BR112020001137A2 - método e aparelho para inversão assimétrica de polaridade em processos de eletromembrana - Google Patents

Abstract

São descritos métodos e circuitos de um aparelho para a interrupção do fenômeno de polarização por concentração, e para a autolimpeza dos processos de eletromembrana mediante a aplicação de pulsos assimétricos de polaridade inversa com alta intensidade e frequência variável. O aparelho, um interruptor bipolar, se baseia em elementos eletrônicos de estado sólido como transistores, tais como MOSFET (transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor, por suas siglas em inglês: "Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor") ou IGBT (transistor bipolar de porta isolada, por suas siglas em inglês: "Insulated Gate Bipolar Transistor") para conduzir a inversão da polaridade em uma faixa de frequências, intensidades e larguras de pulsos, a fim de prevenir ou diminuir a formação de precipitados sobre as superfícies das membranas. Também se proporciona o protocolo de inversão, com uma frequência variável em função da aparição de contaminação das membranas, medida pela queda de tensão ou resistência elétrica da pilha de membranas durante os processos com eletromembranas. Altas frequências podem ser aplicadas quando se requer limpeza do sistema, isoladamente ou em conjunto com outros procedimentos físico-químicos de limpeza in situ (CIP, por suas siglas em inglês: Cleaning In Place). Vários elementos eletrônicos de estado sólido podem ser conectados em paralelo. Essa pluralidade de elementos permite a aplicação de maiores potências. Esse aparelho e configuração proporciona a aplicação de pulsos modulados e estáveis de alta intensidade, utilizando uma segunda fonte de potência. Processos de eletromembranas podem ser facilmente atualizados mediante a substituição dos eletrodos, adequados para inversão de polaridade, e acrescentando uma segunda fonte de potência e o interruptor bipolar descrito.

Description

“MÉTODO E APARELHO PARA INVERSÃO ASSIMÉTRICA DE POLARIDADE EM PROCESSOS DE ELETROMEMBRANA” CAMPO DA INVENÇÃO:

[0001] As realizações da invenção referem-se ao campo da mitigação da contaminação e incrustações e a interrupção da polarização por concentração em processos de eletromembrana (EM) como a eletrodiálise convencional (ED), eletrodiálise reversível (EDR, por suas siglas em inglês “Electrodialysis Reversal”, em que se inverte a polaridade a cada 15-30 minutos para autolimpeza das membranas), eletrodiálise com membranas bipolares (BMED), deionização capacitiva (CDI) , eletrodeionização (EDI), eletrodiálise inversa (RED, por suas siglas em inglês “Reverse Electrodialysis”, em que gradientes salinos são utilizados para obter energia), sistemas de células de combustível microbiana (MFC), dessalinização com polarização por concentração de íons (ICP) e aquelas operações melhoradas associadas a todos os sistemas mencionados. ESTADO DA TÉCNICA:

[0002] Atualmente, a contaminação e a incrustação dos processos de eletromembrana seguem sendo problemas que limitam a aplicação dessas tecnologias. A mitigação da contaminação e incrustações mediante a inversão da polaridade é uma estratégia comumente utilizada em operações de EDR, a função de inversão se aplica a cada 15 a 30 minutos, em que cada vez que se inverte a polaridade elétrica, os compartimentos de água desmineralizada passam a ser compartimentos de concentrado e vice-versa. Essa operação também requer uma mudança na trajetória correspondente do fluxo hidráulico. Isso resulta na necessidade de um fluxo hidráulico complicado e controle com válvulas automáticas que toma ao menos 40 segundos. A consequente perda de tempo e a mistura do produto com a corrente de rejeição é uma perda inevitável que representa cerca de 5% da produção total. Consequentemente, EDR não é utilizado para a produção de produtos químicos finos devido à perda de tempo de trabalho e produtos valiosos.

[0003] Por outro lado, a polarização por concentração é um fenômeno inerente dos processos de EM que restringem também a operação dos ditos sistemas. Em algum ponto, quando se aumenta a corrente elétrica que passa através do sistema, se alcança eventualmente um limite devido à polarização por concentração. Na operação de processos de EM, esse valor é chamado densidade de corrente limite (LCD), o qual depende de muitos parâmetros, devido ao que é geralmente determinado de forma empírica. Quando se trabalha com valores de LCD (ou acima desse valor), o pH se descontrola na célula EM, devido à dissociação da água, provocando problemas de incrustações e contaminação. Na prática, se aplica apenas 80-90% do LCD. Geralmente, é desejável aumentar esses valores de LCD de modo a intensificar os processos, diminuindo a área da membrana a ser utilizada e, consequentemente, o tamanho do equipamento e o custo de capital.

