BR112021009334A2 - sistema eletrodialítico usado para remover solvente de fluxos fluidos e não fluidos - Google Patents

Abstract

SISTEMA ELETRODIALÍTICO USADO PARA REMOVER SOLVENTE DE FLUXOS FLUIDOS E NÃO FLUIDOS. A presente invenção refere-se a um sistema, o qual inclui um dispositivo de eletrodiálise com uma câmara de salinização através da qual um fluxo salino escoa. Uma câmara de dessalinização é separada da câmara de salinização por uma membrana central seletiva de íons. Um fluxo dessalinizador escoa através da câmara de dessalinização. Uma câmara de anólito e uma câmara de católito estão sobre lados externos opostos das câmaras de salinização e de dessalinização e separadas das mesmas por uma primeira e uma segunda membranas de troca iônica. Uma interface de troca de solvente está em contato sobre um primeiro lado com o fluxo salino e está em contato com um fluxo médio sobre um segundo lado. A interface de troca de solvente move um solvente do fluxo médio para o fluxo salino.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “SISTEMA ELETRODIALÍTICO USADO PARA REMOVER SOLVENTE DE FLUXOS FLUIDOS E NÃO FLUIDOS”.

SUMÁRIO

[0001] A presente divulgação refere-se a um sistema eletrodialítico usado para remover água de fluxos fluidos e não fluidos. Em uma modalidade, um sistema inclui um dispositivo de eletrodiálise com uma câmara de salinização através da qual um fluxo salino escoa. Uma câmara de dessalinização é separada da câmara de salinização por uma membrana central seletiva de íons. Um fluxo dessalinizador escoa através da câmara de dessalinização. Uma câmara de anólito e uma câmara de católito estão sobre lados externos opostos das câmaras de salinização e de dessalinização e separadas das mesmas por uma primeira e uma segunda membranas de troca iônica. O transporte de íons entre as câmaras de anólito e de católito é acionado por reações de Faraday induzidas por uma voltagem aplicada através das câmaras de anólito e de católito. Uma interface de troca de solvente está em contato sobre um primeiro lado com o fluxo salino e está em contato com um fluxo médio sobre um segundo lado. A interface de troca de solvente move um solvente do fluxo médio para o fluxo salino.

[0002] Estas e outras características e aspectos de várias modalidades podem ser entendidos em vista da discussão detalhada a seguir e dos desenhos anexados.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0003] A discussão abaixo faz referência às figuras que se seguem, em que os mesmos números de referência podem ser usados para identificar o mesmo componente / componente similar em múltiplas figuras. Os desenhos não estão necessariamente em escala.

[0004] As FIGURAS 1 e 1A são diagramas de um sistema dessecante líquido de acordo com uma modalidade de exemplo;

[0005] a FIGURA 2 é uma visão em perspectiva de um sistema de condicionamento de ar de acordo com uma modalidade de exemplo;

[0006] a FIGURA 3 é um diagrama de bloco de um sistema de condicionamento de ar de acordo com uma modalidade de exemplo;

[0007] a FIGURA 4 é um diagrama de um sistema dessecante líquido de acordo com uma modalidade de exemplo;

[0008] as FIGURAS 5A e 5B são diagramas de pilhas eletrodialíticas de acordo com modalidades de exemplo;

[0009] a FIGURA 6 é um diagrama de um permutador de calor usado com uma interface ar-líquido de acordo com uma modalidade de exemplo;

[0010] a FIGURA 7 é um diagrama de uma pilha eletrodialítica multiestágio de acordo com uma modalidade de exemplo;

[0011] a FIGURA 8 é um fluxograma de um método de acordo com uma modalidade de exemplo;

[0012] as FIGURAS 9 e 10 são diagramas de dispositivos de eletrodiálise de acordo com modalidades de exemplo adicionais;

[0013] a FIGURA 11 é um diagrama de um sistema usado para remover solvente de vários fluidos e não fluidos de acordo com uma modalidade de exemplo; e

[0014] a FIGURA 12 é um fluxograma de um método de acordo com another modalidade de exemplo.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0015] A presente divulgação refere-se a sistemas dessecantes líquidos. Um sistema dessecante líquido pode ser usado, entre outras coisas, em aquecimento, ventilação, e condicionamento de ar (HVAC). Condicionamento de ar é responsável por quase 10% do comsumo de eletricidade dos Estados Unidos, com desumidificação sendo responsável por mais da metade da carga em regiões úmidas. A presente divulgação descreve uma abordagem termodinâmica eficiente para desumidificação para condicionamento de ar. Geralmente, um sistema inclui um desumidificador de membrana em conjunto com um concentrador dessecante líquido de eletrodiálise assitida por redox.

[0016] Os sistemas descritos aqui, tiram proveito de um processo de eletrodiálise assistido por redox que possibilita um sistema de condicionamento de ar dessecante líquido à base de membrana. Neste processo de eletrodiálise (ED) assistido por redox, uma solução aquosa de uma espécie redox ativa é circulada entre o anodo e o catodo de uma pilha eletroquímica ára concentrar soluções iônicas, eliminando mudanças de fase termodinâmicas acionadas por calor ou pressão necessárias para compressão de vapor (VC) ou condicionamento de ar à base de dessecante. Dessecantes líquidos (por exemplo, soluções aquosas de cloreto de lítio, LiCl) vão absorver umidade do ar através de uma interface de membrana. Dessecantes líquidos diluídos vão ser reconcentrados de maneira eficiente, evitando a entrada de calor latente requerida para evaporar água. Estima-se que a eficiência reforçada deste novo ciclo proposto leve a 1,5 Quads de economia de energia anualmente em 2030.

