BR112020001137B1 - METHOD AND APPARATUS FOR ASYMMETRIC POLARITY INVERSION IN ELECTROMEMBRANE PROCESSES - Google Patents

METHOD AND APPARATUS FOR ASYMMETRIC POLARITY INVERSION IN ELECTROMEMBRANE PROCESSES Download PDF

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Álvaro Maurício González Vogel
Olli Pekka Joutsimo
Klaus Erwin Bornhardt Brachmann
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Investigaciones Forestales Bioforest S.A.
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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 (...).Methods and circuits of an apparatus are described for interrupting the phenomenon of polarization by concentration, and for self-cleaning electromembrane processes by applying asymmetric pulses of reverse polarity with high intensity and variable frequency. The device, a bipolar switch, is based on solid-state electronic elements such as transistors, such as MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor, for its acronym in English: "Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor" ) or IGBT (insulated gate bipolar transistor, for its acronym in English: "Insulated Gate Bipolar Transistor") to conduct polarity inversion over a range of frequencies, intensities and pulse widths, in order to prevent or reduce the formation of precipitates on the membrane surfaces. The inversion protocol is also provided, with a variable frequency depending on the appearance of contamination of the membranes, measured by the drop in voltage or electrical resistance of the membrane stack during processes with electromembranes. High frequencies can be applied when system cleaning is required, alone or in conjunction with other physical-chemical cleaning in situ procedures (CIP, for its acronym in English: Cleaning In Place). Various solid-state electronic elements can (...).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO:FIELD OF THE INVENTION:

[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.[0001] The achievements of the invention relate to the field of mitigating contamination and fouling and interrupting polarization by concentration in electromembrane (EM) processes such as conventional electrodialysis (ED), reversible electrodialysis (EDR, for their acronyms in English “Reversal Electrodialysis”, in which the polarity is reversed every 15-30 minutes to self-clean the membranes), electrodialysis with bipolar membranes (BMED), capacitive deionization (CDI), electrodeionization (EDI), reverse electrodialysis (RED, for its acronyms in English “Reverse Electrodialysis”, in which salt gradients are used to obtain energy), microbial fuel cell systems (MFC), desalination with ion concentration polarization (ICP) and those improved operations associated with all the systems mentioned.

ESTADO DA TÉCNICA:STATE OF THE TECHNIQUE:

[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.[0002] Currently, contamination and fouling of electromembrane processes remain problems that limit the application of these technologies. Mitigating contamination and scale by inverting polarity is a strategy commonly used in EDR operations, the inversion function applies every 15 to 30 minutes, where each time the electrical polarity is inverted, the demineralized water compartments they become concentrate compartments and vice versa. This operation also requires a change in the corresponding hydraulic flow path. This results in the need for complicated hydraulic flow and control with automatic valves that takes at least 40 seconds. The consequent loss of time and mixing of the product with the rejection stream is an inevitable loss that represents around 5% of total production. Consequently, EDR is not used for the production of fine chemicals due to the loss of working time and valuable products.

[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.[0003] On the other hand, concentration polarization is an inherent phenomenon of EM processes that also restrict the operation of said systems. At some point, as the electrical current passing through the system increases, a limit is eventually reached due to concentration polarization. In the operation of EM processes, this value is called limiting current density (LCD), which depends on many parameters, due to which it is usually determined empirically. When working with LCD values (or above this value), the pH becomes uncontrolled in the EM cell, due to the dissociation of water, causing scale and contamination problems. In practice, only 80-90% of the LCD applies. Generally, it is desirable to increase these LCD values in order to intensify the processes, reducing the area of the membrane to be used and, consequently, the size of the equipment and the capital cost.

[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.[0004] The use of direct current cycles was described in US patent 3,029,196 more than 50 years ago. US patent 8,038,867 B2 refers to an ambiguous application of electrical pulses in electrodialysis, without detailed mention of a device to carry out the methodology. Application WO 2010/143945 refers to a method of self-cleaning membranes using the inversion of electrical pulses for ED, RED, CDI and MFC. This description mentions an electrodialysis device, but no device has been described for creating a pulsed electric field (PEF, for its acronym in English: “Pulsed Electric Field”). Application WO 2010/143945 claims a device and method for cleaning membranes using electrical pulses of reverse polarity. However, only a generation of functions for applying pulse widths is mentioned, without details about the electronic circuits used. This application does not describe the application of asymmetric pulses based on process parameters, the use of an H-bridge and how the intensity, frequency and width of the pulses are modulated. Patent application US 2016/228820 refers to a method for improving the performance of electrodialysis using different methods, including pulsed reverse polarity. The authors mention that the application of pulses is only for cleaning the electrodes and that it is not necessary to change the electronics and hydraulics of the systems. There is no reference about the use of any H-bridge, interruption of contamination and fouling on membrane surfaces using asymmetric pulses, and the variation of frequency, intensity and pulse width in relation to the electrical resistance of the cell when it is in operation.