[0004] A utilização de ciclos de corrente contínua foi descrita na patente US 3.029.196 há mais de 50 anos. A patente US 8.038.867 B2 refere-se a uma aplicação ambígua de pulsos elétricos em eletrodiálise, sem menção detalhada acerca de um aparelho para realizar a metodologia. O pedido WO 2010/143945 refere-se a um método de autolimpeza de membranas utilizando a inversão de pulsos elétricos para ED, RED, CDI e MFC. Essa descrição menciona um dispositivo de eletrodiálise, mas nenhum aparelho foi descrito para a realização de um campo elétrico pulsado (PEF, por suas siglas em inglês: “Pulsed Electric Field”). O pedido WO 2010/143945 reivindica um dispositivo e um método para a limpeza de membranas usando pulsos elétricos de polaridade inversa. Não obstante, apenas se menciona uma geração de funções para a aplicação de larguras de pulso, sem detalhes acerca dos circuitos eletrônicos empregados. Este pedido não descreve a aplicação de pulsos assimétricos com base nos parâmetros do processo, a utilização de uma ponte-H e de que maneira se modula a intensidade, frequência e largura dos pulsos. O pedido de patente US 2016/228820 refere-se a um método para melhorar a realização da eletrodiálise utilizando diferentes métodos, descrevendo-se entre eles a polaridade reversa pulsada. Os autores mencionam que a aplicação de pulsos é apenas para a limpeza dos eletrodos e que não é necessário alterar a eletrônica e hidráulica dos sistemas. Não existe nenhuma referência acerca da utilização de alguma ponte-H, interrupção da contaminação e a incrustação nas superfícies das membranas utilizando pulsos assimétricos, e a variação da frequência, intensidade e largura de pulso com relação à resistência elétrica da célula quando está em operação.

[0005] Por outro lado, o documento CN

104.022.676 descreve um método para produzir ondas quadradas de pulso assimétrico utilizando uma configuração de meia ponte com MOSFETs e uma fonte de potência. Os circuitos diferem completamente da configuração de uma ponte-H (ponte completa) alimentada por duas fontes de potência. Além disso,

o propósito do aparelho é a geração de PWM (modulação de largura de pulso, por suas siglas em inglês: “Pulse Width Modulation”), sem menção à aplicação em processos de EM. O pedido de patente US 2014/0254204 se relaciona a um conversor DC/DC (corrente contínua/corrente contínua) com base em uma configuração de meia ponte para alcançar uma operação de voltagem zero, utilizando pulsos assimétricos. Os circuitos e a aplicação descrita neste documento diferem completamente da presente invenção.

[0006] Portanto, é desejável um aparelho que permita atualizar os processos de EM, diminuindo a ocorrência de contaminação e incrustações, aumentando o valor de LCD mediante a disrupção do fenômeno de polarização por concentração, e incrementando o ciclo de reversão de polaridade elétrica e hidráulica em EDR. Para isso é necessário um par de eletrodos adequados para inversão da polaridade, tal como os que têm EDR, uma segunda fonte de potência e o aparelho descrito. Esse dispositivo pode ser integrado a fontes de potência para a aplicação de pulsos assimétricos com polaridade inversa com frequência, largura de pulso e intensidades variáveis. O termo assimétrico refere-se à variação da frequência, largura (tempo) e intensidade dos pulsos, de forma dinâmica, de acordo com os requerimentos de cada sistema. RESUMO DA INVENÇÃO:

[0007] A contaminação em tecnologias de eletromembrana pode ser evitada mediante a inversão periódica da polaridade elétrica com frequências e intensidades variáveis, sempre e quando elas possuam eletrodos de inversão adequados (ambos podem ser utilizados como ânodo ou cátodo), uma segunda fonte de potência e um interruptor bipolar projetado para esse tipo de aplicações. Os pulsos de polaridade reversa interrompem a formação de novas incrustações minerais e a contaminação com matéria orgânica, evitando o dano irreversível das membranas de intercâmbio iônico e membranas bipolares. \Por outro lado, os pulsos periódicos de polaridade inversa interrompem o fenômeno de polarização por concentração, mediante a geração de turbulência, permitindo um aumento da intensidade do processo devido às maiores densidades de corrente limites (LCD) que se podem alcançar. Além disso, a interrupção da polarização por concentração ajuda a estabilizar os valores de pH, diminuindo em consequência a aparição de incrustações.

[0008] Para os processos EM, essa mudança na polaridade deve ser aplicada como pulsos assimétricos, com frequência variável, larguras de pulso curtas e intensidades superiores aos valores normais de operação. É necessário então um interruptor bipolar adequado que seja projetado para processos com EM, simples e de baixo custo, tanto em termos de investimento de capital quando em custos de instalação e de operação. Diferentemente de EDR, com a utilização de pulsos assimétricos, não seriam necessárias mudanças nos fluxos hidráulicos e, em consequência, a utilização de válvulas automáticas com trajetórias complexas de fluxo.

[0009] Esse interruptor bipolar se baseia em uma configuração de ponte-H, uma técnica usada em motores elétricos para mudar a direção de rotação. É a primeira vez que se usa uma ponte-H em sistemas de eletromembrana, e que a ponte-H é alimentada por duas fontes de potência distintas para o ajuste da intensidade dos pulsos de polaridade inversa. Além disso, é a primeira vez que a frequência, intensidades e larguras de pulso são ajustadas automaticamente de acordo com as características do processo. O método permite a inversão da polaridade em uma variedade de sistemas de eletromembranas, diminuindo a adição de produtos químicos e a manutenção desses sistemas, aumentando a estabilidade e a vida útil das membranas, e intensificando o processo (com altas densidades de corrente limite) através da disrupção do fenômeno de polarização por concentração.

