entrada comum para a fonte de energia.

[035] A célula de eletrólise da invenção é preferencialmente usada para a degradação eletro-oxidativa, em particular, dos contaminantes orgânicos em águas residuais que são obtidos localmente em quantidades ou fluxos relativamente pequenos a médios com poluição de COD moderada, mas, devido ao seu efeito nocivo nas massas de água não podem ser introduzidos diretamente em uma rede de água residual pública ou uma estação de tratamento de água biológica. Exemplos de tais impurezas são compostos ativos das formulações ou medicamentos fitossanitários, resíduos da produção ou manipulação de substâncias químicas e também resíduos de propelentes e/ou agentes de limpeza. O uso da célula de eletrólise da invenção parece ser particularmente útil no caso de ocorrência da água residual de poucos 10 l/h até poucos 1000 l/h no conteúdo do COD de poucos 0,1 g/l até poucos 10 g/l.

[036] Assim como os parâmetros operacionais para uso nesses campos de aplicação, foi considerado útil empregar densidades de corrente numa variação de 1 kA/m2 a 5 kA/m2, preferencialmente na variação de 2 kA/m2 a 3 kA/m2, e também fluxos de circulação através da célula que levam a velocidades superficiais nas aberturas da fenda nos eletrodos na variação de 0,3 m/s a 3 m/s, com um aumento na velocidade de fluxo geralmente levando a um aumento no rendimento atual da célula na faixa operacional limitada pelo transporte. O rendimento atual da célula na faixa operacional limitada pelo transporte pode ser aumentado mesmo ainda pela adição de sulfatos solúveis (por exemplo, o NaSO4) em uma faixa de concentração que varia de cerca de 2 g/l a cerda de 50 g/l, preferencialmente de 5 g/l a cerca de 20 g/l.

[037] Devido às propriedades de transferência de massa otimizadas da célula de eletrólise da invenção, isso pode ser usado não somente para o tratamento eletro-oxidativo de água, mas também pode ser vantajosamente empregado em outros campos nos quais o alto potencial de oxidação das espécies localizadas nos ânodos (por exemplo, os radicais hidroxila livres) devem ser usados para a reação química dos constituintes do eletrólito. Exemplos de tal uso vantajoso da célula do eletrodo microlamelar podem ser encontrados na síntese eletrolítica das substâncias químicas, por exemplo, os oxidantes fortes como ozônio, peróxido de hidrogênio, peroxodissulfatos, peroxocarbonatos, permanganatos etc., especialmente quando a reação bastante completa das substâncias iniciais (formas reduzidas) com um alto rendimento de corrente for exigida, e também na esterilização eletroquímica da água.Os exemplos a seguir ilustram o desempenho das células de eletrólise da invenção com a ajuda de representações específicas da célula e a instrumentação, mas sem restringir o seguinte:

Exemplo 1: Oxidação eletroquímica com o uso de uma célula de geometria convencional

[038] Uma água residual sintética que contém 2 g/l de fenol e 1 g/l de cloreto de sódio na água desionizada foi criada. 3 l da solução foram colocados no aparelho experimental consistindo em um reservatório e um recipiente de retorno com medição de pH e extração de gás, bomba centrífuga, fluxímetros e célula de eletrólise e misturados com 120 g de sulfato de sódio. A solução foi subsequentemente tratada eletroquimicamente em temperatura ambiente por 5 horas e 30 minutos a 100 mA/cm2 (correspondendo a 16 A) e um fluxo de volume de circulação de 950 l/h com o uso de uma célula de eletrólise de laboratório comercialmente disponível que possui eletrodos de metal expandidos. As malhas de metal expandidas soldadas nos placas circulares da estrutura têm uma abertura de malha de cerca de 7,5 mm, uma largura de rede de cerca de 2,4 mm, uma espessura de cerca de 2,0 mm e foram alinhadas aproximadamente em paralelo uma a outra entre os níveis, mas não estavam em nenhuma posição definida entre si. Os ânodos e cátodos foram dispostos diretamente de maneira alternada (“AKAK”). O espaçamento livre entre os eletrodos adjacentes foi de cerca de 1,5 mm e sua área ativa foi de 40 cm2. A condutividade da solução no início do experimento foi de 45 mS/cm, com uma voltagem de 6.2 V sendo estabelecida no eletrodo. A entrada de energia durante o experimento foi ajustada manualmente uma série de vezes a fim de manter um valor constante. Durante o período de experimento, as amostras foram tiradas e analisadas a respeito do COD e do fenol. Com o decorrer do tempo, o curso dos valores de COD medidos é mostrado na Figura 7a) juntamente com uma curva de modelo ajustada.