[0017] Na FIGURA 1, um diagrama ilustra um sistema de condicionamento de ar de dessecante líquido eletrodialítico (ELDAC) 100 de acordo com uma modalidade de exemplo. O sistema 100 inclui uma seção dessecante 102 e uma seção de arrefecimento 104. Na seção dessecante 102, o ar exterior 106 (e/ou o ar recirculado) é forçado através de um secador de membrana transportadora de líquido 108, também referido aqui, neste requerimento de patente, como uma interface ar-líquido. O ar 106 pode ser o ar do lado de fora de alta temperatura e alta umidade relativa (RH). A água 109 do ar 106 é absorvida na interface de membrana 108 para um dessecante líquido concentrado 110, por exemplo, de LiCl aquoso, e em seguida é passada através de um regenerador assistido por redox 112 para separar o fluxo diluído 114 (por exemplo, água de descarga) e reconcentrar o fluxo de dessecante 110. Outros concentrados podem ser usados para o dessecante, ao invés de LiCl, por exemplo, NaCl, LiBr, e CaCl2.

[0018] A umidade está reduzida no ar 115 que sai da seção dessecante 102, em que é arrefecida pela seção de arrefecimento

104. Esta seção de arrefecimento 104 pode incluir um evaporador 116 e outros componentes não mostrados (por exemplo, condensador, compressor). Como o ar 115 que entra na seção de arrefecimento 104 tem menor umidade relativa em comparação com o ar do lado de fora / recirculado 106, o evaporador 116 é mais eficiente e pode reduzir a temperatura do ar arrefecido 120 por uma quantidade maior do que se o evaporador 116 também tivesse de condensar umidade do ar que entra 115. Resultados experimentais medindo a energia usada por eletrodiálise assistida por redox para concentrar soluções aquosas iônicas mostram que o sistema ELDAC 100 pode ter uma entrada de calor específica de regeneração (RSHI) de menos de 0,05 kBTU/lb, a qual é até 30 vezes menor do que os métodos de regeneração térmica atualmente usados.

[0019] Conforme visto na perspectiva detalhada 122 da FIGURA 1A, o regenerador assistido por redox 112 tem duas membranas externas de troca iônica 124 que separam os canais redox externos 126 do concentrado interno 110 e fluxos diluídos 114. Neste exemplo as membranas externas de troca iônica 124 são configuradas como membranas de troca de ânions (AEM). O concentrado 110 e fluxos diluídos 114 são separados por uma membrana central de troca iônica 130, a qual neste exemplo é uma membrana de troca de cátions (CEM). Em outras configurações, a membrana central de troca iônica

130 pode ser uma AEM e as membranas externas 124 podem ser CEMs.

[0020] Uma voltagem externa 132 induz oxidação ou redução em moléculas de transporte redox ativas, impulsionando movimento iônico através das membranas 124, 130 sem separação da água ou produção de outros subprodutos gasosos (por exemplo, cloro) e criação de dois fluxos: dessecante reconcentrado 110 e água de descarga 114. Este objetivo pode ser realizado durante múltiplos estágios. Um transporte redox proposto é um derivado de ferroceno carregado positivamente, tal como (bis(trimetilamôniopropil)ferroceno/ bis(trimetilamôniopropil) ferrocênio, [BTMAP-Fc]2+/[BTMAP-Fc]3+) 134, o qual é não tóxico, altamente estável, tem cinética eletroquímica muito rápida e permeabilidade de membrana desprezível. Outras soluções de transporte redox podem incluir ferrocianeto/ferricianeto ([Fe(CN)6]4−/[Fe(CN)6]3−) ou um derivado de ferroceno carregado negativamente. As partes móveis do sistema podem incluir bombas de baixa pressão para circulação de líquido e ventiladores para circulação de ar. Detalhes adicionais deste tipo de pilha eletrodialítica de quatro canais, com auxílio de transporte redox podem ser encontrados no pode ser encontrado no Requerimento de Patente U.S. No. 16/200.289 de propriedade comum (Número do arquivo do procurador 20171214US03 / PARC.225U1), o qual é por este incorporado por meio de referência em sua totalidade.

[0021] Na FIGURA 2, uma visão em perspectiva mostra detalhes de um sistema ELDAC 200 de acordo com uma modalidade de exemplo. Na FIGURA 3, um diagrama de bloco mostra relações funcionais entre alguns dos componentes mostrados na FIGURA 2, bem como mostra outros componentes de acordo com modalidades adicionais. O sistema 200 inclui um invólucro 202 que encerra vários componentes funcionais e proporciona caminhos de dutos de ar. O ar umidificado 214 (por exemplo, ar externo e/ou de retorno) é direcionado através de um primeiro duto 220 através de um ventilador de ar 212. Este ar 214 é forçado através de um desumidificador de interface ar-líquido 206. Neste exemplo, o desumidificador 206 é configurado como um elemento de membrana retangular que preenche o primeiro duto 220.

[0022] Dentro de um frame 206a do desumidificador 206 estão uma ou mais membranas planares 206b através das quais o dessecante líquido é circulado. Em outras modalidades, tubo oco, superfícies líquida-para-ar, spray líquido, podem ser usados no desumidificador 206 ao invés ou além de uma membrana planar 206b. O movimento do fluido dessecante através da membrana 206b pode ser realizado usando qualquer combinação de ação capilar, alimentação de gravidade, bombeamento direto do líquido, etc. Uma grade 206c pode ser proporcionada para suporte mecânico da membrana 206b para reduzir o flexão provocada pela pressão do ar a partir do fluxo de ar 214. Uma bomba de líquido 207 é usada para mover o dessecante líquido de um tanque de armazenamento opcional 210 para o desumidificador de membrana 206, onde absorve água do ar 214 e é alimentada de volta para um regenerador assistido por redox 208. O regenerador assistido por redox 208 separa a água do dessecante líquido, onde a água separada é descarregada através de um dreno 209. Observa-se que enquanto os componentes 207, 208, 210 e tubulação associada são mostrados fora do invólucro 202 por conveniência de ilustração, podem estar parcialmente ou totalmente localizados dentro do invólucro 202.