[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.[0005] On the other hand, document CN 104,022,676 describes a method for producing asymmetric pulse square waves using a half-bridge configuration with MOSFETs and a power source. The circuits differ completely from the configuration of an H-bridge (full bridge) fed by two power sources. Furthermore, the purpose of the device is the generation of PWM (pulse width modulation, for its acronym in English: “Pulse Width Modulation”), without mention of its application in EM processes. Patent application US 2014/0254204 relates to a DC/DC (direct current/direct current) converter based on a half-bridge configuration to achieve zero voltage operation using asymmetric pulses. The circuits and application described in this document differ completely from the present invention.

[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.[0006] Therefore, it is desirable to have a device that allows updating the EM processes, reducing the occurrence of contamination and scale, increasing the LCD value by disrupting the phenomenon of polarization by concentration, and increasing the electrical and polarity reversal cycle. hydraulics in EDR. To do this, you need a pair of electrodes suitable for polarity inversion, such as those with EDR, a second power source and the device described. This device can be integrated with power sources to apply asymmetric pulses with reverse polarity with variable frequency, pulse width and intensities. The term asymmetric refers to the variation in frequency, width (time) and intensity of pulses, dynamically, according to the requirements of each system.

RESUMO DA INVENÇÃO:SUMMARY OF THE INVENTION:

[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.[0007] Contamination in electromembrane technologies can be avoided by periodically inverting electrical polarity with variable frequencies and intensities, as long as they have suitable inversion electrodes (both can be used as anode or cathode), a second power source and a bipolar switch designed for this type of applications. Reverse polarity pulses stop the formation of new mineral scale and contamination with organic matter, preventing irreversible damage to ion exchange membranes and bipolar membranes. \On the other hand, periodic pulses of reverse polarity interrupt the phenomenon of polarization by concentration, through the generation of turbulence, allowing an increase in the intensity of the process due to the higher limit current densities (LCD) that can be achieved. Furthermore, the interruption of polarization by concentration helps to stabilize pH values, consequently reducing the appearance of scale.

[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.[0008] For EM processes, this change in polarity must be applied as asymmetric pulses, with variable frequency, short pulse widths and intensities greater than normal operating values. A suitable bipolar switch is then required that is designed for EM processes, simple and low cost, both in terms of capital investment and installation and operating costs. Unlike EDR, with the use of asymmetric pulses, changes in hydraulic flows would not be necessary and, consequently, the use of automatic valves with complex flow paths.

[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.[0009] This bipolar switch is based on an H-bridge configuration, a technique used in electric motors to change the direction of rotation. This is the first time that an H-bridge has been used in electromembrane systems, and that the H-bridge is powered by two distinct power sources to adjust the intensity of reverse polarity pulses. Furthermore, it is the first time that frequency, intensities and pulse widths are automatically adjusted according to process characteristics. The method allows polarity inversion in a variety of electromembrane systems, reducing the addition of chemicals and maintenance of these systems, increasing the stability and useful life of the membranes, and intensifying the process (with high limiting current densities) through of the disruption of the phenomenon of polarization by concentration.

[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).[0010] The described system is composed of one or two power sources (power or energy), a bipolar switch and an EM cell. The electromembrane cell is a general term that includes a variety of previously mentioned processes, in which only one power source is used if the pulse intensity is not adjusted and 2 power sources are used if the pulse intensity is increased or if breaks are taken. This cell contains two electrodes and a set of membranes, usually ion exchange membranes and/or bipolar membranes. The electrodes in electromembrane cells must be suitable to work as cathode and anode, reducing the risk of deterioration during polarity inversion. The second power source allows you to adjust the intensity of the pulses, if you wish to include this function. The power source(s) delivers energy to the electromembrane cell via the bipolar switch. A direct current passes through the bipolar switch, controlling the direction of this current. Electrical energy is received by electrodes where redox reactions are carried out. An electrochemical potential is generated at the electrodes, inducing the movement of ions to different compartments of the cell, the dissociation of water molecules, etc. In some processes, the electrochemical potential generated by salt gradients can produce electrical energy. In this case, a fraction of the energy produced can be used for periodic self-cleaning of the membranes and as a method for in situ cleaning protocols (CIP).