[0010] O sistema descrito é composto por uma ou duas fontes de potência (de alimentação ou de energia), um interruptor bipolar e uma célula EM. A célula de eletromembranas é um termo geral que inclui uma variedade de processos previamente mencionados, em que se utiliza apenas uma fonte de potência se a intensidade do pulso não é ajustada e se utilizam 2 fontes de potência se a intensidade do pulso é incrementada ou se pausas são efetuadas. Essa célula contém dois eletrodos e um conjunto de membranas, usualmente membranas de intercâmbio iônico e/ou membranas bipolares. Os eletrodos nas células de eletromembranas devem ser adequados para trabalhar como cátodo e ânodo, diminuindo o risco de deterioração durante a inversão da polaridade. A segunda fonte de potência permite ajustar a intensidade dos pulsos, caso se deseje incluir essa função. A(s) fonte(s) de poder entrega(m) energia à célula de eletromembrana através do interruptor bipolar. Uma corrente contínua passa através do interruptor bipolar, controlando a direção dessa corrente. A energia elétrica é recebida pelos eletrodos em que reações redox são levadas a cabo. Um potencial eletroquímico é gerado nos eletrodos, induzindo o movimento de íons para compartimentos distintos da célula, a dissociação de moléculas de água, etc. Em alguns processos, o potencial eletroquímico gerado pelos gradientes salinos pode produzir energia elétrica. Nesse caso, uma fração da energia produzida pode ser usada para uma autolimpeza periódica das membranas e como método de protocolos de limpeza in situ (CIP, por suas siglas em inglês). BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS:

[0011] Figura 1: é uma representação esquemática de um processo de eletromembrana acoplado a um interruptor bipolar para inverter a polaridade periodicamente.

[0012] Figura 2: são os circuitos de uma ponte- H para a inversão da polaridade nos processos de eletromembrana, com intensidade variável, utilizando uma segunda fonte de potência.

[0013] Figura 3A: é uma queda de tensão aproximada e/ou resistência elétrica através de uma pilha de membranas em processos de eletromembrana convencionais, eletrodiálise reversível e sistemas de eletromembrana com pulsos assimétricos de polaridade reversa.

[0014] Figura 3B: é a forma de onda aproximada aplicada como pulsos de polaridade reversa, frequência variável e opcionalmente utilização de pulsos de alta frequência quando se efetuam protocolos de limpeza convencionais.

[0015] Figura 4A: é o modo de operação de EDR aplicando pulsos de inversão assimétrica de polaridade entre cada ciclo de inversão, mantendo as válvulas automáticas para mudanças de fluxo hidráulico. A frequência de aplicação dos pulsos é variável, e pulsos de alta frequência podem ser usados de forma opcional quando lavagens químicas das membranas são efetuadas.

[0016] Figura 4B: é o modo de operação de processos de eletromembrana aplicando pulsos de inversão assimétrica de polaridade, com frequência variável, e pulsos de alta frequência opcionais quando protocolos de lavagem são aplicados.

[0017] Figura 5A: é o modo de operação de EDR atualizado, aplicando pulsos de inversão assimétrica de polaridade com intensidades mais altas que em uma operação normal, frequência variável e, opcionalmente, alta frequência quando protocolos de limpeza são efetuados no lugar. O sistema é pulsado entre cada ciclo de inversão, mantendo as válvulas automáticas para mudanças de fluxo hidráulico.

[0018] Figura 5B: é o modo de operação de processos de eletromembrana aplicando pulsos de inversão assimétrica de polaridade, com intensidades mais altas que em uma operação normal, frequência variável, e opcionalmente alta frequência quando se efetuam protocolos de limpeza convencionais. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO:

[0019] A invenção refere-se a um método para inversão assimétrica de polaridade, para mitigar a contaminação e incrustações sobre as superfícies de membranas e a interrupção da polarização por concentração em processos de eletromembrana, que compreende as etapas de:

[0020] - proporcionar uma célula de eletromembrana (4), que compreende um par de eletrodos adequados para inversão da polaridade, um eletrodo que atua como ânodo (5) e outro como cátodo (6), e um conjunto de membranas;

[0021] - proporcionar um interruptor bipolar que compreende ao menos 4 elementos eletrônicos de estado sólido, com uma configuração de ponte-H para o direcionamento da corrente elétrica, em que em condições de operação normal, alguns elementos (8 e 11) se fecham, e outros elementos (9 e 10) se abrem para dar a direção correspondente à corrente;

[0022] - proporcionar um dispositivo que varie a frequência de aplicação de polaridade reversa e largura de pulso, de acordo com os requerimentos do sistema quando o processo de EM estiver em execução;

[0023] - proporcionar uma ou duas fontes de potência distintas entre si para o ajuste da intensidade dos pulsos, para entregar energia à célula de eletromembrana, em que uma das fontes (1) promove o processo de eletromembrana em condições normais e a outra fonte (2) promove a aplicação de pulsos de polaridade reversa na célula de eletromembrana;

[0024] - fazer passar uma corrente contínua através do interruptor bipolar em distintas direções, para os eletrodos, em que as reações redox são levadas a cabo;

[0025] - gerar um potencial eletroquímico nos eletrodos para induzir o movimento dos íons para compartimentos distintos da célula;

[0026] - proporcionar um microcontrolador ou um gerador de pulsos, o qual instruirá o interruptor a alterar a polaridade;

[0027] - medir de forma contínua a queda de tensão e/ou resistência elétrica na célula de eletromembrana;

[0028] - definir um valor limiar para a queda de tensão e/ou para a resistência elétrica da célula de eletromembrana;

[0029] - realizar a limpeza das membranas uma vez alcançado o dito valor limiar, mediante a aplicação de pulsos assimétricos de polaridade inversa, com frequência variável, larguras de pulsos curtas e preferencialmente com intensidades superiores às da operação em condições normais ou aplicação de pulsações pausadas.