[0023] O ar 216 que tenha passado através do desumidificador de membrana 206 tem baixa umidade relativa e portanto pode ser processado de maneira mais eficiente por um removedor de calor sensível 204, por exemplo, um evaporador de um condicionador de ar de ciclo refrigerante. O ar arrefecido 218 que tenha passado através do removedor de calor sensível 204 passa através do duto de suprimento 220 onde exite o invólucro 202 e é usado para arrefecer um espaço alvo, por exemplo, prédio, veículo, etc.

[0024] Observa-se que, na FIGURA 3, um tanque de armazenamento redox 300 é mostrado em comunicação de fluidos com o regenerador LD 208. O sistema ELDAC 200 pode incluir um ou ambos os reservartórios redox e de dessecante 300, 210. Observa-se que o armazenamento de dessecante 210 pode armazenar fluido tanto para o fluxo concentrado quanto para o fluxo diluído (por exemplo, fluxos 110 e 114 na FIGURA 1), usando reservatórios separados ou um único reservatório com duas ou mais partições. O armazenamento redox 300 pode armazenar de modo similar partes concentradase e diluídas do fluxo redox (por exemplo, partes inferior e superior do fluxo 126 mostradas na FIGURA 1). Estes reservatórios 210, 300 podem ser usados como tampões em algumas modalidades. Por exemplo, se a água que escoa do sistema ELDAC 200 não for igual à água sendo absorvida do ar, um entre dessecante concentrado ou diluído (ou uma combinação de ambos) pode ser retirado do reservatório 210 para assegurar que o loop de dessecante mantenha os níveis de concentrado e/ou taxas de fluxo desejados.

[0025] Os reservatórios 210, 300 podem ser de capacidade suficiente para serem usados para outros fins além de desumidificação. Por exemplo, conforme é descrito no Requerimento de Patente U.S. No. 16/200.289 (Número do arquivo do procurador 20171214US03 / PARC.225U1), uma bateria eletrodialítica 302 pode usar as soluções redox 300 para gerar eletricidade, deste modo recuperando parte da eletricidade usada em desumidificação. Os processos referidos podem ser operados junto com ou separadamente da desumidificação. Por exemplo, a geração de eletricidade pode ocorrer à noite, quando o sistema é utilizado ligeiramente ou desligado.

[0026] Na FIGURA 4, um diagrama mostra detalhes adicionais de um sistema dessecante líquido de acordo com uma modalidade de exemplo. Uma pilha eletrodialítica 400 proporciona um invólucro para um loop de dessecante líquido 402 e um loop de transporte redox 404. Os loops 402, 404 são separados dentro do nicho 400 por membranas de troca externa 406 e os caminhos de diluído/concentrado 402a, 402b do loop de dessecante líquido 402 são separados por uma membrana central de troca 408. Os fluidos nos loops 402, 404 são acionados pelas bombas 412, 410, respectivamente.

[0027] O loop de dessecante líquido 402 se inicia com um dessecante líquido concentrado no ponto 402c. O loop de dessecante 402 inclui uma solução iônica aquosa, tal como cloreto de lítio em água. As concentrações de partida típicas vão ser de ~30% de dessecante em peso. A solução de dessecante concentrada é posta em contato com uma interface de ar-para-membrana / um permutador 414, tal como o desumidificador de membrana 206 mostrado nas FIGURAS 2 e 3. No permutador 414, ar de maior umidade relativa 416 entra e ar de menor umidade relativa 418 sai. O vapor d’água 420 do ar é puxado através de uma membrana seletiva para água 422 (ou outra interface líquido-ar) no permutador 414 pelo dessecante, deste modo diluindo a solução de dessecante que exite em uma menor concentração no ponto 402d.

[0028] Na pilha eletrodialítica 400, a solução de dessecante líquido de menor concentração 402d é dividida na junção 402e dividida nos fluxos separados 402a, 402b que são postos em contado com as membranas 406, 408 da pilha 400. O fluxo 402b é concentrado à medida que passa através da pilha 400 e entra de novo na bomba 412 tendo a mesma concentração que o ponto 402c. O outro fluxo 402a é diluído à medida que passa através da pilha 400 e sai como um fluxo altamente diluído de água, o qual pode ser drenado, armazenado, ou usado para algum outro fim.

[0029] A bomba 410 circula o transporte redox entre os pontos 404a e 404b, portanto entra em contato com eletrodos 424. Uma voltagem 426 aplicada através da pilha eletrodialítica impulsiona íons do fluxo 402a para o fluxo 402b, do fluxo 402a para o fluxo 404b, e do fluxo 404a para o fluxo 402b. Em cada caso, os impulsionamento dos íons através das membranas 406, 408 afeta a concentração. Uma modalidade alternativa de uma pilha eletrodialítica 500 é mostrada na FIGURA 5A usando LiCl como o concentrado dessecante e [BTMAP- Fc]2+/[BTMAP-Fc]3+ como o transporte redox. O concentrado dessecante LiCl é dividido em um fluxo dessalinizador/diluído e um fluxo concentrado 504 por uma membrana de troca iônica central 506, neste caso uma CEM. Um loop de transporte redox 508 tem o primeiro e o segundo fluxos redox 508a-b separados do fluxo diluído e do fluxo concentrado do loop de dessecante líquido pelas respectivas primeira e segunda membranas externas de troca iônica 507, 509 de um tipo diferente (neste caso uma AEM) da membrana de troca iônica central

506.