Exemplo 2: Oxidação eletroquímica com o uso da célula do eletrodo microlamelar de acordo com a invenção

[039] Uma água residual sintética foi criada pelo mesmo método como no Exemplo 1. A mesma quantidade de água residual foi misturada com a mesma quantidade de sulfato de sódio como no Exemplo 1 e tratada eletroquimicamente por 3 horas em uma densidade de corrente de 167 mA/cm2 (correspondente a 32 A) com o uso de uma célula de eletrodo microlamelar de acordo com a invenção no mesmo fluxo de volume do Exemplo 1. A célula recebeu eletrodos de 2 mm de espessura que foram fornecidos com fendasde 0,7 mm de largura e uma organização paralela regular com umespaçamento livre entre si, em cada caso, de 6,7 mm. As fendas foram posicionadas para que ficassem, em cada caso, localizadas precisamente no meio entre as fendas dos eletrodos adjacentes na pilha de eletrodos. O número e a sequência dos eletrodos foram selecionados de forma a ficarem idênticos àqueles na célula comparativa do Exemplo 1. A área ativa dos eletrodos era, em cada caso, de 48,5 cm2, e seu espaçamento livre foi de 0,3 mm. No início do experimento, uma condutividade de 46 mS/cm foi medida e uma voltagem de 5,8 V foi estabelecida. Durante o experimento, as amostras foram tiradas e analisadas a respeito do COD e do fenol. Com o decorrer do tempo, o curso dos valores de COD medidos é mostrado na Figura 7b) juntamente com uma curva de modelo ajustada. Uma comparação com a Figura 7a) mostra claramente que o valor de COD, no qual a redução de COD linear limitada à corrente passa para uma diminuição de COD exponencial limitada ao transporte, é substancialmente reduzido, apesar da densidade de corrente inicial mais alta. A modelagem das curvas oferece um coeficiente de transferência de massa para a célula de eletrodo microlamelar que é um fator 3 a 4 mais alto do que no caso da célula convencional, sendo assim, os períodos de tratamento significativamente mais curtos combinados com uma eficiência de corrente geral mais alta e (também em combinação com uma queda de voltagem menor sobre a célula) uma entrada de energia total reduzida são obtidos.A invenção é ilustrada por meio do exemplo com a ajuda das figuras a seguir, mas sem restringir-se às mesmas. As figuras mostram:Figura 1 Uma célula de eletrodo microlamelar de acordo com ainvenção na visão em perspectiva e parcialmente em cortediagonal;Figura 2 Uma célula de eletrodo microlamelar de acordo com ainvenção em duas visões laterais mutuamente ortogonais, em cada caso, cortada longitudinalmente na metade;Figura 3 Esboços ilustrativos da base do eletrodo que possui diferentes representações das fendas contidas nele;Figura 4 Uma seção longitudinal esquemática por meio de uma pilha de eletrodos (parte), visualizada na direção do alinhamento das aberturas da fenda nos eletrodos, e também um esboço ilustrativo da base do eletrodo, em cada caso com a designação dos parâmetros geométricos relevantes;Figura 5 Uma seção longitudinal esquemática por meio de uma pilha de eletrodos (parte) com diferentes representações dos elementos da estrutura;Figura 6 Representações ilustrativas simplificadas das possíveis variantes de instalação da célula de eletrodo microlamelar em uma fábrica para o tratamento eletro-oxidativo da água residual;Figura 7 Curso medido e calculado com o decorrer do tempo do COD (demanda de oxigênio químico) nos experimentos ilustrativos usando uma célula convencional (a) ou a célula de eletrodo microlamelar (b).

