BR112017006758B1

BR112017006758B1 - Reator de eletrocoagulação

Info

Publication number: BR112017006758B1
Application number: BR112017006758-7A
Authority: BR
Inventors: Dana Casbeer; Larry Knight; Rudolf Matousek; Rubin Bariya
Original assignee: De Nora Water Technologies, LLC
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2021-12-28
Also published as: MY189037A; EP3204335A4; CN106795013A; IL251255B; US20160101996A1; RU2017115348A; AU2015328479A1; ES2747638T3; CA2960825A1; EP3204335A1; US10343937B2; WO2016057286A1; BR112017006758A2; CL2017000800A1; RU2698690C2; EP3204335B1; PH12017500620B1; SG11201702579YA; AU2015328479B2; JP2017530004A

Abstract

reator de eletrocoagulação. um aparelho reator de eletrocoagulação (ecr) e os métodos de uso do aparelho ecr no tratamento de um curso de fluidos. o aparato ecr inclui uma célula cilíndrica não corrosiva alojando diversas placas de eletrodos empilhadas horizontalmente. as placas de eletrodos são fixadas a um par de insertos não condutivos ranhurados em formato de meia-lua. o aparelho ecr inclui ainda dois flanges de extremidade, cada um tendo diversores de fluxo integrados para promover um único fluxo em serpentina contínuo do fluido na célula. o aparelho ecr inclui ainda uma única entrada de fluxo e uma única saída de fluxo.

Description

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[0001] As presentes informações relacionam-se de forma geral ao tratamento de água e, mais especificamente, a um aparelho de eletrocoagulação para o tratamento de efluentes industriais e marítimos.

[0002] A eletrocoagulação pode ser usada no tratamento de efluentes. A eletrocoagulação envolve o uso de corrente elétrica para remover contaminantes do efluente. O termo “efluente”, conforme adotado no presente, inclui qualquer curso de água do qual se deseja remover um contaminante, mesmo que tal contaminante não seja necessariamente nocivo à saúde. Os contaminantes podem incluir metais pesados, bactérias, Demanda bioquímica de oxigênio (DBO), Demanda química de oxigênio (DQO), Sólidos totais dissolvidos (STD), Sólidos totais suspensos (STS), vírus, pesticidas, arsênico, MTBE e cianeto. Os contaminantes podem estar suspensos na água por cargas elétricas. Considerando-se que a eletrocoagulação não envolve o uso de aditivos químicos ou biológicos, ela é um processo de tratamento ambientalmente seguro.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0003] Os diversos aspectos, características e vantagens de certas formas de realização exemplares da presente invenção ficarão mais claros por meio da seguinte descrição, considerada em conjunto com os desenhos anexos, nos quais:

[0004] As Figs. 1A e 1B representam duas visualizações de um aparelho reator de eletrocoagulação, de acordo com a realização da invenção.

[0005] A Fig. 2 é uma visualização esquemática dos componentes de um aparato reator de eletrocoagulação, de acordo com a realização da invenção.

[0006] A Fig. 3 é uma perspectiva de uma armação de vedação de eletrodos, de acordo com a realização da invenção.

[0007] A Fig. 4 é um corte dos flanges de extremidade e eletrodos, de acordo com a realização da invenção.

[0008] A Fig. 5 e a Fig. 6 são perspectivas de um aparelho reator de eletrocoagulação, formado por uma armação de vedação de eletrodos contendo diversas placas de eletrodos, de acordo com a realização da invenção.

[0009] A Fig. 7 é uma perspectiva de um aparato reator de eletrocoagulação, formado por uma armação de vedação de eletrodos, de acordo com a realização da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0010] O tratamento de efluentes envolve a passagem de um curso de efluentes contaminado através de um dispositivo de eletrocoagulação (EC). Os dispositivos EC convencionais incluem uma célula eletrolítica com um ou mais pares de placas metálicas condutivas, dispostas em uma configuração empilhada vertical. Cada um desses pares inclui uma placa que age como um cátodo, e outra placa que age como um ânodo. Os eletrodos ficam submersos na água a ser tratada. O ânodo pode ser obtido na forma de ferro, aço, aço inoxidável, alumínio, titânio, liga de titânio ou outras ligas metálicas para a fundição de válvulas.

[0011] Quando é aplicada corrente elétrica à célula eletrolítica, o material do ânodo começará se dissolver/erodir eletroquimicamente devido à oxidação na superfície do ânodo, enquanto a superfície do cátodo será exposta a passivação e não se dissolverá. O ânodo dissolvido é chamado de “eletrodo de sacrifício”. O eletrodo de sacrifício libera íons (ferro) continuamente na água. Os íons liberados desestabilizam as cargas dos contaminantes suspensos no curso de efluentes. Isso inicia um processo de coagulação por meio da produção de agregados ou partículas floculentas, as quais são locais de nucleação para os contaminantes, que então se desprendem da solução. Essas partículas floculentas, ou flocos, são controladas ou por flotação, ou por sedimentação gravitacional em uma câmara, ou em um banho de eletrólito.

[0012] Os dispositivos EC convencionais incluem um tanque contendo inúmeras placas de eletrodos metálicos, ou eletrodos dispostos em uma configuração empilhada vertical, por meio da qual os eletrodos podem ser dispostos paralelamente uns aos outros. É importante substituir os eletrodos periodicamente. Por exemplo, no caso de eletrodos feitos de um substrato não catalítico condutivo, dotados de um revestimento eletrocatalítico, o revestimento pode ser desativado com o tempo, devido ao consumo, desprendimento do substrato, passivação do próprio substrato na área de contato com o revestimento eletrocatalítico, ou por outros motivos. Os dispositivos EC convencionais são bastante grandes e fiam-se em técnicas de flotação por ar dissolvido, que exigem ampla manutenção. Eles também exigem uma logística para o escoamento/transferência de sólidos, a qual, geralmente, os operadores de plataformas de petróleo e gás offshore não desejam gerenciar. Consequentemente, a tecnologia EC não foi amplamente adotada em plataformas de petróleo e gás offshore para o tratamento de efluentes.

[0013] Desse modo, há uma necessidade por um aparelho EC que seja durável e exija manutenção mínima ao longo da sua vida útil. Ele deve ser capaz de ser implementado em uma área útil relativamente pequena, de forma que possa ser utilizado a bordo de pequenos navios marítimos. Ele deve ser de fabricação e construção fácil e eficiente, a partir de componentes prontamente disponíveis. Ele deve ser econômico e seguro para que um operador offshore efetue a manutenção de rotina.