[0030] Outra modalidade alternativa de uma pilha eletrodialítica 510 é mostrada na FIGURA 5B usando LiCl como o concentrado dessecante e [Fe(CN)6]4−/[Fe(CN)6]3− como o transporte redox. O concentrado dessecante LiCl é dividido em um fluxo dessalinizador/diluído, e um fluxo concentrado 514 por uma membrana de troca iônica central 516, neste caso uma AEM. Um loop de transporte redox 518 tem o primeiro e o segundo fluxos redox 518a-b separados do fluxo diluído e do fluxo concentrado do loop de dessecante líquido pelas respectivas primeira e segunda membranas exterrnas de troca iônica 517, 519 de um tipo diferente (neste caso uma CEM) da membrana de troca iônica central 516. Observa-se que as pilhas eletrodialíticas 500, 510 mostradas nas FIGURAS 5A e 5B podem ser usadas em qualquer um dos loops de desumidificação mostrados aqui.

[0031] A parte de desumidificação do sistema acima descrito requer somente entrada de eletricidade para acionar bombas e a pilha eletrodialítica bem como um fluxo de ar de entrada a ser desumidificado. Haverão fluxos externos de água e ar de baixa umidade relativa. O sistema é destinado para uso para desumidificação, embora possa ser adaptado para usos adicionais, por exemplo, gerar eletricidade a partir de solução redox armazenada. É proporcionado um benefício porque ELDAC requer significativamente menos energia do que os sistemas de desumidificação existentes devido ao uso de concentração eletrodialítica em superpotencial zero ou próximo ao quase zero. Como o sistema não se baseia em separação da água para impulsionar movimento iônico, o sistema ELDAC não gera quaisquer gases tóxicos ou inflamáveis (por exemplo, cloro ou hidrogênio) quando usados sobre soluções salinas concentradas diferentemente de outros processos eletroquímicos como eletrodiálise convencional. Uma aplicação de exemplo pode ser usar ELDAC a montante de um condicionador de ar normal para eliminar a carga de calor latente para o condicionador de ar e menores contas de condicionamento de ar.

[0032] A absorção da umidade no dessecante líquido é exotérmica, de tal modo que vai aumentar a temperatura da interface ar-líquido que carrega o dessecante líquido. Este aumento na temperatura pode resultar em cargas aumentadas sobre uma seção de arrefecimento sensível que recebe ar que passa através da interface ar-líquido. Na FIGURA 6, um diagrama mostra um sistema oara remover calor de uma interface ar-líquido 600 de acordo com uma modalidade de exemplo. Um permutador de calor 602 é acoplada termicamente a elementos de transferência de calor 604 que são distribuídos através de partes (por exemplo, a membrana) da interface

600.

[0033] Os elementos de transferência de calor 604 podem ser tiras condutoras (por exemplo, metais, nanotubos de carbono, etc.), tubos de calor passivo preenchidos com gás ou preenchidos com líquido (por exemplo, termossifão), tubos através dos quais um gás ou líquido é bombeado, absorvedores de calor radiativo, ou outras estruturas que carregam calor, conhecidas na técnica. O calor carregado através dos elementos 604 é liberado para o permutador de calor 602, o qual é submetido a um fluxo de arrefecimento 606. O fluxo de arrefecimento 606 é um fluxo de gás ou líquido que carrega calor para longe do permutador de calor 602 e finalmente pode despejar o calor para um dissipador de calor ambiente (por exemplo, ar, solo, água). Em outras modalidades, o calor 608 pode ser transferido (por exemplo, ao longo do caminho de transferência de calor 610) para outros dissipadores de calor, tais como uma pilha eletrodialítica 612 (a qual pode ser a mesma pilha que proporciona dessecante para a interface 600 ou uma pilha diferente) e/ou a água de descarga 614 do sistema (por exemplo, a água de descarga 114 na FIGURA 1).

[0034] No exemplo anterior, uma pilha eletrodialítica incluiu um único loop redox. Em outras modalidades, uma pilha pode incluir múltiplos loops redox e membranas iônicas associadas para adicionalmente aumentar o nível de diluição/concentração e/ou para aumentar a quantidade de fluxo de dessecante que pode ser tratado. Na FIGURA 7, um diagrama de bloco mostra uma pilha eletrodialítica de duplo estágio 700 de acordo com uma modalidade de exemplo.

[0035] A pilha eletrodialítica 700 processa um loop de dessecante líquido 702 que é dividido em um fluxo diluído 702a e um fluxo concentrado 702b que passa através de um primeiro estágio 704. O fluxo 702a que sai do estágio 704 é adicionalmente dividida em um segundo fluxo diluído 702d e um segundo fluxo concentrado 702e que passa através de um segundo estágio 706. O fluxo 702e que sai do estágio 706 está em uma concentração menor do que o fluxo 702b que sai do estágio 704 e pode ser remisturado com o fluxo de saída 702c e reintroduzido para o estágio anterior 704 ao invés de ser remisturado com 702b e reintroduzido na interface ar-líquido 708. De modo a maximizar a eficiência, as concentrações de dessecante nos fluxos 702c e 702e são cerca de equivalentes (por exemplo, dentro de 0 a 20%).

[0036] Cada um dos estágios 704, 706 tem uma membrana de troca iônica central 704a, 706a que separa os fluxos diluídos 702a, 702d e os fluxos concentrados 702b, 702e. Cada um dos estágios 704, 706 tem um loop de transporte redox 704b, 706b com o primeiro e o segundo fluxos redox 704ba, 704bb, 706ba, 706bb separados dos fluxos diluídos 702a, 702d e dos fluxos concentrados 702b, 702e do loop de dessecante líquido 702 pelas respectivas primeira e segunda membranas externas de troca iônica 704c, 704d, 706c, 706d. Os estágios 704, 706, cada um incluem o primeiro e o segundo eletrodos 704e, 704f, 706e, 706f que são operáveis para aplicar uma voltagem através dos estágios 704, 706 da pilha eletrodialítica 700.