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS:BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES:

[0011] Figura 1: é uma representação esquemática de um processo de eletromembrana acoplado a um interruptor bipolar para inverter a polaridade periodicamente.[0011] Figure 1: is a schematic representation of an electromembrane process coupled to a bipolar switch to periodically invert polarity.

[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.[0012] Figure 2: These are the circuits of an H-bridge for polarity inversion in electromembrane processes, with variable intensity, using a second power source.

[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.[0013] Figure 3A: is an approximate voltage drop and/or electrical resistance across a stack of membranes in conventional electromembrane processes, reversible electrodialysis and electromembrane systems with asymmetric pulses of reverse polarity.

[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.[0014] Figure 3B: is the approximate waveform applied as pulses of reverse polarity, variable frequency and optionally the use of high frequency pulses when carrying out conventional cleaning protocols.

[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.[0015] Figure 4A: is the EDR operating mode applying asymmetric polarity inversion pulses between each inversion cycle, keeping the valves automatic for hydraulic flow changes. The pulse application frequency is variable, and high-frequency pulses can be used optionally when chemical washing of the membranes is carried out.

[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.[0016] Figure 4B: is the operating mode of electromembrane processes applying asymmetric polarity inversion pulses, with variable frequency, and optional high frequency pulses when washing protocols are applied.

[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.[0017] Figure 5A: is the updated EDR operating mode, applying asymmetric polarity inversion pulses with higher intensities than in normal operation, variable frequency and, optionally, high frequency when cleaning protocols are carried out in place. The system is pulsed between each inversion cycle, maintaining automatic valves for hydraulic flow changes.

[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.[0018] Figure 5B: is the operating mode of electromembrane processes applying asymmetric polarity inversion pulses, with higher intensities than in normal operation, variable frequency, and optionally high frequency when carrying out conventional cleaning protocols.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO:DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION:

[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:[0019] The invention relates to a method for asymmetric polarity inversion, to mitigate contamination and fouling on membrane surfaces and the interruption of polarization by concentration in electromembrane processes, which comprises the steps of:

[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;[0020] - provide an electromembrane cell (4), which comprises a pair of electrodes suitable for polarity inversion, an electrode that acts as an anode (5) and another as a cathode (6), and a set of membranes;

[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;[0021] - provide a bipolar switch comprising at least 4 solid-state electronic elements, with an H-bridge configuration for directing the electric current, in which under normal operating conditions, some elements (8 and 11) close , and other elements (9 and 10) open to give the corresponding direction to the current;

[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;[0022] - providing a device that varies the reverse polarity application frequency and pulse width, according to system requirements when the EM process is running;

[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;[0023] - provide one or two distinct power sources to adjust the intensity of the pulses, to deliver energy to the electromembrane cell, where one of the sources (1) promotes the electromembrane process under normal conditions and the other source (1) promotes the electromembrane process under normal conditions and the other source (2) promotes the application of reverse polarity pulses in the electromembrane cell;

[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;[0024] - passing a direct current through the bipolar switch in different directions, to the electrodes, where the redox reactions are carried out;

[0025] - gerar um potencial eletroquímico nos eletrodos para induzir o movimento dos íons para compartimentos distintos da célula;[0025] - generate an electrochemical potential on the electrodes to induce the movement of ions to different compartments of the cell;

[0026] - proporcionar um microcontrolador ou um gerador de pulsos, o qual instruirá o interruptor a alterar a polaridade;[0026] - provide a microcontroller or a pulse generator, which will instruct the switch to change polarity;

[0027] - medir de forma contínua a queda de tensão e/ou resistência elétrica na célula de eletromembrana;[0027] - continuously measure the voltage drop and/or electrical resistance in the electromembrane cell;

[0028] - definir um valor limiar para a queda de tensão e/ou para a resistência elétrica da célula de eletromembrana;[0028] - define a threshold value for the voltage drop and/or electrical resistance of the electromembrane cell;

[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.[0029] - clean the membranes once the said threshold value has been reached, by applying asymmetric pulses of reverse polarity, with variable frequency, short pulse widths and preferably with intensities greater than those of operation under normal conditions or application of pulsations paused.