[0014] Os aspectos da presente invenção tratam ao menos dos problemas e/ou desvantagens mencionados acima, e oferecem ao menos as vantagens descritas abaixo. Desse modo, um aspecto da presente invenção oferece um método e um aparelho reator de eletrocoagulação (ECR) para o tratamento de cursos de água.

[0015] De acordo com uma realização, um aparelho ECR para o tratamento de cursos de água é apresentado. O curso de água pode incluir um curso de efluentes ou de qualquer outro líquido, tal como, um curso líquido de metal pesado. O aparelho ECR inclui: (A) uma célula cilíndrica; e (B) uma armação de vedação de eletrodos. A célula possui uma câmara ou corpo cilíndrico ou em formato de tambor para receber a armação de vedação de eletrodos. A armação de vedação de eletrodos pode incluir: (i) um par de insertos opostos, em que cada um dos insertos contém diversas aberturas de inserto; e (ii) uma coluna formando diversas placas de eletrodos. Cada uma dessas placas de eletrodos é empilhada horizontalmente dentro de um par de aberturas de insertos opostas formadas no par de insertos opostos. A armação de vedação de eletrodos é inserida dentro do corpo da célula.

[0016] A parede lateral externa de cada um dos insertos é curvada. As aberturas de inserto podem ser definidas ou formadas em uma parede lateral interna de cada um dos insertos. Cada placa de eletrodos ou eletrodo pode ser posicionado a uma distância pré-determinada de um eletrodo adjacente. Ademais, cada eletrodo pode estar equidistante a um eletrodo adjacente. Cada um dos insertos pode ter formato de meia-lua ou crescente. Cada um dos insertos é configurado para ser não condutivo, removível e substituível. Cada um dos insertos é configurado para desviar o efluente somente para as áreas ativas das diversas placas de eletrodos.

[0017] A parede lateral externa dos insertos forma uma ou mais aberturas de insertos. A célula é formada por paredes laterais cilíndricas, sendo que as paredes laterais cilíndricas da célula formam ainda uma ou mais aberturas. Cada abertura na parede lateral externa dos insertos é alinhada a uma abertura correspondente nas paredes laterais cilíndricas da célula, para formar um furo vazado quando a armação de vedação de eletrodos é inserida dentro da célula. O aparelho ECR pode incluir um dispositivo de travamento. O dispositivo de travamento pode ser roscado no furo vazado para encaixar com firmeza a armação da vedação de eletrodos no corpo da célula.

[0018] As placas de eletrodos formam um par de eletrodos terminais superior e inferior. Diversas placas de eletrodos bipolares são empilhadas centralmente em relação aos eletrodos terminais. Cada placa de eletrodos é empilhada em um alinhamento horizontal com uma placa de eletrodos adjacente. Uma barra condutora pode ser encaixada a ao menos um ou ambos os eletrodos terminais.

[0019] O aparelho ECR também possui um primeiro e um segundo flange. Cada um dos flanges é configurado para vedar uma primeira e uma segunda extremidade da célula cilíndrica. O primeiro e o segundo flanges de extremidade possuem ainda inúmeros diversores de fluxo. Os diversores de fluxo são configurados para facilitar um fluxo em serpentina dos efluentes dentro da célula.

[0020] De acordo com outra realização, um método para tratar um curso de fluidos é apresentado. O método envolve: combinar um curso de água salgada pressurizado com o curso de fluidos para formar um curso de processo; passar o curso de processo pelo aparelho ECR descrito no presente para facilitar a formação de um precipitado floculado, sujeitando o curso de processo a eletrólise utilizando eletrodos, por meio da qual o precipitado floculado compreenderá contaminantes sólidos suspensos. Em outro aspecto, o método envolve passar um curso de efluente líquido pelo aparelho ECR sem combiná-lo com o curso de água salgada pressurizado.

[0021] O método envolve ainda a sedimentação do precipitado e a descarga de um sobrenadante substancialmente livre de contaminantes de um tanque de sedimentação, que é operacionalmente acoplado ao aparelho ECR.

[0022] O método envolve ainda o posicionamento de cada par de aberturas de insertos opostas a uma distância pré-determinada e igual de um par adjacente de aberturas de insertos opostas, de modo a facilitar um fluxo uniforme curso uniforme do curso de processo entre cada uma das placas de eletrodos. O aparato ECR facilita um fluxo em serpentina do curso de processo.

[0023] O método envolve ainda a limpeza das placas de eletrodo in situ em condições de alta pressão.

[0024] As Figs. 1A e 1B são duas visualizações de um aparelho 1A, de acordo com a realização da invenção. O aparelho ECR 100 pode incluir uma célula cilíndrica ou tubular 110. A célula 110 pode ser convenientemente vedada com um par dos primeiros ou segundos flanges removíveis, ou com as tampas de acesso terminais 106 e 108. A célula 110 é configurada para ter formato cilíndrico, de modo a suportar pressões de fluido/hidrostáticas maiores, ao contrário dos dispositivos EC convencionais, que têm um corpo achatado suscetível a arqueamento quando exposto a pressões semelhantes. De forma prática, a célula 110 pode ser fabricada utilizando uma estrutura cilíndrica ou tubular. Por exemplo, a célula 110 pode ser fabricada utilizando qualquer componente industrial padrão ou comumente disponível, tal como um tubo. A célula 110 inclui uma entrada de fluido 102 e uma saída de fluido 104.

[0025] A célula 110 pode ser fabricada com qualquer material não corrosivo e não condutivo adequado. A célula 110 pode ser fabricada, por exemplo, com PVC, outros plásticos, ou um metal revestido. A célula 110 pode ter um tamanho/comprimento/diâmetro adequado.

[0026] A Fig. 2 ilustra os componentes exemplares 200 do aparelho ECR. Os componentes 200 podem incluir uma célula tubular/cilíndrica 110, conforme descrito anteriormente. A célula 110 inclui uma entrada de fluido 102 localizada em um quadrante inferior tangencialmente à célula 110, e uma saída de fluido 104 localizada no quadrante superior tangencialmente à célula 110. A célula 110 inclui ainda uma armação de vedação de eletrodos 202 para alojar diversos de eletrodos.