[040] A Figura 1) mostra a célula de eletrodo microlamelar (1) de acordo com a invenção na visão em perspectiva, parcialmente cortada para ilustrar a estrutura interna: uma pluralidade de ânodos (5a) e cátodos (5b) são agrupados com os elementos da estrutura (7) compostos de película elastomérica dispostas entre eles para formar uma pilha (6 - vide Fig. 2) que é fixada de uma maneira hermética entre uma entrada (2) e uma saída (3). Os eletrodos são fornecidos com as fendas equidistantes paralelas que ficam equiparadas entre si na metade de seu ponto médio de espaçamento nos planos adjacentes para que o eletrólito percorra um caminho sinuoso com divisão repetida e recombinação em cada eletrodo ao passar através da pilha de eletrodos. Cada um dos eletrodos é fornecido com uma guia de conexão (8) que se projeta como uma lingueta, de outro modo, a partir do perfil de base essencialmente circular dos eletrodos. As guias de conexão de todos os ânodos se projetam de uma maneira concomitante em um lado da pilha, enquanto que as guias dos cátodos se projetem no lado oposto. As arruelas de contato, cuja espessura corresponde à espessura de um eletrodo da polaridade oposta mais a espessura de dois elementos da estrutura e assim preenchem completamente o espaço entre as guias de contato, são inseridas entre as guias de conexão adjacentes. A fixação das guias de contato organizadas opostamente entre si por meio de, em cada caso, um pino de contato (10) une todos os ânodos e todos os cátodos de uma maneira condutiva e estes são então conectados paralelamente como um agrupamento para o respectivo polo da origem da corrente.

[041] A Figura 2) mostra a célula de eletrodo microlamelar representada na Figura 1 em duas visões laterais mutuamente perpendiculares, em cada caso, em meia seção por meio do nível médio (a) ou levemente equivalente ao mesmo (b). A visão direcional aqui segue perpendicular em a) e paralela em b) para o nível médio da célula definido pelos eixos dos pinos de contato e seguindo paralelamente para as fendas e também para a direção do fluxo principal do eletrólito.

[042] A Figura 3) mostra três esboços ilustrativos da base do eletrodo que possui diferentes representações das aberturas de fenda (4) introduzidas nela. Embora elas possam estender a seção cruzada inteira do influxo (geralmente definida pelo contorno interno dos elementos da estrutura), especialmente no caso de eletrodos relativamente pequenos e relativamente espessos, conforme mostrado na Figura 3a), às vezes é vantajoso, particularmente no caso de eletrodos relativamente grandes e/ou relativamente finos, suportar as lamelas do eletrodo em funcionamento entre as aberturas da fenda, umas contra as outras, em distâncias específicas pela interrupção das fendas (Figura 3b/c). Dessa maneira, as linhas paralelas das fendas (40) substituem as fendas originais (4). Por exemplo, as redes de sustentação entre as lamelas podem ser distribuídas em alinhamentos comuns pelo eletrodo, conforme mostrado na Figura 3b). Como alternativa, um sistema equidistante como na Figura 3c), por exemplo, também é possível, sendo que, no caso de um comprimento uniforme das linhas das fendas (por exemplo, no caso de uma seção cruzada retangular do influxo do eletrodo), pode também coincidir com o caso 3b). Além disso, os sistemas irregulares das redes de sustentação são possíveis e podem também, dependendo da forma da seção cruzada do influxo do eletrodo, ser vantajosos, por exemplo, por razões estáticas ou hidrodinâmicas.