[0030] Ademais, a invenção refere-se a um sistema para inversão assimétrica de polaridade, para mitigar a contaminação e incrustações sobre as superfícies de membranas e a interrupção da polarização por concentração em processos de eletromembrana, que compreende:

[0031] - uma célula de eletromembrana (4), que compreende um par de eletrodos adequados para inversão da polaridade, em que um atua como ânodo (5) e o outro atua como cátodo (6), e um conjunto de membranas;

[0032] - um interruptor bipolar (3) que compreende ao menos 4 elementos eletrônicos de estado sólido (8, 9, 10, 11), com uma configuração de ponte-H para o direcionamento da corrente elétrica, em que 2 dos ditos elementos se encontram fechados (8 e 11) e os outros 2 se encontram abertos (9 e 10);

[0033] - um dispositivo que varie a frequência de aplicação de polaridade reversa e largura de pulso, de acordo com os requerimentos do sistema quando o processo estiver em execução;

[0034] - uma ou duas fontes de potência (1,2) distintas entre si para o ajuste da intensidade dos pulsos, para entregar energia à célula de eletromembrana (4);

[0035] - um microcontrolador ou um gerador de pulsos, o qual instruirá ao interruptor a alterar a polaridade, de acordo com variáveis do processo, em que o microcontrolador se encontra integrado aos circuitos do interruptor bipolar (3);

[0036] - em que o interruptor bipolar (3) pode se encontrar localizado dentro das fontes de potência (1, 2) ou entre as fontes de potência (1,2) e a célula de eletromembrana (4).

[0037] O microcontrolador poderá integrar informações do processo e ajustar a intensidade, frequência e largura de pulso, conforme o requerimento do processo. Um gerador de pulsos poderá controlar a reversão de polaridade com uma frequência, intensidade e largura de pulso fixos, sem possibilidade de ajuste automático conforme os requerimentos do processo.

[0038] A Figura 1 mostra uma vista geral de um processo de eletromembrana atualizado mediante a utilização de um interruptor bipolar 3 para inverter periodicamente a polaridade na célula 4. A intensidade dos pulsos pode ser ajustada com uma segunda fonte de potência 2, enquanto a operação normal é energizada por 1.

[0039] A Figura 2 é um diagrama esquemático da forma de realização principal desta invenção. Um microcontrolador ou um gerador de pulsos (não mostrado na figura) controla a abertura e fechamento dos elementos da ponte-H através dos circuitos 12, 13, 14 e 15, com base em uma condição ideal previamente estabelecida para um processo determinado, ou automatizada mediante medições contínuas da queda de tensão ou da resistência elétrica na célula de eletromembrana 4. O processo é geralmente levado a cabo com a fonte de potência 1, enquanto a fonte de potência 2 é utilizada para a aplicação de pulsos de alta intensidade. Ambas as fontes de potência compartilham a mesma terra, 7.

[0040] A operação normal é descrita da seguinte maneira: Uma fonte de potência 1, promove continuamente o processo de eletromembrana na célula 4, com uma tensão/densidade de corrente definida. O eletrodo 5 trabalha como ânodo e o eletrodo 6 como cátodo. Os elementos de estado sólido são ao menos quatro, 8, 9, 10 e 11. Nesse momento, os elementos 8 e 11 estão fechados, e 10 e 9 estão abertos. Todos os elementos de estado sólido mencionados deveriam ter diodos de roda livre para protegê-los de forças contraeletromotrizes geradas pelos gradientes salinos entre os compartimentos da célula.

[0041] Para pulsos de polaridade inversa de intensidade maior que em uma operação normal: Uma fonte de potência, 1 promove o processo de eletromembrana na célula 4, quando se aplica inversão de polaridade usando a segunda fonte de potência, 2, promovendo o processo por um tempo curto com uma intensidade maior que a usada com a fonte de potência 1. Aqui, o eletrodo 5 funciona como cátodo e o eletrodo 6 como ânodo. Nesse momento, os elementos de estado sólido 8 e 11 estão abertos, e 9 e 10 estão fechados. Esta inversão de polaridade pode ser programada no microcontrolador ou no gerador de pulsos. A inversão de polaridade pode ser considerada como um pulso com uma frequência de aplicação de 10-2 a 103 Hz e uma largura de pulso variando entre 10-5 a 100 segundos. A frequência, largura de pulso e amplitude ou intensidade são parâmetros que devem ser definidos dependendo da ocorrência das incrustações e a natureza química dos precipitados. Se a fonte de potência 1 é utilizada tanto na operação normal como na inversão da polaridade, a largura de pulso e/ou a frequência devem ser variáveis para manter um desempenho ideal do processo de eletromembrana em termos de mitigação de contaminação ou incrustações, ao longo de todo o tempo de operação. Se o propósito dos pulsos é apenas a intensificação do processo através da interrupção da polarização por concentração, a frequência dos pulsos aplicados pode ser mantida fixa.