[0027] Consultando as Figs. 2 e 3, a armação de vedação de eletrodos 202 pode incluir um par de insertos não condutores 302A e 302B. Os insertos 302A e 302B podem ser fabricados com Cloreto de Polivinila (PVC), Cloreto de Polivinil Clorinato (CPVC), Acrilonitrinla Butadieno Estireno (ABS) ou outro material não condutivo adequado.

[0028] A parede lateral interna do inserto 302A é disposta de forma tal que fica voltada para a parede lateral interna do inserto 302B. O inserto 302A pode ser espaçado do inserto 302B a uma distância pré-determinada. As paredes laterais internas de cada inserto 302A e 302B podem incluir diversas ranhuras ou aberturas (não mostradas). Os insertos 302A e 302B são dispostos de forma tal que as aberturas de inserto no inserto 302A ficam substancialmente alinhadas com as aberturas de inserto no inserto 302B, formando, assim, um par correspondente de aberturas de inserto. Cada par de aberturas de inserto é espaçado a uma distância pré-determinada do par de aberturas de inserto adjacente. As aberturas de inserto podem ser dimensionadas para receber de forma segura as placas 204A e 204B (coletivamente denominadas de “eletrodos”). A distância pré-determinada pode ser substancialmente igual à largura de um ou mais eletrodos. Os insertos 302A e 302B são configurados para desviar o fluxo de fluido somente para as áreas dos eletrodos, e pode reduzir áreas não condutivas ou mortas dos eletrodos. Considerando-se que os insertos 302A e 302B podem se desgastar com o uso e com o tempo, eles são projetados para serem fácil e convenientemente removidos e substituídos por um operador. Isso também eleva a vida útil operacional do aparelho ECR.

[0029] As paredes laterais externas dos insertos 302A e 302B podem ter uma geometria que corresponda ao diâmetro interno da célula 110. Por exemplo, as paredes laterais externas podem ser curvadas. As paredes laterais internas dos insertos 302A e 302B podem ser substancialmente achatadas, de modo que os insertos 302A e 302B tenham um formato de meia-lua. Conforme mostra a Fig. 7, os insertos 302A e 302B podem incluir diversas ranhuras ou aberturas 203 para receber os eletrodos.

[0030] Os insertos 302A e 302B podem ser soldados à célula 110. Os insertos 302A e 302B podem ser dimensionados de tal forma que eles possam ser inseridos dentro da célula 110 quando uma força adequada é exercida. Os insertos 302A e 302B podem incluir uma ou mais aberturas de inserto 208 para receber um mecanismo de travamento ou fixação adequado. A célula 110 também pode incluir um par de aberturas de célula 222 nas paredes laterais opostas. Os insertos 302A e 302B são posicionados na célula 110 de tal forma que as aberturas do inserto 208 ficam alinhadas com as aberturas da célula 222 em cada parede lateral da célula, para formar um furo vazado para receber os dispositivos de fixação ou travamento do inserto 216 e 218. Os dispositivos de travamento do inserto 216 e 218 podem incluir qualquer dispositivo necessário. Em uma realização, o mecanismo de travamento pode incluir um conjunto formado por um parafuso de cabeça sextavada/arruela/anel O-ring. Esse arranjo facilita a substituição periódica dos insertos 302A e 302B conforme eles envelhecem com a passagem do tempo.

[0031] Conforme mostram as Figs. 5 e 6, a armação de vedação dos eletrodos 202 pode ser inserida na célula 110. A armação de vedação de eletrodos 202 inclui uma coluna de eletrodos, que contém diversas placas metálicas bipolares planares 204B e um par de eletrodos terminais 204A. As placas metálicas bipolares 204B agem como eletrodos consumíveis. As placas de eletrodos 204A e 204B podem ser dispostas paralelamente em relação uma à outra. Além disso, os eletrodos 204A e 204B podem ser dispostos de forma tal que cada placa de eletrodo 204A e 204B possa ser individualmente removida da célula 110. Isso permite que o operador troque o reative convenientemente os eletrodos 204A e 204B, conforme o necessário. Como mostra a Fig. 5, um par de condutores ou barra de distribuição de corrente 206 pode ser soldado a uma superfície não reativa dos eletrodos terminais superior ou inferior 204A.

[0032] Referindo-se novamente à Fig. 3, diversas placas de eletrodos bipolares 204B são montadas em sanduíche entre, ou no meio, de um par de placas de eletrodos terminais superior e inferior 204A. Os eletrodos terminais 204A se situam no mesmo plano dos eletrodos intermediários 204B, para definir superfícies de múltiplo contato para que o fluido seja tratado. Os eletrodos terminais 204A são configurados para agir somente como um ânodo ou cátodo, conforme o estágio do ciclo de tratamento do fluido ou efluente. Os eletrodos intermediários 204B são, contudo, bipolares, de modo que um lado planar ou achatado pode ser um ânodo, e o outro lado planar ou achatado do mesmo eletrodo 204B pode ser um cátodo. A polaridade elétrica dos eletrodos 204B pode ser periodicamente invertida para alternar o padrão de desgaste, de modo que cada eletrodo 204B se desgaste de maneira uniforme.

[0033] As placas de eletrodos terminais 204A podem ser mais finas em comparação com os eletrodos intermediários 204B, já que seu desgaste é comparativamente mais lento. Os eletrodos intermediários 204B e os eletrodos terminais 204A podem incluir um substrato de ferro, aço, carbono, cobre, alumínio, cerâmica, titânio, liga de titânio ou outra liga para a fundição de válvulas. Os eletrodos terminais 204A podem conter um revestimento eletrocatalítico aplicado externamente na superfície, contendo uma mistura de óxidos de latão, rutênio, irídio, paládio, nióbio ou outros materiais eletrocatalíticos, para continuar conduzindo corrente enquanto sua taxa de dissolução diminui, e estendendo sua vida útil. A extensão da vida útil promove valiosa economia de custos. Os eletrodos 204B e os eletrodos terminais 204A podem ser dispostos com um espaçamento coordenado e pré- determinado entre os insertos 302A e 302B.