[0037] Uma interface ar-líquido 708 está em comunicação de fluidos com o fluxo concentrado 702b do dessecante líquido que sai do primeiro estágio 704. A interface ar-líquido 708 expõe o fluxo concentrado 702b do dessecante líquido ao ar que escoa através da interface ar-líquido 708, o fluxo concentrado sendo diluído através de absorção de água do ar para formar um fluxo de saída 702c. O fluxo de saída 702c é combinado com o fluxo de saída 702e que sai do segundo estágio 706. Uma primeira bomba 712 circula o dessecante líquido através da pilha eletrodialítica 700 e a interface ar-líquido 708. Depois de ser combinado com o fluxo de saída 702e, o fluxo de saída 702c da interface ar-líquido 708 é dividido no fluxo diluído 702a e no fluxo concentrado 702b depois da entrada na pilha eletrodialítica 700.

[0038] As voltagens através dos eletrodos 704e, 704f, 706e, 706f provoca movimento iônico através das membranas centrais de troca iônica 704a, 706a e da primeira membrana de troca iônica externa 704c, 706c resultando em um concentrado dessecante se movendo do primeiro fluxo diluído 702a para o primeiro fluxo redox 704ba do estágio 704 e para o primeiro fluxo concentrado 702b, e de modo similar do segundo fluxo diluído 702d para o primeiro fluxo redox 706ba do estágio 706 e para o segundo fluxo concentrado 702e. As segundas bombas 714, 716 circulam os loops de transporte redox 704b, 706b de tal modo que os primeiros fluxos redox 704ba, 706ba e os segundos fluxos redox 704bb, 706bb escoem através das respectivas primeiras membranas externas de troca iônica 704c, 706c e segundas membranas externas de troca iônica 704d, 706d. As voltagens também vão fazer com que um segundo movimento iônico (e movimento iônico similar) através das segundas membranas de troca externa 704d, 706d resulte em movimento do concentrado dessecante dos segundos fluxos redox 704bb, 706bb para os fluxos concentrados 702b, 702e.

[0039] Observa-se que os estágios 704, 706 podem ser os mesmos ou diferentes. Por exemplo, cada estágio 704 pode usar uma combinação diferente de solução de transporte redox, tipo de membrana de permuta central e externa, voltagem, geometria de membrana, geometria de fluxo dessecante, taxa de fluxo redox, etc. Deste modo, os estágios 704, 706 podem ser otimizados para diferentes concentrações esperadas dentro das partes dos fluxos diluídos 702a, 702d e dos fluxos concentrados 702b, 702e. Os estágios 704, 706 podem operar ao mesmo tempo, e um ou outro pode ser desligado sob algumas condições. Por exemplo, se o nível de concentrado dentro do fluxo diluído 702a estiver abaixo de algum limiar, um dos estágios 704, 706 pode ser desligado para economizar energia e reduzir o desgaste. Se o nível de concentrado dentro do fluxo diluído 702a estiver abaixo deste limiar, o estágio desativado 704, 706 pode ser reiniciado.

[0040] A modalidade mostrada na FIGURA 7 pode ser estendida para mais de dois estágios 704, 706. Além disso, apesar dos estágios 704, 706 serem mostrados como parte de uma única unidade de pilha eletrodialítica 700, podem ser implementados como invólucros separados que são acoplados, por exemplo, por tubulação para carregar os fluxos 702a, 702b, 702d, 702e do loop de dessecante 702. Em uma modalidade, pode ser usada uma bomba redox ao invés das duas bombas 714, 716, por exemplo, operando os loops 704b, 706b em paralelo ou em série. Observa-se que uma pilha eletrodialítica multiestágio tal como mostrado na FIGURA 7 pode ser usada em qualquer uma das modalidades mostradas previamente (por exemplo, FIGURAS 1 a 5) e pode incorporar quaisquer características mostradas nessas e em outras figuras, por exemplo, reservatórios de armazenamento de fluido, permutadores de calor, etc.

[0041] Na FIGURA 8, um fluxograma mostra um método de acordo com uma modalidade de exemplo. O método envolve circular 800 um dessecante líquido através de uma interface ar-líquido. Faz-se com que o ar escoe 801 através da interface ar-líquido de tal modo que o dessecante líquido absorva a água do ar. O dessecante líquido é diluída através da absorção da água para formar um fluxo de saída. O fluxo de saída é dividido 802 em um fluxo diluído e um fluxo concentrado em uma entrada para uma pilha eletrodialítica. A pilha eletrodialítica tem uma membrana de troca iônica central e uma primeira e segunda membranas externas de troca iônica de um tipo diferente (por exemplo, cátion ou ânion) da membrana de troca iônica central.

[0042] Faz-se com que o fluxo diluído escoe 803 entre a membrana de troca iônica central e a primeira membrana de troca iônica externa. Faz-se com que o fluxo concentrado escoe 804 entre a membrana de troca iônica central e a segunda membrana de troca iônica externa. Um loop de transporte redox é circulado 805 em torno da primeira e da segunda membranas de troca iônica externa. Uma voltagem é aplicada 806 através da pilha eletrodialítica para provocar movimento iônico através da membrana de troca iônica central e da primeira membrana de troca iônica externa. Este movimento resulta em um concentrado dessecante movendo do fluxo diluído para o loop de transporte redox e para o fluxo concentrado.