[0042] Para pulsações pausadas: Uma fonte de potência, 1 promove o processo de eletromembrana na célula 4 quando uma pausa é aplicada (estado desligado). Nesse momento, todos os elementos de estado sólido 8 a 11 estão abertos para o tempo de pausa correspondente. As pausas podem ser consideradas como um pulso aplicado cada 100 a 103 segundos, em função da queda de voltagem da célula e a largura de pulso. O tempo de pausa dependeria da natureza dos precipitados ou incrustações no processo de eletromembrana selecionado. Um valor de largura de pulso típico se encontra entre 10-2 a 103 segundos. O aparelho descrito é capaz de realizar pausas de pulsos, mas é preferível aplicar pulsos de polaridade inversa em termos de intensidade, para perder o menor tempo de trabalho possível e diminuir o tamanho dos sistemas e, consequentemente o custo capital.

[0043] A Figura 3A é uma queda de tensão aproximada ou resistência elétrica através de uma célula EM em 17, EDR em 18, e para EM com inversão de polaridade assimétrica em 19. A taxa de contaminação e incrustação depende da composição das correntes líquidas processadas, condições físico-químicas tais como pH e temperatura, e a disponibilidade de tratamentos prévios.

[0044] A frequência dos pulsos aplicados depende da contaminação nas superfícies das membranas. Valores típicos variam entre 10-2 a 103 Hz. Por exemplo: se as membranas são contaminadas, a resistência elétrica da pilha de membranas se incrementará com a maior queda de tensão consequente através da célula. Se essa queda de tensão ou resistência elétrica alcança um valor limiar definido, 21, o dispositivo o detectará e inverterá a polaridade por um período curto (largura de pulso) que varia de 10-5 a 100 segundos, a fim de perturbar a precipitação sobre a superfície das membranas. Quando esse processo de eletromembrana é contínuo, as membranas serão mais propensas a se contaminarem com o tempo da operação, portanto, a frequência de pulsos aplicados aumentaria gradualmente até alcançar um valor definido 20. Quando a frequência limiar é alcançada, a operação se detém e se aplica opcionalmente uma pulsação de alta frequência (limpeza) de cerca de 101 a 107 Hz por 10-1 a 104 segundos, preferencialmente junto com protocolos de CIP tradicionais para restaurar as membranas contaminadas ou incrustadas. Nesse ponto, a polaridade pode ser invertida de forma permanente, para trabalhar nessa polaridade como uma operação normal. Essa inversão permanente pode ser realizada apenas se o sistema de trabalho é EDR com a correspondente mudança dos fluxos hidráulicos.

[0045] A Figura 3B é a forma de onda aproximada de um processo de eletromembrana, com uma amplitude de trabalho A1 na operação normal. A frequência de trabalho, F1 varia entre 10-2 a 103 Hz, até alcançar um valor limiar predefinido de frequência, com um valor maior que no começo do processo, correspondente a uma indicação para uma limpeza profunda em 20. Nesse momento, a frequência é alterada opcionalmente para valores mais altos em F2, com valores que entre 101 a 107 Hz, com uma amplitude variável, A2, com larguras de pulso curtas com valores que vão de 10-8 a 10-2 segundos, e pelo tempo de tratamento T2, determinado para a recuperação completa da função das membranas, com base na operação ideal e na utilização de substâncias químicas para CIP. Após restaurar as membranas, a frequência de trabalho F1, voltará a condições iniciais, isso até alcançar novamente a frequência limiar predefinida. A amplitude dos pulsos A3 é preferencialmente superior à tensão/densidade de corrente usada na operação normal, ainda que seja necessário evitar valores de alta tensão (superior a 3V por membrana) devido à evolução de ozônio, que pode danificar as membranas. A largura de pulso T3, varia em função da amplitude A3. Assim, com intensidades baixas seria necessário mais tempo para romper a polarização por concentração ou perturbar a formação de precipitados. Quando se utiliza uma só fonte de potência, A3 é igual a A1. Quando se aplicam pulsos pausados, A3 é igual a 0. Como mencionado, a amplitude dos pulsos A3 definirá a largura de pulso T3. Então, se A3 se reduz em amplitude, o valor de T3 deve aumentar para garantir a disrupção dos novos precipitados, e o tempo de trabalho em T1 será perdido. EXEMPLOS:

[0046] Os exemplos a seguir utilizam o interruptor bipolar acoplado a sistemas de eletromembranas para alterar a polaridade do sistema mediante a programação preferencialmente de um microcontrolador, ou de um gerador de pulsos em caso de defeito daquele. O interruptor bipolar pode idealmente estar integrado dentro da fonte de potência ou localizado fisicamente como um componente extra entre a fonte de potência e a célula de eletromembrana. A segunda opção é preferida para a atualização de processos já instalados.