[0034] Os eletrodos 204A e 204B são empilhados em um arranjo horizontal. Esse arranjo horizontal garante que uma área de superfície comparativamente maior dos eletrodos 204A e 204B esteja disponível para consumo/utilização. Isso pode melhorar o desempenho operacional. Além disso, ao contrário dos dispositivos EC convencionais, os eletrodos 204A e 204B não precisam ser vedados. Uma vantagem é que praticamente toda a área de superfície, ou seja, cerca de 95% ou mais da área de superfície, dos eletrodos 204A e 204B pode ser utilizada. Por outro lado, menos de 70% da área de superfície do eletrodo fica disponível para consumo em uma placa e armação dos dispositivos EC convencionais. A maior utilização da área de superfície dos eletrodos 204A e 204B tem o potencial de se traduzir em uma redução na quantidade de aço ou outros materiais do eletrodo. Por exemplo, se for necessária uma área ativa de 10 ft2(10 placas, 1 ft2cada), utilizando as realizações da invenção, seriam necessárias somente 10 placas, cada uma com 1,05 ft2, ou um total de 10,50 ft2. Isso em contraste com os dispositivos EC convencionais, que precisariam de 10 placas, cada uma com 1,43 ft2, ou 14,30 ft2, com utilização de 70%.

[0035] Em uma realização exemplar, quinze placas de eletrodos (formando 14 células) podem ser colocadas na armação de vedação de eletrodos 202. Cada placa pode ter uma área de superfície ativa de 193,5 polegadas quadradas (comprimento = 18”, largura = 8 3/4”, e espessura =1/4”), proporcionando uma vazão de projeto por célula de 3.600 L/dia.

[0036] Um condutor ou barra de distribuição de corrente 206 pode ser soldado à parte externa ou a uma superfície não reativa dos eletrodos terminais superior e/ou inferior 204A. As barras condutoras 206 podem se estender ao longo do comprimento dos eletrodos terminais 206. Essa barra condutora 206 pode promover a distribuição ideal da corrente e facilitar a conexão a uma fonte de alimentação elétrica (não mostrada). A barra condutora promove uma distribuição uniforme da corrente ao longo dos eletrodos 204A e 204B, para facilitar um consumo uniforme ao longo da superfície dos eletrodos terminal e intermediário 204A e 204B.

[0037] Referindo-se novamente à Figura 2, a barra condutora 206 pode se estender pelo primeiro flange da extremidade 106. Para aumentar a segurança, as placas de eletrodos terminais 204A podem ser terminadas em conexões de barramento individuais na primeira tampa de acesso ao terminal. Um retificador (não mostrado) pode ser usado para pegar a corrente alternada de uma fonte de alimentação adequada, retificá-la, e distribuir corrente contínua (CC) às junções. A quantidade de tensão e corrente necessária pode depender do volume de efluente a ser tratado, e do tipo e concentração dos contaminantes conhecidos. Para obter o desempenho ideal e um desgaste uniforme dos eletrodos 204A e 204B, a tensão do retificador pode ser periodicamente invertida. Uma vantagem é que a polaridade reversa da corrente contínua pode ser aplicada aos eletrodos terminais 204A, promovendo uma dissolução uniforme de cada superfície dos eletrodos 204B no curso de fluidos, para fins de desinfecção e floculação/aglomeração dos sólidos suspensos, sem a necessidade de outros coagulantes externos. Além disso, a polaridade reversa tem um efeito de limpeza in situpara remover depósitos indesejados e crosta metálica, para garantir uma superfície mais uniforme para conduzir a eletrólise. Foi observado que densidades de corrente de 0,03 a 0,20 ASI podem gerar flocos adequados para criar uma boa coagulação, além de melhor separação dos sólidos e líquidos.

[0038] Cada barramento de eletrodo terminal pode incluir uma tampa de proteção 226. As tampas 226 podem proteger o operador contra choque e proteger a conexão contra fatores ambientais. Um dispositivo de conexão, como, por exemplo, um plugue de acesso, para estabelecer a conexão elétrica entre os eletrodos terminais e a alimentação elétrica pode ser instalado em um canto da tampa de acesso terminal 226. O plugue de acesso 228 pode incluir uma bainha isolada com pinos metálicos que se encaixem nos furos de uma tomada.

[0039] A primeira e a segunda tampa de acesso terminal ou os flanges de extremidade 106 e 108 são invólucros simples, que podem ser abertos ou fechados com parafuso. De forma prática, a célula 110 dispensa um pistão de alta pressão para garantir sua estanqueidade. O arranjo com flange com invólucro parafusado facilita o acesso pela extremidade frontal à coluna de eletrodos. Ademais, ele facilita uma troca rápida dos eletrodos intermediários 204B e dos eletrodos terminais 204A. Um par de vedações, como, por exemplo, os anéis O-ring 212, pode ser usado para vedar o primeiro e o segundo flange de extremidade 106 e 108 à célula 110. Cada flange de extremidade 106 e 108 pode ser fixado com dispositivos de fixação de flange adequados 214. Por exemplo, os flanges de extremidade 106 e 108 podem ser fixados com parafusos (16 parafusos, por exemplo), arruelas lisas, chapas, arruelas de pressão e porcas. Esses dispositivos de fixação do flange 214 podem ser roscados nas aberturas 210 nos flanges de extremidade 106 e 108, e podem ser presos por prisioneiros ou estacas (não mostrados) na célula 110. Os flanges de extremidade 106 e 108 parafusados simplificam a montagem e desmontagem do aparelho ECR. Os flanges de extremidade 106 e 108 podem contar com olhais de içamento 230. Os olhais de içamento 230 podem possuir aberturas. Entende-se que, quando a armação de vedação de eletrodos 202, com os eletrodos 204A e 204B, é inserida na célula, o peso do aparelho 200 aumenta substancialmente. Portanto, para facilitar uma movimentação e transporte convenientes, um gancho adequado, como, por exemplo, um gancho tipo J (não mostrado), pode ser inserido nas aberturas dos olhais de içamento 230. Uma corrente pode ser fixada ao gancho para, então, içar ou guinchar de forma prática o aparato 200.