[0043] Nos exemplos acima, uma pilha eletrodialítica é usada para remover água de um gás tal como ar, o qual é classificado geralmente como um fluido. Esta tecnologia também pode ser usada para remover água (ou outro solvente) de outros fluidos além do ar, bem como não fluidos. Por exemplo, um mecanismo conforme descrito abaixo pode ser usado para remover água de uma concentração de líquidos aquosos tais como bebidas ou condimentos, secagem de líquidos não aquosos, desidratação de sólidos e assim por diante. O mecanismo utiliza uma célula eletroquímica transportada por redox que é desenhada para separar sais do solvente no qual são dissolvidos, em uma maneira eficiente em termos de energia circulando uma espécie redox ativa que é dissolvida em água do anodo para o catodo e de volta. A célula eletroquímica aceita uma entrada de um sal dissolvido em água (ou uma solução de extração fraca) e o separa para dentro de um fluxo de saída de sal concentrado dissolvido em água (ou uma solução de extração forte) e um segundo fluxo de saída com um nível exaurido de sal (ou níveis desprezíveis de sal) dissolvido em água.

[0044] A célula eletroquímica transportada por redox é conectada a jusante de um módulo de interface de membrana o qual proporciona uma grande área superficial para a solução de extração forte entrar em contato de membrana com o material a ser seco. No módulo de interface de membrana, a água é absorvida do material em questão através da membrana e para dentro da solução de extração forte, formando um maior volume de solução de extração fraca. A solução de extração fraca é regenerada até um menor volume de solução de extração forte e retornada para o módulo de interface de membrana.

[0045] Osmose direta é uma técnica que é comumente usada para remover água de um fluido de entrada e para uma solução de extração. Soluções aquosas de sais sais inorgânicos, tais como cloreto de sódio, são usadas rotineiramente como soluções de extração de osmose direta. Depois da solução de extração ter absorvido a água do fluido de entrada, está agora mais diluída do que antes e precisa ser reconcentrada (ou regenerada) para sua concentração original, enquanto removendo a água extra que foi absorvida da entrada de ar.

[0046] Uma abordagem para reconcentrar a solução de extração tem sido evaporar o excesso de água por aquecimento da solução diluída. Isto é ineficiente uma vez que a taxa de evaporação é desacelerada quando o teor de sal é elevado e a umidade relativa também é elevada. Um método não térmico de concentrar a solução de dessecante líquido evitaria estes problemas. Eletrodiálise é mais adequada para concentrar salmouras tais como as soluções de extração acima mencionadas; no entanto, atualmente consome comparativamente mais energia para remoção de sal (~0,26 a 0,30 kWh/kg de NaCl) do que outras técnicas de dessalinização como RO (0,06 a 0,08 kWh/kg de NaCl) porém menos do que para técnicas térmicas como compressão de vapor (0,6 a 1,0 kWh/kg de NaCl).

Desionização capacitiva usa energia elétrica mas também consome muita energia (0,22 kWh/kg de NaCl) e é mais adequada para remover quantidades muito diminutas de sais dissolvidos da água porque os eletrodos precisam ser sólidos, por definição. Apesar de eletrodiálise ser uma técnica que pode ser empregada para tratar salmouras em qualquer salinidade, diferente de RO, tem visto uso limitado devido a seu alto consumo de energia específico para remoção de sal.

[0047] Em eletrodiálise convencional, os íons são levados para fora, ou para dentro, da água por reações de Faraday em um anodo e um catodo. Na maioria dos casos, as reações de Faraday são as de separação da água: a água é oxidada para oxigênio no anodo e reduzida para hidrogênio no catodo, os quais então criam um desequilíbrio de carga nos eletrodos, que é equilibrado pelo movimento de íons através de membranas seletivas de íons dispostas estrategicamente. No entanto, a separação da água envolve uma penalidade energética porque é necessária energia para realizá-la. O problema é exacerbado pelo fato de que importantes sobre potenciais são associados tanto com oxidação quanto com redução da água. Além disso, gás oxigênio, cloro, ou bromo que é gerado no anodo é altamente destrutivo e requer o uso de eletrodos revestidos com platina / irídio.

[0048] Uma célula eletroquímica pode ser usada para eletrodiálise eficiente em termos de energia para reconcentrar uma solução salina diluída e separar um fluxo salino concentrado da água que tinha sido absorvida. Nas FIGURAS 9 e 10, diagramas mostram as células eletroquímicas 900, 1000 de acordo com modalidades de exemplo. A célula eletroquímica 900 inclui quatro câmaras em série 902-905, cada uma separada de sua vizinha pela membrana seletiva de íons apropriada 908-910. Neste caso, um é usado transporte redox carregado positivamente, BTMAP-Fc 508a, 508b. Na FIGURA 10, a célula eletroquímica 1000 usa um transporte redox carregado negativamente, Fe(CN), com arranjo de membranas diferente 1008-

1010. Observa-se que, em princípio, pode ser empregado um número arbitrário de pares de câmaras de salinização e de dessalinização alternadas, embora a separação da água possa começar a ocorrer em um número elevado de câmaras, assim que a voltagem aplicada exceder 1,26 V.

[0049] Em uma modalidade, um transportador redox que é dissolvido em água é reduzido no catodo, em seguida transportado para o anodo onde é reoxidado e subsequentemente liberado de novo para o catodo para completar o ciclo. Em princípio, transportadores redox sólidos também podem ser empregados, mas necessitam de grandes quantidades dos transportadores e frequente troca de fluxos salino e dessalinizador, porque os materiais sólidos ativos redox não podem ser facilmente transportados de um lado da célula para o outro.