[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:[0030] Furthermore, the invention relates to a system for asymmetric polarity inversion, to mitigate contamination and fouling on membrane surfaces and the interruption of polarization by concentration in electromembrane processes, which comprises:

[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;[0031] - an electromembrane cell (4), which comprises a pair of electrodes suitable for polarity inversion, in which one acts as an anode (5) and the other acts as a cathode (6), and a set of membranes;

[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);[0032] - a bipolar switch (3) comprising at least 4 solid-state electronic elements (8, 9, 10, 11), with an H-bridge configuration for directing the electric current, in which 2 of said elements are closed (8 and 11) and the other 2 are open (9 and 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;[0033] - a device that varies the reverse polarity application frequency and pulse width, according to system requirements when the process is running;

[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);[0034] - one or two power sources (1,2) distinct from each other for adjusting the intensity of the pulses, to deliver energy to the electromembrane cell (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);[0035] - a microcontroller or a pulse generator, which will instruct the switch to change polarity, according to process variables, in which the microcontroller is integrated into the circuits of the bipolar switch (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).[0036] - in which the bipolar switch (3) can be located within the power sources (1, 2) or between the power sources (1,2) and the electromembrane cell (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.[0037] The microcontroller can integrate process information and adjust the intensity, frequency and pulse width, according to the process requirements. A pulse generator can control polarity reversal with a fixed frequency, intensity and pulse width, without the possibility of automatic adjustment according to process requirements.

[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.[0038] Figure 1 shows an overview of an electromembrane process upgraded by using a bipolar switch 3 to periodically invert the polarity in cell 4. The intensity of the pulses can be adjusted with a second power source 2, while the normal operation is energized by 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.[0039] Figure 2 is a schematic diagram of the main embodiment of this invention. A microcontroller or a pulse generator (not shown in the figure) controls the opening and closing of the H-bridge elements through circuits 12, 13, 14 and 15, based on an ideal condition previously established for a given process, or automated by continuous measurements of the voltage drop or electrical resistance in the electromembrane cell 4. The process is generally carried out with power source 1, while power source 2 is used for applying high intensity pulses. Both power sources share the same ground, 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.[0040] Normal operation is described as follows: A power source 1 continuously promotes the electromembrane process in cell 4, with a defined voltage/current density. Electrode 5 works as the anode and electrode 6 as the cathode. The solid state elements are at least four, 8, 9, 10 and 11. At this time, elements 8 and 11 are closed, and 10 and 9 are open. All solid-state elements mentioned should have free-wheeling diodes to protect them from counter-electromotive forces generated by salt gradients between cell compartments.

[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.[0041] For reverse polarity pulses of greater intensity than in normal operation: A power source, 1 promotes the electromembrane process in cell 4, when polarity inversion is applied using the second power source, 2, promoting the process for a short time with an intensity greater than that used with power source 1. Here, electrode 5 functions as the cathode and electrode 6 as the anode. At this time, solid state elements 8 and 11 are open, and 9 and 10 are closed. This polarity inversion can be programmed into the microcontroller or pulse generator. Polarity reversal can be considered as a pulse with an application frequency of 10-2 to 103 Hz and a pulse width ranging from 10-5 to 100 seconds. The frequency, pulse width and amplitude or intensity are parameters that must be defined depending on the occurrence of scale and the chemical nature of the precipitates. If power source 1 is used in both normal operation and polarity reversal, the pulse width and/or frequency must be variable to maintain optimal performance of the electromembrane process in terms of mitigating contamination or fouling throughout throughout the operating time. If the purpose of the pulses is merely to intensify the process by interrupting concentration polarization, the frequency of the applied pulses can be kept fixed.

[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.[0042] For paused pulsations: A power source, 1 promotes the electromembrane process in cell 4 when a pause is applied (off state). At this time, all solid state elements 8 to 11 are open for the corresponding pause time. Pauses can be considered as a pulse applied every 100 to 103 seconds, depending on the cell voltage drop and pulse width. The dwell time would depend on the nature of the precipitates or scale in the selected electromembrane process. A typical pulse width value is between 10-2 to 103 seconds. The device described is capable of pausing pulses, but it is preferable to apply pulses of reverse polarity in terms of intensity, to waste as little working time as possible and reduce the size of the systems and, consequently, the capital cost.