[0040] Cada flange de extremidade 106 e 108 pode ser aberto de forma fácil e conveniente, bastando remover os dispositivos de fixação do flange 214. Pode ser possível acessar a armação de vedação de eletrodos 202 abrindo somente o primeiro flange de extremidade 106. Ademais, como os dois eletrodos terminais 204A são configurados na mesma orientação, e posicionados perto do primeiro flange de extremidade 106, somente o primeiro flange de extremidade 106 precisa ser removido para efetuar qualquer manutenção. Os eletrodos 204B e os eletrodos terminais 204A podem ser acessados facilmente para manutenção de rotina e troca in situ. Além disso, se necessário, é possível remover um único eletrodo 204A ou 204B sem a necessidade de remover quaisquer outras placas de eletrodos.

[0041] Referindo-se, agora, à Fig. 4, as barras condutoras terminais 206 podem ser vedadas nos flanges de extremidade com mecanismos de vedação adequados, tais como anéis O-ring 404. Os flanges de extremidade 106 e 108 podem incluir ainda diversores de fluxo 402 integrados. Os diversores de fluxo 402 podem ser configurados como aberturas ou recortes nos flanges de extremidade 106 e 108, para promover o fluxo laminar do curso de processo. Os diversores 402 podem ser configurados de tal forma que o curso de fluido a ser tratado circule em um circuito em formato de serpentina entre a base da coluna de eletrodos, e o topo da coluna de eletrodos. É possível promover um fluxo contínuo do curso de fluido ao longo de todos os eletrodos garantindo que os eletrodos 204A e 204B sejam dispostos em um arranjo horizontal sequencial, e assegurando que a célula tenha somente uma entrada na sua base, e uma saída no seu topo. Esse arranjo permite um fluxo laminar desimpedido sobre toda a largura dos eletrodos 204A e 204B dispostos horizontalmente.

[0042] De acordo com outra realização, um método para tratar um curso de fluidos é apresentado aqui. Esse método envolve em desenvolver uma realização do aparelho ECR, conforme descrito anteriormente, para facilitar o tratamento do curso de fluidos. O curso de fluidos pode entrar no aparelho ECR pelo quadrante inferior tangencialmente à célula tubular, e pode sair da célula pelo quadrante superior tangencialmente à célula. O aparelho ECR pode desinfetar diversas formas de bactérias por oxidação eletroquímica e aglomeração dos sólidos suspensos do curso de processo, por meio da coagulação das partículas suspensas. Mais especificamente, o aparelho ECR pode ser usado em um processo industrial pressurizado, ao contrário de um banho atmosférico ou de uma configuração estática, que exigem tratamento de gás e outros equipamentos para a remoção dos sólidos.

[0043] Em outro aspecto, a água salgada pressurizada pode ser combinada com o curso de fluidos para formar um curso de processo. O curso pressurizado de água salgada proporciona uma salinidade conhecida para certas reações eletroquímicas ocorrerem, e melhora a condutividade do curso de efluentes para reduzir a tensão e a potência da célula. O aparelho ECR também pode funcionar sem a adição de água salgada a uma tensão operacional maior (potência), e sem formar compostos desinfetantes à base de cloro. Outros oxidantes, como hidróxidos, peróxidos etc., podem ser formados para promover a desinfecção necessária.

[0044] O tratamento do curso de processo pode exigir a remoção de contaminantes aderidos à demanda biológica de oxigênio (DBO) e à demanda química de oxigênio (DQO). Ele também pode exigir a remoção dos resíduos sólidos junto com a remoção e destruição de bactérias nocivas, tais como coliformes fecais. Esses contaminantes são solúveis e insolúveis. Aqueles que são solúveis são tratados quimicamente com oxidantes fortes, tais como o cloro, hipoclorito, ozônio e peróxidos. A fase de tratamento inicial pode ser feita antes de o curso de fluidos passar pelo aparelho ECR. O sistema OmnipureTMdo depositante pode ser usado para essa fase de tratamento inicial.

[0045] A fase de tratamento seguinte pode envolver a remoção da matéria sólida do curso de processo, que contém esses contaminantes (DBO, DQO, coliformes fecais etc.). O aparelho ECR ajuda a criar um ambiente que promove a remoção desses sólidos. A matéria sólida pode ser partículas coloidais finas.

[0046] Conforme o curso de processo atravessa o aparelho ECR, a corrente contínua é distribuída entre a coluna horizontal de eletrodos. Durante o processo de eletrólise, o ânodo será dissolvido/erodido eletroquimicamente, enquanto o cátodo sofrerá passivação, não se dissolvendo. O ânodo/eletrodo de sacrifício libera íons continuamente na água. Os íons liberados são geralmente hidróxidos metálicos (sendo os hidróxidos de ferro os mais comuns). Os íons liberados desestabilizam as cargas negativas das partículas coloidais finas suspensas, e os sólidos coloidais suspensos são facilmente atraídos pelos cátions metálicos. Esses íons metálicos agem como um núcleo para atrair as partículas coloidais carregadas de elétrons, formando um precipitado flocular. Isso gera um floco maior e mais pesado, o qual pode, então, decantar pela ação da gravidade em um tanque de coleta, e a água tratada está pronta para a descarga. O fluido ou sobrenadante tratado fica substancialmente livre de contaminantes.

[0047] Um aspecto inovador do tratamento de fluidos utilizando o aparelho ECR é a formação de partículas aglomeradas ou flocos de tamanho ideal, com o menor consumo possível de metal/eletrodo. Isso pode prolongar a vida útil dos eletrodos consumíveis, além de também minimizar o uso de energia elétrica. Além disso, quando o floco é formado, a turbulência no curso líquido é reduzida, de forma que o floco não se rompe e pode decantar facilmente. A formação de flocos de tamanho ideal pode ser promovida: a) garantindo que os eletrodos em uma armação de vedação de eletrodos estejam dispostos em um plano horizontal, e espaçados adequadamente a uma distância pré- determinada; b) controlando a velocidade do curso de fluidos; e c) facilitando as mudanças de direção necessárias do fluxo de efluentes no circuito em serpentina por meio da instalação de diversores de fluxo nos flanges de extremidade.

[0048] O gás hidrogênio é um subproduto das reações do processo de eletrocoagulação do aparelho ECR. O hidrogênio gerado no aparelho ECR é mais leve que o líquido do curso de fluidos/curso de processo. O hidrogênio se desloca a uma velocidade maior devido à sua densidade em relação ao curso de efluentes. Portanto, o hidrogênio acrescido age como uma chaminé ou efeito Venturi, e, conforme o curso de efluentes flui por um circuito em serpentina da parte inferior para a superior do aparelho ECR, a velocidade aumenta, o que pode promover a limpeza das placas de eletrodos, além de reduzir a resistência entre as placas de eletrodos e a tensão operacional total.