[0050] Em princípio, eletrodiálise tem a capacidade de produzir água em salinidades bem abaixo 0,5 ppt, iniciando a partir de um fluxo de alimentação que esteja em uma salinidade consideravelmente maior. Em uma modalidade, o mesmo dispositivo é empregado para reconcentrar fluxos de soluções de extração, as quais são tipicamente soluções concentradas de sais inorgânicos. De modo a minimizar as perdas através do cruzamento da água do fluxo dessalinizador para o fluxo salino, o dispositivo pode ser composto de várias células diferentes, nas quais a salinidade é derrubada até um baixo nível em vários estágios. Além do mais, o transporte redox idealmente vai ser operado em uma concentração que minimiza o cruzamento líquido de água para ou a partir tanto dos fluxos salino quanto dessalinizador. Para este fim, BTMAP-Fc é ideal porque tem uma solubilidade em água muito elevada, a qual pode corresponder às concentrações dos fluxos dessecantes (até 1,9 molar ou ~10 molal).

[0051] Em referência agora à FIGURA 11, um diagrama mostra um sistema de acordo com uma modalidade de exemplo que pode ser usado para absorver água de um fluido de entrada por reconcentração um fluxo em solução, por exemplo, solução salina. O sistema inclui um dispositivo de eletrodiálise (ED) 1100 com uma câmara de salinização 1102 através da qual um fluxo salino 1104 escoa. O dispositivo de eletrodiálise 1100 inclui uma câmara de dessalinização 1106 separada da câmara de salinização 1102 por uma membrana central seletiva de íons 1108. Um fluxo dessalinizador 1110 escoa através da câmara de dessalinização 1106. O fluxo dessalinizador 1110 pode ser alternativamente dividido 1111 do fluxo salino 1104 antes de penetrar no dispositivo de eletrodiálise 1100. Uma câmara de anólito 1112 e uma câmara de católito 1114 estão sobre lados externos opostos das câmaras de salinização e de dessalinização 1102, 1106 e são separadas das mesmas por uma primeira e uma segunda membranas de troca iônica 1116, 1118.

[0052] O transporte de íons entre as câmaras de anólito e de católito 1112, 1114 é acionado por reações de Faraday induzidas por uma voltagem aplicada através das câmaras de anólito e de católito 1112, 1114. Em uma modalidade, um ou mais transportadores redox escoam através das câmaras de anólito e de católito 1112, 1114, por exemplo, um único fluxo de transportador redox que é dissolvido em água e circula da câmara de anólito 1112 para a câmara de católito 1114 e de volta. Observa-se que as câmaras de anólito e de católito 1112, 1114 podem estar localizadas opostas ao que é mostrado aqui, por exemplo, usando um transportador redox diferente e tipos de membranas 1108, 1116, 1118.

[0053] O fluxo salino é enviado para uma unidade de permuta 1120 que também é acoplada a um fluxo médio 1122. A unidade de permuta 1120 inclui uma interface de troca de água 1124 (por exemplo, uma membrana de osmose direta) em contato sobre um primeiro lado com o fluxo salino 1104 e em contato com o fluxo médio 1122 sobre um segundo lado. A água 1126 é movida para longe do fluxo médio 1122, através da interface de troca de água 1124, e para dentro do fluxo salino 1104. O fluxo médio 1122 pode ser um líquido, semissólido, sólido, gel, névoa, etc., contendo pelo menos alguma água que possa ser extraída.

[0054] Neste exemplo, LiBr é mostrado como um soluto de solução de extração de exemplo que escoa através do fluxo salino 1104 e do fluxo dessalinizador 1110. Uma concentração de exemplo de 1% de LiBr é mostrada para o fluxo dessalinizador 1110, mas pode ser maior ou menor do que isso. O fluxo dessalinizador 1110 pode ser descartado ou opcionalmente reconcentrado, usando o mesmo método ou um método diferente e alimentado de volta para o sistema, por exemplo, para dentro de uma ou de ambas as câmaras 1102,

1106. Outros solutos podem incluir NaCl, KCl, CaCl2, CaBr2, ou LiCl.

[0055] Conforme indicado pelo bloco 1128, o fluxo dessalinizador 1110 ainda contém uma pequena quantidade de sal dissolvido, o qual pode ser simplesmente descartado como resíduo ou reusado como água cinza (gray water) se o sal for suficientemente barato para descartar, deste modo incorrendo em um custo operacional. Alternativamente, o fluxo dessalinizador 1110 pode ser reconcentrado usando técnicas tais como pervaporação de membrana, osmose reversa, ou um segundo dispositivo de eletrodiálise similar em construção ao primeiro dispositivo de eletrodiálise 1100, e alimentado de volta em um estágio intermediário do dispositivo de eletrodiálise

1100. O fluxo dessalinizador 1110 também pode conter sal em uma concentração suficientemetnet baixa para ser potável (abaixo de 0,5 ppt).

[0056] Na FIGURA 12, um fluxograma mostra um método de acordo com uma modalidade de exemplo. O método envolve fazer com que 1200 um fluxo salino escoe através de uma câmara de salinização. É feito com que um fluxo dessalinizador 1201 escoe através de uma câmara de dessalinização que é separada da câmara de salinização por uma membrana central seletiva de íons. Uma voltagem é aplicada 1202 através de uma câmara de anólito e de uma câmara de católito sobre lados externos opostos das câmaras de salinização e de dessalinização e separadas das mesmas por uma primeira e uma segunda membranas de troca iônica. A voltagem induz uma reação de Faraday que provoca um transporte de íons entre as câmaras de anólito e de católito. É feito com que o fluxo salino 1203 escoe através de um primeiro lado de uma interface de troca de água. É feito com que um fluxo médio entre em contato 1204 com um segundo lado da interface de troca de água. A interface de troca de água movendo água do fluxo médio para o fluxo salino.

[0057] Em referência novamente à FIGURA 11, o solvente no fluxo salino 1104 e 1110 não precisa ser necessariamente água, mas qualquer solvente genérico. Solventes de exemplo nos fluxos 1104, 1110 podem ser qualquer combinação de solventes miscíveis. Solventes de exemplo incluem, mas não estão limitados a, água, etanol, butanol, isopropanol, etileno glicol, dietileno glicol, N,N- dimetilformamida, 1,4-dioxana, acetona, e tetraidrofurano.