[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.[0043] Figure 3A is an approximate voltage drop or electrical resistance across an EM cell at 17, EDR at 18, and for EM with asymmetric polarity reversal at 19. The rate of contamination and fouling depends on the composition of the liquid streams processed, physical-chemical conditions such as pH and temperature, and the availability of prior treatments.

[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.[0044] The frequency of the applied pulses depends on the contamination on the membrane surfaces. Typical values range from 10-2 to 103 Hz. For example: if the membranes are contaminated, the electrical resistance of the membrane stack will increase with the resulting greater voltage drop across the cell. If this drop in voltage or electrical resistance reaches a defined threshold value, 21, the device will detect it and reverse the polarity for a short period (pulse width) ranging from 10-5 to 100 seconds in order to disturb the precipitation on the surface of the membranes. When this electromembrane process is continuous, the membranes will be more likely to become contaminated over time of operation, therefore, the frequency of applied pulses would gradually increase until reaching a set value 20. When the threshold frequency is reached, the operation stops and a high-frequency pulsation (cleaning) of about 101 to 107 Hz for 10-1 to 104 seconds is optionally applied, preferably in conjunction with traditional CIP protocols to restore contaminated or fouled membranes. At this point, the polarity can be permanently reversed to work in this polarity as normal operation. This permanent inversion can only be carried out if the working system is EDR with the corresponding change in hydraulic flows.

[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.[0045] Figure 3B is the approximate waveform of an electromembrane process, with a working amplitude A1 in normal operation. The working frequency, F1, varies between 10-2 and 103 Hz, until reaching a predefined frequency threshold value, with a value higher than at the beginning of the process, corresponding to an indication for a deep cleaning at 20. At that moment, the frequency is optionally changed to higher values in F2, with values ranging from 101 to 107 Hz, with a variable amplitude, A2, with short pulse widths with values ranging from 10-8 to 10-2 seconds, and by the treatment time T2, determined for complete recovery of membrane function, based on optimal operation and use of chemicals for CIP. After restoring the membranes, the working frequency F1 will return to initial conditions, until it reaches the predefined threshold frequency again. The amplitude of the A3 pulses is preferably higher than the voltage/current density used in normal operation, although it is necessary to avoid high voltage values (higher than 3V per membrane) due to the evolution of ozone, which can damage the membranes. The T3 pulse width varies depending on the A3 amplitude. Therefore, at low intensities, more time would be needed to break the concentration polarization or disturb the formation of precipitates. When using a single power source, A3 is equal to A1. When paused pulses are applied, A3 is equal to 0. As mentioned, the amplitude of the A3 pulses will define the T3 pulse width. So, if A3 reduces in amplitude, the value of T3 must increase to ensure the disruption of new precipitates, and the working time in T1 will be lost.

EXEMPLOS:EXAMPLES:

[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.[0046] The following examples use the bipolar switch coupled to electromembrane systems to change the polarity of the system by programming preferably a microcontroller, or a pulse generator in the event of a defect. The bipolar switch can ideally be integrated within the power source or physically located as an extra component between the power source and the electromembrane cell. The second option is preferred for updating already installed processes.

[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.[0047] In all treatments, the working frequency can be dynamic, varying between 10-2 to 103 Hz, depending on the occurrence of contamination and scale. If the purpose of applying pulses is to intensify the process, then the frequency can be kept fixed, using the same frequency range previously mentioned.

[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.[0048] The voltage drop / current resistance threshold values, which indicate the moment to reverse polarity as a pulse, are determined based on said values of normal operation, with values that lie between 1.1 to 10 times normal operating values. The frequency threshold value is chosen when the duty cycle is between 80.0 to 99.9%, which indicates the time to thoroughly clean the membranes with CIP procedures. This value can be optimized for each system. For example, a duty cycle of 80.0% means that 20.0% of the time is in a reverse polarity condition. This duty cycle is calculated based on the reverse pulse width and pulsation frequency. The chemical composition of the treated streams, the physical-chemical parameters, the characteristics of the membranes, the operating time, among other variables, will define all these values mentioned and must be optimized for each specific process. A bipolar switch with a dedicated microcontroller can acquire related information such as voltage drop, current density and electrical resistance to evaluate the ideal time to pulse and clean the system, all in an automated way.