[0047] Em todos os tratamentos, a frequência de trabalho pode ser dinâmica, variando entre 10-2 a 103 Hz, dependendo da ocorrência de contaminação e incrustações. Se o propósito da aplicação de pulsos é a intensificação do processo, então a frequência pode ser mantida fixa, usando a mesma faixa de frequência previamente mencionada.

[0048] Os valores limiares da queda de tensão / resistência de corrente, que indicam o momento para inverter a polaridade como um pulso, são determinados com base nos ditos valores da operação normal, com valores que se encontram entre 1,1 a 10 vezes os valores de operação normal. O valor limiar da frequência é escolhido quando o ciclo de trabalho se encontra entre 80,0 a 99,9%, que indica o momento para limpar exaustivamente as membranas com procedimentos CIP. Esse valor pode ser otimizado para cada sistema. Por exemplo, um ciclo de trabalho de 80,0% significa que 20,0% do tempo está em uma condição de polaridade reversa. Esse ciclo de trabalho é calculado com base na largura do pulso reverso e na frequência de pulsação. A composição química das correntes tratadas, os parâmetros físico-químicos, as características das membranas, o tempo de operação, entre outras variáveis, definirão todos esses valores mencionados e deverão ser otimizadas para cada processo específico. Um interruptor bipolar com um microcontrolador dedicado pode adquirir a informação relacionada como a queda de tensão, densidade de corrente e resistência elétrica para avaliar o tempo ideal para pulsar e limpar o sistema, tudo de forma automatizada. EXEMPLO 1:

[0049] A Figura 4A é a atualização de EDR utilizando pulsos de polaridade inversa. Uma frequência limiar definida, F4, é a indicação para a inversão permanente de polaridade com mudança de fluxos hidráulicos em 23. Ao mesmo tempo da mudança de fluxos hidráulicos, pode-se aplicar opcionalmente uma alta frequência de pulsação com valores entre 101 a 107 Hz por 101 a 104 segundos. A amplitude A4, ou intensidade do tratamento no período de trabalho é igual à amplitude de pulsos A5, porque apenas uma fonte de potência 1, está entregando energia à célula EDR 22. Aqui, a largura de pulso T4, pode ser variável e seu valor dependerá das características do processo.

[0050] Essa atualização permitirá um aumento no tempo de trabalho entre os ciclos de inversão de polaridade elétrica e hidráulica, com uma consequente diminuição da perda de produtividade, devido ao fato de que a mistura de produtos, quando o sistema hidráulico altera entre ciclos, se faz menos frequente. O único requisito para esse modo de funcionamento é o interruptor bipolar 3. EXEMPLO 2:

[0051] A Figura 4B mostra a atualização dos processos de eletromembrana utilizando pulsos de polaridade inversa. Uma frequência limiar definida F4 é a indicação para CIP em 20. A amplitude A4 ou intensidade da operação é igual à amplitude dos pulsos aplicados A5 porque apenas uma fonte de potência 1 está energizando o sistema. O requisito para essa atualização é o interruptor bipolar, 3, e um par de eletrodos adequados, 5 e 6, para inversão de polaridade da célula 4. EXEMPLO 3:

[0052] A Figura 5A é a atualização de EDR usando pulsos de polaridade inversa com intensidades superiores à operação normal. Uma frequência definida, F4, é a indicação para a inversão permanente de polaridade com a mudança dos fluxos hidráulicos em 23. No mesmo tempo da mudança dos fluxos hidráulicos, uma alta frequência de pulsações pode ser aplicada de forma opcional, com valores de cerca de 101 a 107 Hz por 101 a 104 segundos. A amplitude, A6, ou intensidade do tratamento no período de trabalho é diferente da amplitude dos pulsos, A7, porque duas fontes de potência, 1 e 2, estão alimentando o sistema. A amplitude dos pulsos, A7, pode ser de alta intensidade para perturbar o precipitado em tempos curtos. Além disso, a amplitude desses pulsos, A7, pode ser 0 para trabalhar como pausas, ainda que esse modo não seja recomendado se o propósito é a intensificação do processo e a autolimpeza do sistema. Em consequência, a largura de pulso ou tempo de pulsação, T5, serão curtos quando a intensidade é aumentada e mais extensos se a intensidade é diminuída, para alcançar resultados similares em termos de perturbação na formação de precipitados ou disrupção do fenômeno de polarização por concentração. Essa atualização permite uma extensão no tempo de trabalho entre os ciclos de inversão de polaridade elétrica e hidráulica de EDR, a diminuição da perda de produtividade devido à mistura dos fluxos de líquidos e o tempo de mudança do sistema hidráulico. O requisito para esse modo de funcionamento é o interruptor bipolar 3 e a segunda fonte de potência 2. EXEMPLO 4:

[0053] A Figura 5B mostra a atualização dos processos de eletromembrana usando pulsos de polaridade inversa com intensidades superiores à operação normal. Usando duas fontes de potência, 1 e 2, é possível aplicar intensidades diferentes da operação normal à célula EM 4. A segunda fonte de potência, 2, garante um bom desempenho e estabilidade quando a polaridade é alterada. A amplitude dos pulsos, A7, pode ser de alta intensidade para perturbar facilmente os precipitados sobre as superfícies das membranas. Também é possível aplicar pausas se a amplitude de A7 é 0, ainda que esse modo de operação seja menos intensivo para autolimpeza ou para aumentar as densidades de corrente limite. Consequentemente, a largura de pulso dos pulsos, T5, será mais estreita com altas intensidades e mais larga se a intensidade é diminuída, para alcançar o mesmo efeito em uma limpeza periódica. Os requisitos para esta operação são uma segunda fonte de potência 2, o interruptor bipolar 3, e um par de eletrodos adequados para inverter a polaridade, 5 e 6. VANTAGENS DA INVENÇÃO:

[0054] Ao aplicar o método e o sistema da invenção, podem-se obter as seguintes vantagens comparativas com o que atualmente se desenvolve no estado da técnica:

[0055] ao existir uma autolimpeza permanente dos sistemas, se diminui a quantidade de substâncias químicas e a frequência de lavagens necessárias para restaurar a função das membranas.

[0056] devido à disrupção da polarização por concentração, a intensidade de corrente limite se incrementa em comparação com um sistema convencional, com o qual os processos de eletromembrana se intensificam.

[0057] ao se intensificar os processos, o tamanho dos sistemas diminui, o tempo de trabalho diminui, os processos se aceleram.

[0058] devido à disrupção da polarização por concentração, se obtém maior controle sobre o pH, evitando a dissociação da água e, consequentemente, a formação de incrustações minerais e precipitação de coloides.

[0059] a redução de incrustações minerais reduz a utilização de compostos químicos anti-incrustantes.

[0060] há um aumento na produção ao incrementar os tempos entre mudança de ciclos em eletrodiálise reversível.

[0061] é possível processar novos tipos de amostras, com um alto teor de orgânicos ou espécies incrustantes.

Claims (23)

REIVINDICAÇÕES

1. Método para inversão assimétrica de polaridade, para mitigar a contaminação e incrustações sobre as superfícies de membranas e a interrupção da polarização por concentração em processos de eletromembrana, o método CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: proporcionar uma célula de eletromembrana que compreende um par de eletrodos adequados para inversão da polaridade, um eletrodo que atua como ânodo (5) e outro como cátodo (6), e um conjunto de membranas; proporcionar um interruptor bipolar que compreende ao menos 4 elementos eletrônicos de estado sólido, com uma configuração de ponte-H para o ajuste da intensidade, em que em condições de operação normal, alguns elementos (8 e 11) se fecham, e outros elementos (9 e 10) se abrem para dar direção à corrente; proporcionar um dispositivo que varie a frequência de aplicação de polaridade reversa e largura de pulso, de acordo com os requerimentos do sistema quando o processo estiver em execução; proporcionar uma ou duas fontes de potência distintas entre si para o ajuste da intensidade dos pulsos, para entregar energia à célula de eletromembrana, em que uma das fontes (1) promove o processo de eletromembrana em condições normais e a outra fonte (2) promove a aplicação de pulsos de polaridade reversa na célula de eletromembrana; fazer passar uma corrente contínua através do interruptor bipolar em distintas direções, para os eletrodos, em que se as reações redox são levadas a cabo; gerar um potencial eletroquímico nos eletrodos para induzir o movimento dos íons para compartimentos distintos da célula; proporcionar um microcontrolador ou um gerador de pulsos, o qual instruirá o interruptor a alterar a polaridade; medir de forma contínua a queda de tensão e/ou resistência elétrica na célula de eletromembrana; definir um valor limiar para a queda de tensão e/ou para a resistência elétrica da célula de eletromembrana; realizar a limpeza das membranas uma vez alcançado o dito valor limiar, mediante a aplicação de pulsos assimétricos de polaridade inversa, com frequência variável, larguras de pulsos curtas e preferencialmente com intensidades superiores às da operação em condições normais ou aplicação de pulsações pausadas.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o microcontrolador ou gerador de pulso é programado com os valores de queda de tensão e/ou resistência elétrica limiar, que indica a necessidade de inverter a polaridade para limpeza das membranas.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a limpeza das membranas é realizada mediante a aplicação de pulsos assimétricos de polaridade inversa com alta intensidade, em que se invertem os elementos de estado sólido, os elementos que se encontravam fechados (8 e 11) se abrem e os que se encontravam abertos (9 e 10) se fecham, a polaridade nos eletrodos é invertida, em que o eletrodo que atuava como ânodo (5) atuará como cátodo e o eletrodo que atuava como cátodo (6) atuará como ânodo, os pulsos são aplicados com uma frequência de 10-2 a 103 Hz com uma largura de pulso que varia entre 10-5 e 100 segundos.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a limpeza das membranas é realizada mediante a aplicação de pulsações pausadas, em que todos os elementos sólidos (8, 9, 10, 11) se encontram abertos durante o tempo de pausa aplicado, em que a dita pausa corresponde a pulsos aplicados a cada 100 a 103 segundos com uma largura de pulso que varia entre 10-2 e 103 segundos.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o processo de eletromembrana é contínuo, os pulsos são aplicados com maior frequência até alcançar um valor limiar de frequência, a operação é detida e se aplica uma pulsação de alta frequência de 101 a 107 Hz durante 10-1 a 104 segundos, para limpar exaustivamente as membranas.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o valor limiar da frequência é escolhido quando o ciclo de trabalho do processo alcança 80,0 a 99,9%, o que indica a necessidade de uma limpeza exaustiva das membranas com procedimentos de limpeza in situ (CIP).