[043] A Figura 4) mostra os parâmetros geométricos relevantes hidrodinamicamente da pilha de eletrodos ou dos eletrodos e respectivos elementos geométricos: A Figura 4a) mostra, na forma reduzida esquematicamente, a seção de uma pilha de eletrodos de uma célula de eletrodo microlamelar na seção perpendicular longitudinal para a orientação das aberturas da fenda ou linhas de fendas. A espessura do eletrodo d, o espaçamento livre do eletrodo h, a largura da fenda b, o espaçamento livre da fenda w e os espaçamentos x1 e x2 das fendas adjacentes nos eletrodos são indicados aqui. Na forma mais geral da célula de eletrodo microlamelar da invenção, esses parâmetros podem variar dentro dos limites especificados nas reinvindicações em cada eletrodo e entre os eletrodos, para que, por exemplo, as distâncias de uma fenda de todas as suas adjacências (até seis) sejam diferentes em limites específicos. A Figura 4b) ilustra a definição da largura b e o comprimento das fendas l ou das linhas das fendas L.

[044] A Figura 5) mostra por meio do exemplo, com a ajuda de uma seção de uma pilha de eletrodos de uma célula de eletrodo microlamelar representada na forma reduzida esquematicamente na seção longitudinal, uma série de representações possíveis dos elementos da estrutura (7). Estes são, no caso mais simples (Figura 5a), cortados de uma película planar elastomérica (20). Para aumentar a força de compressão, esta película elastomérica pode também ser reforçada por um núcleo rígido (21, por exemplo, película metálica, fio ou trançado de fibras) (Figura 5b). A construção dos elementos da estrutura de um elemento de vedação (7b) composta por material elastomérico (20) e um elemento do espaçador (7a) que é organizado externamente e é composto por um material eletricamente isolante rígido (22), que assume assim uma função de suporte para o elemento de vedação, pode, da mesma forma, servir para a estabilização junto à pressão interna na célula. O elemento do espaçador pode, por sua vez, ser criado em um pedaço de material uniforme (Figura 5c) ou como elemento composto com o reforço integrado (21) (Figura 5d). Se pequenos espaçamentos muito pequenos de eletrodo tiverem que ser alcançados, a relocação espacial da função de vedação nas ranhuras nos eletrodos podem ser úteis para permitir uma distância de pressão suficiente dos elementos de vedação em uma deflexão/pressão de mola relativa apropriada (isto é, não muito alta). As Figuras 5e) a 5h) descrevem as configurações possíveis do elemento do espaçador (7a) para este propósito, às vezes também com reforço (21), e os diferentes sistemas dos elementos de vedação (7b, por exemplo, como anel O-ring: 23). A representação mostrada na Figura 5h) é possível quando um elemento do espaçador flexível que é pressionado suficientemente forte pelo elemento de vedação (7b ou 23) contra a superfície do eletrodo do lado oposto do elemento de vedação é usado.

[045] A Figura 6) mostra, de forma ilustrativa e bastante simplificada, os modos possíveis de operação da célula de eletrodo microlamelar da invenção. Na maioria dos casos, será útil o modo circulatório da operação representada na Figura 6a), no qual a água residual a ser tratada é introduzida em determinada quantidade em um reservatório (30) e é transportada para tratamento nos ciclos repetidos por meio de uma bomba (31) através da célula (1 ou E). Durante cada passagem, ocorre apenas uma diminuição relativamente pequena no COD, como resultado da concentração de contaminantes na célula ser, em cada caso, amplamente homogênea. O processo pode ser monitorado por meio de vários sensores (por exemplo, por pressão, fluxo de massa, temperatura, pH, condutividade, etc.) ou métodos analíticos em linha e, se apropriado, controlados/regulados. Em casos específicos, especialmente no caso dos valores iniciais de COD não muito altos e valores de COD de meta não muito baixos, é possível e pode ser útil tratar a água residual em uma única passagem através da célula. Para alcançar as velocidades mínimas de fluxo na célula necessárias para uma transferência de massa suficientemente boa, a célula tem que conter um número comparativamente grande de eletrodos relativamente pequenos. Além disso, as geometrias do eletrodo que possui áreas de seção cruzada da fenda particularmente pequenas por eletrodo e espaçamentos de intereletrodo particularmente baixos são úteis para este propósito. Em comparação com a operação circulatória, uma bomba que tem uma alta pressão com um fluxo de volume comparativamente pequeno é requerida aqui. Além disso, ela pode às vezes ser vantajosa para uma pluralidade de células de eletrodo microlamelar que possuem diferentes geometrias de eletrodo e configurações (com uma queda de pressão aumentando na direção do fluxo) e opcionalmente com densidade de corrente gradativa (diminuindo na direção do fluxo) a serem fluidicamente conectadas em séries (Figura 6c).