[0049] Os diversores de fluxo nos flanges de extremidade podem permitir que um curso de processo contínuo seja direcionado em um circuito em serpentina dentro da célula. O arranjo horizontal sequencial dos eletrodos, e a célula tendo uma entrada e uma saída, podem permitir o fluxo do curso contínuo ao longo de todas as placas de eletrodos. O fluxo em serpentina pode evitar o curto circuito do fluxo com o arranjo sequencial e horizontal dos eletrodos. Ademais, ele pode evitar a formação de crostas ou depósitos, os quais podem impedir a distribuição uniforme do fluxo ao longo de todas as placas de eletrodos, como ocorre quando as placas são dispostas em um arranjo vertical típico de dispositivos EC convencionais. Nesse arranjo convencional, o fluxo de entrada pode ser igual ao fluxo de saída, mas isso não garante um fluxo uniforme entre cada par de placas. No pior cenário, o fluxo pode ser restringido ou até interrompido entre um ou mais pares de placas na coluna, mas o operador pode não estar ciente dessa situação. Por outro lado, a alimentação elétrica do aparelho ECR, conforme discutido aqui, pode ser controlada por um CLP (Controlador Lógico Programável) integrado. O curso de processo e a tensão distribuída ao aparelho ECR podem ser controlados de forma contínua. Portanto, se o fluxo for restringido ou interrompido entre quaisquer duas placas de eletrodos, o operador pode tomar ciência da situação imediatamente, utilizando técnicas convencionais, como elevação de tensão, antes do superaquecimento e da possível explosão do hidrogênio no aparelho ECR.

[0050] O curso tratado dentro do aparelho ECR pode ser direcionado por tubulação ao vaso de desgaseificação. Isso permite abrir o respiradouro do gás hidrogênio. A etapa de desgaseificação pode melhorar ainda mais a capacidade de as partículas floculadas serem separadas por gravidade. As partículas floculadas podem ser separadas em um tanque de sedimentação abaixo do vaso de desgaseificação. O tanque de sedimentação pode ter um fundo inclinado para acumular os sólidos sedimentados para remoção e posterior processamento como sólidos desinfetados de Classe B, os quais podem ser despejados em um aterro sanitário. No topo do tanque de sedimentação, o sobrenadante pode ter uma qualidade que atenda aos critérios para descarga, podendo ser liberado do sistema de tratamento. Por exemplo, o processo de tratamento pode produzir um sobrenadante com qualidade que atenda aos requisitos da resolução MEPC.159(55) e MEPC 227(64) Organização Marítima Internacional (OMI), ao mesmo tempo eliminando a necessidade de tratar resíduos sólidos de influentes brutos e não tratados.

[0051] De acordo com outra realização, o aparelho ECR pode funcionar em um modo de alta pressão e alta velocidade devido ao projeto tubular da sua célula. De acordo com uma realização, um procedimento de limpeza inovador da coluna de eletrodos é apresentado. O processo envolve passar água a alta pressão pela entrada na parte inferior da célula. A água circula para cima ao longo dos eletrodos na coluna de eletrodos e sai pela saída na parte superior da célula. O processo envolve ainda a limpeza da coluna de eletrodos com ar a alta pressão. O ar entra pela saída e circula para baixo ao longo dos eletrodos na coluna de eletrodos, saindo pela entrada. O procedimento de limpeza é realizado a alta pressão - de cerca de 80 psi a cerca de 120 psi -, a intervalos de tempo pré-determinados. Em uma realização exemplar, a pressão dentro do aparelho ECR é mantida a aproximadamente 15 psi e 35 psi durante uma lavagem para a frente e uma para trás, respectivamente, ao mesmo tempo promovendo uma limpeza com ar a pressão de 80 psi.

[0052] O aparelho ECR pode suportar limpeza in situa pressões substancialmente altas, ao contrário de dispositivos EC convencionais comparáveis construídos em tanque, sem quaisquer vazamentos e deformação física do corpo da célula. Por exemplo, os diversos componentes, ou seja, os eletrodos terminais e intermediários, a barra condutora, as vedações O-ring, prisioneiros etc., podem suportar o contrafluxo a alta pressão exibindo desgaste uniforme. As mudanças dimensionais e a perda de peso dos eletrodos pode ser igual ao longo da coluna de eletrodos. Os eletrodos não exibem qualquer sinal visível de efeitos de golpe de aríete. De acordo com uma realização, a polaridade dos eletrodos deve ser invertida periodicamente (uma vez a cada 15 minutos) durante a operação, para se atingir o desempenho ideal e o desgaste uniforme dos eletrodos.

[0053] Em decorrência do ar a alta pressão e da purga de água em contrafluxo sequencial entre os ciclos de operação, a formação de crostas é reduzida e os eletrodos podem funcionar de forma mais eficiente sem limpeza manual por períodos prolongados. A tensão operacional pode ser aumentada proporcionalmente às horas de operação e ao acúmulo de crostas, e a tensão operacional pode ser reduzida após a remoção das crostas. De acordo com uma realização, o procedimento de limpeza garante que as placas de eletrodo, nas condições operacionais necessárias, podem funcionar por mais de 1.500 horas antes de serem trocadas.

[0054] A limpeza pode ser automatizada utilizando diversos sistemas de controle já em uso. Tal protocolo de limpeza a alta pressão promove a geração contínua de partículas altamente carregadas, e pode diminuir a limpeza manual dos eletrodos. Ele também pode diminuir a manutenção/limpeza manual do operador e reduzir substancialmente o tempo de inatividade do aparelho. O processo de limpeza automatizado também pode garantir uma operação de limpeza melhor e mais uniforme.

[0055] O aparelho ECR é um sistema modular leve, compacto, fácil de instalar e manter. Os custos envolvidos na construção do aparelho ECR são substancialmente menores do que os de dispositivos EC convencionais. Isso porque o aparelho ECR inclui componentes padrão pré-fabricados. A montagem do aparelho ECR exige uso mínimo de cola e acessórios para fixar os componentes. Considerando-se que um uso mínimo de cola é necessário, o risco de desenvolvimento de vazamentos também é reduzido.