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que a limpeza das membranas é realizada em conjunto com protocolos de limpeza (CIP) tradicionais.

8. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a densidade de corrente limite é incrementada em comparação com a densidade de corrente limite alcançada por um sistema convencional, intensificando com isso o processo de eletromembrana.

9. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o processo de eletromembrana é selecionado a partir de um processo de: eletrodiálise convencional (ED), eletrodiálise reversível (EDR), eletrodiálise com membranas bipolares (BMED), deionização capacitiva (CDI), eletrodeionização (EDI), eletrodiálise inversa (RED), sistemas de células de combustível microbiano (MFC), dessalinização mediante polarização por concentração de íons (ICP).

10. Método, de acordo com a reivindicação 3 e 9, CARACTERIZADO pelo fato de que o processo de eletromembrana é um processo de eletrodiálise reversível (EDR), em que a polaridade invertida se mantém para continuar com a operação em forma normal, realizando a mudança nos fluxos hidráulicos correspondentes para o processo EDR, e continuando com as pulsações.

11. Método, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que se utiliza apenas uma fonte de potência se a intensidade do pulso não é ajustada e se utilizam 2 fontes de potência se a intensidade do pulso é incrementada ou se pausas são efetuadas.

12. Método, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que o processo de eletromembrana é um processo de eletrodiálise inversa (RED), em que o potencial eletroquímico gerado pelos gradientes salinos gera energia elétrica e uma fração dessa energia é usada para a autolimpeza periódica das membranas e para métodos de protocolo de limpeza in situ (CIP).

13. Método, de acordo com a reivindicação 1,

CARACTERIZADO pelo fato de que o processo de limpeza é levado a cabo em frequências que variam entre 10-2 e 103 Hz.

14. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o valor limiar da queda de tensão e/ou resistência elétrica são 1,1 a 10 vezes os valores dos mesmos em condições normais.

15. Sistema para inversão assimétrica de polaridade, para mitigar a contaminação e incrustações sobre as superfícies de membranas e a interrupção da polarização por concentração em processos de eletromembrana, o sistema CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: uma célula de eletromembrana (4) que compreende um par de eletrodos adequados para inversão da polaridade, em que um atua como ânodo (5) e o outro atua como cátodo (6), e um conjunto de membranas; um interruptor bipolar (3) que compreende ao menos 4 elementos eletrônicos de estado sólido (8, 9, 10, 11), com uma configuração de ponte-H para o ajuste da intensidade dos pulsos de polaridade inversa, em que 2 dos ditos elementos se encontram fechados (8 e 11) e os outros 2 se encontram abertos (9 e 10); um dispositivo que varie a frequência de aplicação de polaridade reversa e largura de pulso, de acordo com os requerimentos do sistema quando o processo estiver em execução; uma ou duas fontes de potência (1, 2) distintas entre si para o ajuste da intensidade dos pulsos, para entregar energia à célula de eletromembrana (4); um microcontrolador ou um gerador de pulsos, o qual instruirá ao interruptor a alterar a polaridade, de acordo com variáveis do processo, em que o microcontrolador se encontra integrado aos circuitos do interruptor bipolar (3); em que o interruptor bipolar (3) pode se encontrar localizado dentro das fontes de potência (1, 2) ou entre as fontes de potência (1,2) e a célula de eletromembrana (4).

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que o interruptor bipolar (3) se localiza entre as fontes de potência (1, 2) e a célula de eletromembrana (4) em sistemas de processos de eletromembrana já instalados.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que a célula de eletromembrana (4) corresponde a uma célula para: eletrodiálise convencional (ED), eletrodiálise reversível (EDR), eletrodiálise com membranas bipolares (BMED), deionização capacitiva (CDI), eletrodeionização (EDI), eletrodiálise inversa (RED), sistemas de células de combustível microbiana (MFC), dessalinização mediante polarização por concentração de íons (ICP).

18. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que as membranas da célula de eletromembrana (4) correspondem a membranas de intercâmbio iônico ou membranas bipolares.

19. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que os elementos eletrônicos de estado sólido (8, 9, 10, 11) correspondem aos utilizados em transistores do tipo MOSFET (transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor) ou IGBT (transistor bipolar de porta isolada).

20. Sistema, de acordo com a reivindicação 15,

CARACTERIZADO pelo fato de que os elementos eletrônicos de estado sólido (8, 9, 10,11) se conectam em paralelo para poder suprir maiores quantidades de energia às células.

21. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que os elementos eletrônicos de estado sólido (8, 9, 10, 11) possuem diodos de proteção que protegem das forças contraeletromotrizes que são geradas pelos gradientes salinos dentro dos compartimentos das células.

22. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que o microcontrolador integrado no interruptor bipolar (3) processa informação do sistema para modificar as variáveis de aplicação de pulsos.

23. Sistema, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que se utiliza apenas 1 fonte de potência se a intensidade do pulso não é ajustada e se utilizam 2 fontes de potência se a intensidade do pulso é incrementada ou se pausas são efetuadas.