[046] A Figura 7) mostra o curso com o decorrer do tempo do COD nos dois exemplos de uso descritos acima. O gráfico 7a) mostra o curso do COD em uma amostra de água residual sintética (volume inicial: 3 l) que contém 2 g/l de fenol, 1 g/l de NaCl e 40 g/l de NaSO4 durante o tratamento eletrolítico usando uma célula de eletrólise do laboratório disponível comercialmente que tem eletrodos de metal expandidos em uma produtividade de eletrólito de 950 l/h e 16 A (correspondente a 100 mA/cm2). Um ajuste de uma curva do modelo fornece um coeficiente de transferência de massa de cerca de 4,63*10-5 m/s para esse experimento. Comparativamente, o gráfico 7b) mostra o curso do COD em uma amostra comparativa que possui a mesma composição e a quantidade inicial, que foi tratada no mesmo fluxo de volume de circulação em 32 A (correspondente a cerca de 167 mA/cm2) usando uma célula de eletrodo microlamelar. Neste caso, a avaliação com o uso do modelo do processo fornece um coeficiente de transferência de massa de 1,65*10-4 m/s, para que o processo de divisão possa, apesar de uma densidade de corrente mais alta, ser operado em uma faixa de COD maior com eficiência total de corrente e os tempos de processo significativamente menores podem, portanto, ser alcançados. Neste exemplo, a célula de eletrodo microlamelar têm o mesmo perfil de base e seção cruzada do influxo que a célula comparativa convencional, com o mesmo número de eletrodos, mas altura de construção menor. Devido à porosidade menor dos eletrodos, uma área ativa maior por eletrodo e, portanto, também uma melhor utilização da área dos substratos, foram obtidas para a célula de eletrodo microlamelar.Lista de numerais de referência:1 Célula de eletrodo microlamelar2 Entrada3 Saída4 Abertura/fenda no eletrodo5 Eletrodo5a Ânodo5b Cátodo6 Pilha de eletrodos7 Elemento da estrutura7a Elemento do espaçador7b Elemento de vedação8 Guia de contato (a: ânodo/b: cátodo)9 Arruela de contato10 Pino de contato11 Parafuso de fixação feito de material eletricamente isolante20 Película/revestimento elastomérico 21 Elemento de reforço22 Película/revestimento de isolamento23 Anel O-ring30 Reservatório (reservatório de água residual)31 Bomba40 Linha de fendas

Claims (16)