[0056] Além de notáveis economias de custo, o aparelho ECR é mais seguro para os operadores realizarem a manutenção de rotina, reduzindo o potencial de pontos de esmagamento perigosos, deslocamento da coluna de eletrodos, e levantamento manual de placas de eletrodos mais pesadas. O aparelho ECR pode garantir um acesso frontal prático para a troca de eletrodos. O aparelho ECR pode oferecer proteção aos operadores, já que não há conexões elétricas ou placas de eletrodos expostas onde possa haver contato humano.

[0057] Uma ou mais realizações do aparelho ECR apresentadas aqui podem ser utilizadas em qualquer sistema de tratamento de efluentes. Por exemplo, o aparelho ECR pode ser usado no sistema apresentado na Pat. U.S. N° 8465652, cujos conteúdos foram incorporados integralmente no presente documento, no lugar do aparelho de eletrocoagulação apresentado na referida patente.

[0058] O aparelho ECR pode ser utilizado em diversas aplicações de eletrocoagulação para o tratamento e recuperação de efluentes, por exemplo, refluxo de produto fracionado e tratamento da água produzida, além de remoção de metais e contaminantes (p.ex.: fosfatos) de diversos cursos de água.

[0059] A seguinte descrição referente aos desenhos anexos é apresentada para ajudar a assegurar um entendimento abrangente das realizações exemplares da invenção, conforme definido pelas reivindicações e seus equivalentes. Desta forma, os especialistas na matéria reconhecerão que diversas mudanças e modificações podem ser feitas nas realizações descritas neste documento sem afastar-se do espírito e do escopo da invenção. Além disso, descrições de funções e construções já bem conhecidas podem ser omitidas por questão de clareza e concisão.

[0060] Os termos e palavras utilizadas na seguinte descrição e reivindicações não se restringem aos significados bibliográficos, mas são empregados pelo inventor meramente para permitir uma compreensão clara e consistente da invenção. Desta forma, deve ficar claro para os especialistas na matéria que a seguinte descrição das realizações exemplares da presente invenção é apresentada para fins meramente ilustrativos, e não para limitar a invenção conforme definido nas reivindicações anexas e seus equivalentes.

[0061] Embora o aparelho ECR e os métodos sejam descritos como “compreendendo”, “contendo” ou “incluindo” diversos componentes e métodos, ele também pode ser descrito como “consistindo essencialmente de” ou “consistindo de” diversos componentes e etapas. Em particular, cada faixa de valores (do gênero: “de cerca de “a” até cerca de “b””, ou, de forma equivalente, “de aproximadamente a para b”) apresentada aqui deve ser entendida como se estivesse estipulando cada número e faixa englobada por uma faixa mais ampla de valores. Além disso, os termos utilizados nas reivindicações devem ser interpretados pelos seus significados comuns e ordinários, salvo se definido explícita e claramente pelo detentor da patente. Ademais, os artigos indefinidos “um” ou “um”, conforme empregados aqui, significam um ou mais de um elemento ao qual eles apresentam. Se houver qualquer conflito nos usos de uma palavra ou termo nesta especificação, e uma ou mais patentes ou outros documentos que possam ser incorporados ao presente como referência, devem-se adotar as definições condizentes com esta especificação.

[0062] Fica entendido que as formas singulares de "um,""uma" e "o" incluem seus referentes no plural, a menos que o contexto claramente indique o contrário. Conforme empregadas aqui, as palavras “compreende”, “tem”, “inclui” e todas as suas variantes gramaticais têm um significado aberto, não restritivo, que não exclui outros elementos ou etapas. Fica entendido que, conforme adotadas no presente, as palavras “interno(a)” e “externo(a)”, “primeiro(a)” e “segundo(a)” etc., “superior” e “inferior” etc., são atribuídas arbitrariamente e têm o mero intuito de diferenciar entre duas ou mais superfícies, eletrodos, tampas etc., conforme o caso, e não indicam uma orientação ou sequência particular. Ademais, fica entendido que o mero uso do termo “primeiro(a)” não requer a existência de qualquer “segundo(a)”, e o mero uso do termo “segundo(a)” não requer a existência de qualquer “terceiro(a)” etc.

[0063] Desta forma, o aparelho ECR está bem adaptado para atingir os fins e vantagens mencionados, bem como aqueles inerentes a ele. As realizações particulares apresentadas acima são meramente ilustrativas, já que a presente invenção pode ser modificada e praticada de formas diferentes, mas equivalentes, como fica evidente aos especialistas na matéria que podem se beneficiar das informações contidas aqui. Ademais, não se impõem quaisquer limitações aos detalhes construtivos ou projetos mostrados no presente, que não os descritos nas reivindicações abaixo. Portanto, fica evidente que as realizações ilustrativas particulares apresentadas acima podem ser alteradas ou modificadas, e todas essas variações são consideradas no escopo e no espírito da presente invenção.

Claims

1. Um APARELHO REATOR DE ELTROCOAGULAÇÃO (ECR) (100) para o tratamento de um curso de fluidos, caracterizado por compreender: (A) uma armação de vedação de eletrodos (202), sendo que tal armação de vedação de eletrodos (202) compreende: (i) um par de inserções opostos (302A, 302B), em que cada uma das inserções opostos (302A, 302B) compreende uma pluralidade de aberturas de inserção (203); e (ii) uma pilha de eletrodos, em que a pilha de eletrodos compreende uma pluralidade de placas de eletrodos (204A, 204B), em que a pluralidade de placas de eletrodos (204A,204B) compreende um terminal de eletrodo superior e um inferior (204A) e uma pluralidade de placas de eletrodo intermediário (204B) ensanduichadas entre as placas de terminal de eletrodo superior e inferior (204A) em que cada uma das placas de eletrodo terminal (204A) está configurada como um ânodo ou um cátodo, em que cada uma das placas terminal de eletrodo (204A) está configurada para ser mais fina em comparação com as placas de eletrodo intermediário (204B), em que cada uma das placas terminal de eletrodos (204B) é bipolar de modo que uma primeira superfície de cada uma das placas de eletrodo intermediário (204B) é um ânodo e uma superfície oposta de a mesma placa de eletrodo intermediário (204B) é um cátodo, e em que cada uma das placas de eletrodo (204A, 204B) é empilhada horizontalmente dentro de um par de aberturas de inserção opostas (203), formadas no par de inserções opostas (302A,302B); e (B) uma célula (110) compreendendo paredes laterais cilíndricas, em que a estrutura de vedação de eletrodo (202) é inserida dentro da célula cilíndrica, em que uma barra condutora (206) se prolonga através do comprimento de cada um dos eletrodos terminais superior e inferior empilhados horizontalmente (204A).