EXEMPLO 1:EXAMPLE 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.[0049] Figure 4A is the EDR update using reverse polarity pulses. A defined threshold frequency, F4, is the indication for permanent polarity inversion with a change in hydraulic flows by 23. At the same time as the change in hydraulic flows, a high pulsation frequency with values between 101 and 107 Hz can optionally be applied. for 101 to 104 seconds. The amplitude A4, or treatment intensity in the working period, is equal to the pulse amplitude A5, because only one power source 1 is delivering energy to the EDR cell 22. Here, the pulse width T4 can be variable and its value will depend on the characteristics of the process.

[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.[0050] This update will allow an increase in working time between electrical and hydraulic polarity inversion cycles, with a consequent decrease in productivity loss, due to the fact that the mixture of products, when the hydraulic system changes between cycles, is less frequent. The only requirement for this operating mode is bipolar switch 3.

EXEMPLO 2:EXAMPLE 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.[0051] Figure 4B shows the update of electromembrane processes using reverse polarity pulses. A defined threshold frequency F4 is the indication for CIP at 20. The amplitude A4 or intensity of operation is equal to the amplitude of the applied pulses A5 because only one power source 1 is energizing the system. The requirement for this upgrade is the bipolar switch, 3, and a pair of suitable electrodes, 5 and 6, for polarity inversion of cell 4.

EXEMPLO 3:EXAMPLE 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.[0052] Figure 5A is the EDR update using reverse polarity pulses with intensities greater than normal operation. A defined frequency, F4, is the indication for permanent inversion of polarity with the change of hydraulic flows by 23. At the same time as the change of hydraulic flows, a high frequency of pulsations can be optionally applied, with values of ca. 101 to 107 Hz for 101 to 104 seconds. The amplitude, A6, or intensity of treatment during the work period is different from the amplitude of the pulses, A7, because two power sources, 1 and 2, are feeding the system. The amplitude of the pulses, A7, can be of high intensity to disturb the precipitate in short times. Furthermore, the amplitude of these pulses, A7, can be 0 to work as pauses, although this mode is not recommended if the purpose is to intensify the process and self-clean the system. Consequently, the pulse width or pulsation time, T5, will be short when the intensity is increased and longer if the intensity is decreased, to achieve similar results in terms of disturbing the formation of precipitates or disrupting the concentration polarization phenomenon. . This upgrade allows for an extension in working time between EDR electrical and hydraulic polarity reversal cycles, a reduction in productivity loss due to mixing of liquid flows, and hydraulic system changeover time. The requirement for this operating mode is bipolar switch 3 and second power source 2.

EXEMPLO 4:EXAMPLE 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.[0053] Figure 5B shows the upgrade of electromembrane processes using reverse polarity pulses with intensities greater than normal operation. Using two power sources, 1 and 2, it is possible to apply intensities different from normal operation to the EM cell 4. The second power source, 2, guarantees good performance and stability when the polarity is changed. The amplitude of the pulses, A7, can be of high intensity to easily disturb the precipitates on the membrane surfaces. It is also possible to apply pauses if the amplitude of A7 is 0, although this mode of operation is less intensive for self-cleaning or to increase threshold current densities. Consequently, the pulse width of the pulses, T5, will be narrower at high intensities and wider if the intensity is decreased, to achieve the same effect in a periodic cleaning. The requirements for this operation are a second power source 2, the bipolar switch 3, and a pair of electrodes suitable for inverting the polarity, 5 and 6.

VANTAGENS DA INVENÇÃO:ADVANTAGES OF THE INVENTION:

[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:[0054] By applying the method and system of the invention, the following comparative advantages can be obtained with what is currently developed in the state of the art:

[0055] r 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.[0055] By permanently self-cleaning the systems, the amount of chemical substances and the frequency of washing necessary to restore the function of the membranes are reduced.

[0056] r 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.[0056] r Due to the disruption of polarization by concentration, the limiting current intensity increases compared to a conventional system, with which the electromembrane processes intensify.

[0057] r ao se intensificar os processos, o tamanho dos sistemas diminui, o tempo de trabalho diminui, os processos se aceleram.[0057] When processes are intensified, the size of the systems decreases, working time decreases, and processes accelerate.

[0058] r 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.[0058] r due to the disruption of polarization by concentration, greater control over pH is obtained, avoiding the dissociation of water and, consequently, the formation of mineral scale and colloid precipitation.

[0059] r a redução de incrustações minerais reduz a utilização de compostos químicos anti-incrustantes.[0059] Reducing mineral scale reduces the use of chemical anti-scale compounds.

[0060] r há um aumento na produção ao incrementar os tempos entre mudança de ciclos em eletrodiálise reversível.[0060] There is an increase in production by increasing the times between changing cycles in reversible electrodialysis.