1. Célula de eletrólise que consiste em pelo menos uma entrada e pelo menos uma saída para o eletrólito, além de consistir em um número de eletrodos planares providos de aberturas pelas quais o fluxo pode ocorrer, dos quais pelo menos um é, por meio do revestimento funcional, configurado como ânodo que tem um sobrepotencial aumentado para a formação do oxigênio comparado ao eletrodo de hidrogênio padrão e pelo menos um eletrodo adicional é configurado como contraeletrodo (cátodo), tais eletrodos, com base em sua polaridade, estão dispostos em uma sequência alternada ou alternada em pares para formar uma pilha, além de consistir em uma série de elementos da estrutura que, em cada um dos casos, estão dispostos individualmente entre os eletrodos adjacentes, onde os elementos da estrutura garantem simultaneamente um isolamento elétrico mútuo, uma vedação mútua de fluido e um espaçamento definido entre os eletrodos adjacentes, assim, a pilha de eletrodos formada dessa maneira é instalada entre a entrada e a saída, de uma forma que um caminho eletrolítico pelo qual o fluxo pode ocorrer e que é vedado fluidicamente a partir dos arredores, seja formado a partir da entrada através da pilha de eletrodos até a saída, caracterizada por eletrodos adjacentes terem um espaçamento livre mútuo de não mais do que 0,5 mm, as aberturas pelas quais o fluxo pode ocorrer nos eletrodos serem configuradas como fendas ou linhas de fenda paralelas que rompem os eletrodos essencialmente de forma perpendicular à sua superfície, onde as fendas individuais têm uma largura de não mais do que 1,5 mm e um comprimento de pelo menos três vezes a largura e têm um espaçamento livre perpendicular à sua dimensão máxima de pelo menos duas vezes a largura da fenda efendas ou linhas de fendas nos eletrodos adjacentes, em cada caso, operarem paralelamente entre si e estarem dispostas em uma forma de equivalência definida entre si perpendicularmente à dimensão máxima das fendas ou linhas de fendas de uma forma que o espaçamento entre uma linha de fendas em um eletrodo para cada linha de fendas imediatamente adjacente nos eletrodos diretamente adjacentes varie por não mais do que 25%.

2. Célula de eletrólise de acordo com a Reivindicação 1, caracterizada pelos ânodos serem revestidos com diamante ou carbono tipo diamante que tornou-se eletricamente condutivo (por exemplo, ao dopar com boro).

3. Célula de eletrólise de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizada pelos ânodos consistirem em um material de base, onde o material de base é um metal.

4. Célula de eletrólise de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo metal ser selecionado a partir do grupo que consiste em nióbio, tungstênio, tântalo, titânio, silicone dopado e ligas desses metais.

5. Célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelos cátodos serem feitos de um material que é selecionado a partir do grupo que consiste em aços inoxidáveis, ligas à base de níquel, cobre (ligas) e alumínio (ligas).

6. Célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pela largura das fendas ser inferior a metade da espessura dos eletrodos.

7. Célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pela largura das fendas assumirem valores de 0,2 mm a 0,8 mm.

8. Célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo espaçamento das fendas ou linhas de fendas no interior de cada eletrodo e também em todos os eletrodos dentro da célula variar por não mais do que ±10% e assumir valores na variação de 2 mm a 10 mm.

9. Célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo espaçamento livre mútuo entre os eletrodos adjacentes assumir valores de 0,2 mm a 0,4 mm.

10. Célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada pelos eletrodos terem uma espessura que na faixa de 0,2 mm a 1,5 mm.

11. Célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizada pelos elementos da estrutura dispostos entre os eletrodos serem configurados como película elastomérica de vedação plana cuja espessura define o espaçamento mútuo dos eletrodos e que, ao mesmo tempo, produz a vedação fluídica entre os eletrodos adjacentes ou consistirem em uma estrutura não-elastomérica cuja espessura define o espaçamento mútuo dos eletrodos e, além disso, de um ou dois elementos de vedação elastomérica que fornecem a vedação entre os eletrodos ou entre o eletrodo e a estrutura.

12. Célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizada pelos eletrodos serem fornecidos em seu perímetro externo com guias de contato por meio das quais a entrada ou saída da corrente pode ser realizada sem o contato das guias de entrada e dos elementos de conexão com o eletrólito.

13. Processo para a produção de uma célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelos eletrodos serem constituídos por um corpo planar inicial (por exemplo, lâminas ou folhas de metal) que possui uma espessura de não mais do que 2 mm predominantemente pela estruturação lateral.

14. Método de operação de uma célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pela célula estar instalada em um equipamento que permite o fluxo através da célula de uma maneira que as velocidades superficiais que variam de 0,3 m/s a 3 m/s sejam alcançadas nas fendas nos eletrodos.

15. Uso da célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12 caracterizado por ser para a degradação eletro-oxidativa dos contaminantes em águas residuais.

16. Uso da célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12 caracterizado por ser para a síntese eletrolítica de substâncias químicas, particularmente os oxidantes.

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