2. O APARELHO REATOR DE ELTROCOAGULAÇÃO ECR (100) de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado porem que uma parede lateral de cada inserção (302A, 302B) é curva, e em que cada abertura de inserção (203) é formada na parede lateral interna das inserções (302A,302B), e de preferência cada uma das placas de eletrodos (204A,204B) é posicionada a uma distância predeterminada de uma placa de eletrodo (204B) adjacente.

3. O APARELHO REATOR DE ELTROCOAGULAÇÃO ECR (100) de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado porcada uma das inserções (302A,302B) ter formato de meia-lua.

4. O APARELHO REATOR DE ELTROCOAGULAÇÃO ECR (100) de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado porcada uma das inserções (302A,302B) é não condutiva.

5. O APARELHO REATOR DE ELTROCOAGULAÇÃO ECR (100) de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado porcada uma das inserções (302A,302B) é configurada para ser removível e substituível.

6. O APARELHO REATOR DE ELTROCOAGULAÇÃO ECR (100) de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado poras placas de eletrodo terminal (204A) têm um revestimento eletrocatalítico externo aplicado superficialmente contendo materiais eletrocatalíticos para ainda transportar corrente enquanto reduz sua taxa de dissolução e estende a vida útil dos eletrodos terminais (204A).

7. O APARELHO REATOR DE ELTROCOAGULAÇÃO ECR (100) de acordo com a Reivindicação 2, caracterizado pora parede lateral externa das inserções (302A,302B) compreender uma ou mais aberturas de inserções (208).

8. O APARELHO REATOR DE ELTROCOAGULAÇÃO ECR (100) de acordo com a Reivindicação 7, caracterizado poras paredes laterais cilíndricas da célula (110) compreenderem também uma ou mais aberturas (222), e que cada abertura de inserção (208) é alinhada a uma abertura correspondente (222) nas paredes laterais cilíndricas da célula para formar um furo vazado quando a pilha de eletrodos é inserida dentro da célula (110), e preferencialmente o aparelho (100) compreender ainda um dispositivo de travamento (216, 218), e em que o dispositivo de travamento (216, 218) é rosqueado no furo vazado para firmemente acoplar a estrutura da vedação de eletrodos (202) à célula (110).

9. O APARELHO REATOR DE ELTROCOAGULAÇÃO ECR (100) de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado poruma pluralidade de placas bipolar de eletrodo (204B) serem empilhadas intermediariamente nos terminais de eletrodos (204A), e em que as barras condutoras (206) são preferencialmente atadas e uma superfície externa do/ou acima dos terminais de eletrodos superior e inferior (204A).

10. O APARELHO REATOR DE ELTROCOAGULAÇÃO ECR (100) de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado porcada placa de eletrodos (204A,204B) é empilhada em um alinhamento horizontal com uma placa de eletrodos adjacente (204A,204B) e em que cada uma das placas de eletrodo (204A,204B) está disposta em um plano perpendicular à entrada do fluído (102) e da saída do fluído (104).

11. O APARELHO REATOR DE ELTROCOAGULAÇÃO ECR (100) de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado porcompreender ainda um primeiro e um segundo flange (106,108), sendo que cada um dos flanges é configurado para vedar uma primeira e uma segunda extremidade da célula cilíndrica (110), e a barra condutora (206) se prolonga através de pelo menos o primeiro flange (106).

12. O APARELHO REATOR DE ELTROCOAGULAÇÃO ECR (100) de acordo com a Reivindicação 11, caracterizado poro primeiro e o segundo flanges (106,108) compreenderem ainda inúmeros desviadores de fluxo integrados (402) de modo a facilitar um fluxo em serpentina das águas residuais dentro da célula (110).

13. Um MÉTODO DE TRATAMENTO de um curso de fluidos caracterizado porcompreender: a passagem do curso de fluidos pelo aparelho reator de eletrocoagulação (ECR) (100) da reivindicação 1.

14. O MÉTODO DE TRATAMENTO de acordo com a Reivindicação 13, caracterizado porcompreender ainda a combinação de um curso de água salgada pressurizada com um curso de fluidos antes da passagem deste curso de fluídos pelo aparelho ECR (100).

15. O MÉTODO DE TRATAMENTO de acordo com a Reivindicação 13, caracterizado porcompreender ainda a formação de cada par de aberturas de inserções (203) opostas a uma distância pré-determinada e igual de um par adjacente de aberturas de inserções (203) opostas, para facilitar um fluxo uniforme do processo da corrente entre cada uma das placas de eletrodos (204A, 204B).

16. O MÉTODO DE TRATAMENTO de acordo com a Reivindicação 13, caracterizado porcompreender ainda um par de flanges de extremidade (106,108) para a célula cilíndrica (110) , sendo que cada flange compreende desviadores de fluxo integral (402), em que os desviadores de fluxo integral (402) de preferência são recortados ou cortados configurados sobre os terminais das flanges (106,108) para facilitar o fluxo em serpentina do processo de corrente, em que o fluxo em serpentina envolve um fluxo contínuo e sequencial do fluído da corrente da entrada (102) na base da célula cilíndrica (110) e a saída (104) no topo da célula cilíndrica (110) .

17. O MÉTODO DE TRATAMENTO de acordo com a Reivindicação 13, caracterizado porcompreender ainda a limpeza in situda coluna de eletrodos, sendo que a limpeza compreende: - permitir que um curso de água pressurizado suba pela coluna de eletrodos, em que a água passa de uma entrada (102) na base da célula cilíndrica (110) para uma saída (104) no topo da célula cilíndrica (110); e - permitir que um curso de ar pressurizado desça pela coluna de eletrodos, sendo que o ar passa pela saída (104) no topo da célula cilíndrica (110).

18. O MÉTODO DE TRATAMENTO de acordo com a Reivindicação 17, caracterizado porcompreender ainda a limpeza da coluna de eletrodos a 5.52 bar (80 psi) a 8.27 bar (120 psi) em que a limpeza é realizada a intervalos de tempo pré-determinados.