[0061] r é possível processar novos tipos de amostras, com um alto teor de orgânicos ou espécies incrustantes.[0061] It is possible to process new types of samples, with a high content of organics or fouling species.

Claims (15)

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 sendo 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 com valores > 10-5 segundos e preferencialmente com intensidades superiores às da operação em condições normais ou aplicação de pulsações pausadas; em 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, em 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), em que um ciclo de trabalho de 80,0% significa que 20,0% do tempo está em uma condição de polaridade invertida.1. Method for asymmetric inversion of polarity to mitigate contamination and fouling on membrane surfaces and interruption of polarization by concentration in electromembrane processes, the method being CHARACTERIZED by the fact that it comprises: providing an electromembrane cell comprising a pair of electrodes suitable for polarity inversion, one electrode that acts as an anode (5) and another as a cathode (6), and a set of membranes; provide a bipolar switch comprising at least 4 solid state electronic elements, with an H-bridge configuration for intensity adjustment, wherein under normal operating conditions, some elements (8 and 11) close, and other elements ( 9 and 10) open to give direction to the current; providing a device that varies the reverse polarity application frequency and pulse width according to system requirements when the process is running; provide one or two power sources distinct from each other to adjust the intensity of the pulses, to deliver energy to the electromembrane cell, where one of the sources (1) promotes the electromembrane process under normal conditions and the other source (2) promotes the application of reverse polarity pulses to the electromembrane cell; pass a direct current through the bipolar switch in different directions, to the electrodes, where redox reactions are carried out; generate an electrochemical potential at the electrodes to induce the movement of ions to different compartments of the cell; provide a microcontroller or pulse generator, which will instruct the switch to change polarity; continuously measure the voltage drop and/or electrical resistance in the electromembrane cell; define a threshold value for the voltage drop and/or electrical resistance of the electromembrane cell; carry out cleaning of the membranes once the said threshold value has been reached, by applying asymmetric pulses of reverse polarity, with variable frequency, short pulse widths with values > 10-5 seconds and preferably with intensities greater than those of operation under normal conditions or application of paused pulsations; in which the electromembrane process is continuous, pulses are applied with greater frequency until reaching a threshold frequency value, the operation is stopped and a high frequency pulse of 101 to 107 Hz is applied for 10-1 to 104 seconds, to exhaustively clean the membranes, where the frequency threshold value is chosen when the process duty cycle reaches 80.0 to 99.9%, which indicates the need for exhaustive cleaning of the membranes with cleaning in situ procedures (CIP ), where a duty cycle of 80.0% means that 20.0% of the time is in a reversed polarity condition. 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.2. Method, according to claim 1, CHARACTERIZED by the fact that the microcontroller or pulse generator is programmed with voltage drop values and/or threshold electrical resistance, which indicates the need to invert the polarity to clean the membranes . 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 intensidades maiores do que as da operação em condições normais, 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.3. Method, according to claim 1, CHARACTERIZED by the fact that cleaning the membranes is carried out by applying asymmetric pulses of reverse polarity with intensities greater than those of operation under normal conditions, in which the elements of solid state, the elements that were closed (8 and 11) open and those that were open (9 and 10) close, the polarity in the electrodes is reversed, in which the electrode that acted as the anode (5) will act as cathode and the electrode that acted as the cathode (6) will act as the anode, the pulses are applied with a frequency of 10-2 to 103 Hz with a pulse width that varies between 10-5 and 100 seconds. 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.4. Method, according to claim 1, CHARACTERIZED by the fact that cleaning the membranes is carried out by applying paused pulsations, in which all solid elements (8, 9, 10, 11) are open during the time applied pause, wherein said pause corresponds to pulses applied every 100 to 103 seconds with a pulse width varying between 10-2 and 103 seconds. 5. 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).5. Method, according to claim 1, CHARACTERIZED by the fact that the electromembrane process is selected from a process of: conventional electrodialysis (ED), reversible electrodialysis (EDR), electrodialysis with bipolar membranes (BMED), deionization capacitive (CDI), electrodeionization (EDI), inverse electrodialysis (RED), microbial fuel cell systems (MFC), desalination through ion concentration polarization (ICP). 6. Método, de acordo com a reivindicação 3 e 5, 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.6. Method, according to claims 3 and 5, CHARACTERIZED by the fact that the electromembrane process is a reversible electrodialysis process (EDR), in which the inverted polarity is maintained to continue the operation in normal form, carrying out the change in the corresponding hydraulic flows for the EDR process, and continuing with the pulsations. 7. Método, de acordo com a reivindicação 5, 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.7. Method, according to claim 5, CHARACTERIZED by the fact that only one power source is used if the pulse intensity is not adjusted and 2 power sources are used if the pulse intensity is increased or if pauses are made . 8. Método, de acordo com a reivindicação 5, 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).8. Method, according to claim 5, CHARACTERIZED by the fact that the electromembrane process is an inverse electrodialysis (RED) process, in which the electrochemical potential generated by salt gradients generates electrical energy and a fraction of this energy is used to periodic self-cleaning of membranes and for cleaning in situ protocol (CIP) methods. 9. 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.9. Method, according to claim 1, CHARACTERIZED by the fact that the threshold value of the voltage drop and/or electrical resistance are 1.1 to 10 times their values under normal conditions. 10. 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 sendo CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: uma célula de eletromembrana (4) compreendendo 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) compreendendo 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 organizado para variar 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, organizado para instruir o 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) é localizado dentro das fontes de potência (1, 2) ou entre as fontes de potência (1,2) e a célula de eletromembrana (4).10. System for asymmetric polarity inversion, to mitigate contamination and fouling on membrane surfaces and the interruption of polarization by concentration in electromembrane processes, the system being CHARACTERIZED by the fact that it comprises: an electromembrane cell (4) comprising a pair of electrodes suitable for polarity inversion, with one acting as the anode (5) and the other acting as the cathode (6), and a set of membranes; a bipolar switch (3) comprising at least 4 solid state electronic elements (8, 9, 10, 11), with an H-bridge configuration for adjusting the intensity of pulses of reverse polarity, in which 2 of said elements are are closed (8 and 11) and the other 2 are open (9 and 10); a device arranged to vary the reverse polarity application frequency and pulse width in accordance with system requirements when the process is running; one or two power sources (1, 2) distinct from each other for adjusting the intensity of the pulses, to deliver energy to the electromembrane cell (4); a microcontroller or a pulse generator, organized to instruct the switch to change polarity, according to process variables, in which the microcontroller is integrated into the bipolar switch circuits (3); wherein the bipolar switch (3) is located within the power sources (1, 2) or between the power sources (1,2) and the electromembrane cell (4). 11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, 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.11. System, according to claim 10, CHARACTERIZED by the fact that the bipolar switch (3) is located between the power sources (1, 2) and the electromembrane cell (4) in already installed electromembrane process systems . 12. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, 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), em que as membranas da célula de eletromembrana (4) correspondem a membranas de intercâmbio iônico ou membranas bipolares, e usa apenas uma fonte de potência se a intensidade do pulso não for ajustada ou usa duas fontes de potência se a intensidade do pulso é aumentada ou se forem produzidas pausas.12. System, according to claim 10, CHARACTERIZED by the fact that the electromembrane cell (4) corresponds to a cell for: conventional electrodialysis (ED), reversible electrodialysis (EDR), electrodialysis with bipolar membranes (BMED), deionization capacitive (CDI), electrodeionization (EDI), inverse electrodialysis (RED), microbial fuel cell systems (MFC), desalination through ion concentration polarization (ICP), where the electromembrane cell membranes (4) correspond to ion exchange membranes or bipolar membranes, and uses only one power source if the pulse intensity is not adjusted or uses two power sources if the pulse intensity is increased or pauses are produced. 13. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, 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), em 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.13. System, according to claim 10, CHARACTERIZED by the fact that the solid state electronic elements (8, 9, 10, 11) correspond to those used in MOSFET type transistors (metal-oxide-semiconductor field effect transistor ) or IGBT (insulated gate bipolar transistor), in which the solid-state electronic elements (8, 9, 10, 11) have protective diodes that protect against counter-electromotive forces that are generated by salt gradients within the cell compartments. 14. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, 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.14. System, according to claim 10, CHARACTERIZED by the fact that the solid state electronic elements (8, 9, 10,11) are connected in parallel to supply greater amounts of energy to the cells. 15. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que o microcontrolador integrado no interruptor bipolar (3) processa informação do sistema para modificar as variáveis de aplicação de pulsos.15. System, according to claim 10, CHARACTERIZED by the fact that the microcontroller integrated in the bipolar switch (3) processes system information to modify the pulse application variables.
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