[0058] O soluto dissolvido no fluxo salino 1104 e no fluxo dessalinizador 1110 deve ser entendido como incluindo um ou mais eletrólitos que podem ser concentrados no dispositivo de eletrodiálise

1100. Por exemplo, o eletrólito nos fluxos 1104, 1110 pode ser qualquer combinação de sais iônicos que sejam solúveis no solvente dos fluxos 1104, 1110, incluindo, mas não limitados a, os encontrados na água do mar ou no esgoto. Cátions de exemplo que podem estar presentes no eletrólito incluem, mas não estão limitados a, hidrônio,

lítio, sódio, potássio, magnésio, cálcio, alumínio, amônio, alquilamônio, e imidazólio. Ânions de exemplo que podem estar presentes no eletrólito incluem, mas não estão limitados a, cloreto, brometo, iodeto, sulfonato, fosfonato, carbonato, hidrogenocarbonato, carboxilato, oxiânions de haleto, oxiânions de enxofre, oxiânions de fósforo, e oxiânions de nitrogênio.

[0059] A menos que indicado de modo diverso, todos os números expressando tamanhos característicos, quantidades, e propriedades físicas usados na especificação e nas reivindicações devem ser entendidos como sendo modificados em todos os casos pelo termo “cerca de.”. Por conseguinte, a menos que indicado ao contrário, os parâmetros numéricos estipulados na especificações precedente e nas reivindicações anexadas são aproximações que podem variar, dependendo das propriedades desejadas que se procura que sejam obtidas pelos versados na técnica utilizando os ensinamentos revelados aqui, neste requerimento de patente. O uso de intervalos numéricos por pontos finais inclui todos os números dentro daquele intervalo (por exemplo, 1 a 5 inclui 1, 1,5, 2, 2,75, 3, 3,80, 4, e 5) e qualquer intervalo dentro daquele intervalo.

[0060] A descrição precedente das modalidades de exemplo foi apresentada para os fins de ilustração e descrição. Não se destina a ser exaustiva ou a limitar as modalidades à precisa forma revelada. Muitas modificações e variações são possíveis, à luz do ensinamento acima. Qualquer uma ou todas as características das modalidades reveladas podem ser aplicadas individualmente ou em qualquer combinação, não se deseja que sejam limitantes, mas puramente ilustrativas. Pretende-se que o âmbito da invenção seja limitado não com esta descrição detalhada, mas, ao invés, determinado pelas reivindicações anexadas a esta.

Claims (20)

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema caracterizado pelo fato de que compreende: um dispositivo de eletrodiálise compreendendo: uma câmara de salinização através da qual um fluxo salino escoa; uma câmara de dessalinização separada da câmara de salinização por uma membrana central seletiva de íons, um fluxo dessalinizador escoando através da câmara de dessalinização; e uma câmara de anólito e uma câmara de católito sobre lados externos opostos das câmaras de salinização e de dessalinização e separadas das mesmas por uma primeira e uma segunda membranas de troca iônica, transporte de íons entre as câmaras de anólito e de católito sendo acionado por reações de Faraday induzidas por uma voltagem aplicada através das câmaras de anólito e de católito; e uma interface de troca de solvente em contato sobre um primeiro lado com o fluxo salino e em contato com um fluxo médio sobre um segundo lado, a interface de troca de solvente movendo um solvente do fluxo médio para o fluxo salino.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluxo médio compreende um fluido.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluxo médio compreende um sólido, um semissólido, ou uma mistura de fluido e sólido ou semissólido.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as reações de Faraday utilizam um fluxo transportador redox que escoa através da câmara de anólito e da câmara de católito.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o fluxo transportador redox circula da câmara de anólito para a câmara de católito e de volta a ela.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o solvente no fluxo salino e no fluxo dessalinizador compreende água.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluxo salino e o fluxo dessalinizador compreendem uma solução salina.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a slução salina compreende pelo menos um entre NaCl, KCl, CaCl2, CaBr2, LiCl, ou LiBr.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a interface de troca de solvente compreende uma membrana de osmose direta.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluxo dessalinizador é reconcentrado e retornado para o dispositivo de eletrodiálise.

11. Método caracterizado pelo fato de que compreende: fazer com que um fluxo salino escoe através de uma câmara de salinização; fazer com que um fluxo dessalinizador escoe através de uma câmara de dessalinização que é separada da câmara de salinização por uma membrana central seletiva de íons; aplicar uma voltagem através de uma câmara de anólito e de uma câmara de católito sobre lados externos opostos das câmaras de salinização e de dessalinização e separadas das mesmas por uma primeira e uma segunda membranas de troca iônica, a voltagem induzindo uma reação de Faraday que provoca um transporte de íons entre as câmaras de anólito e de católito; fazer com que o fluxo salino escoe através de um primeiro lado de uma interface de troca de solvente; e fazer com que um fluxo médio entre em contato com um segundo lado da interface de troca de solvente, a interface de troca de solvente movendo solvente do fluxo médio para o fluxo salino.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o fluxo médio compreende um fluido.

13. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o fluxo médio compreende um sólido, um semissólido, ou uma mistura de fluido e sólido ou semi-sólido.

14. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que as reações de Faraday utilizam um fluxo transportador redox que escoa através da câmara de anólito e da câmara de católito.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o fluxo transportador redox circula da câmara de anólito para a câmara de católito e de volta a ela.

16. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o solvente no fluxo salino e no fluxo dessalinizador compreende água.

17. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o fluxo salino e o fluxo dessalinizador compreendem uma solução salina.

18. Método de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a solução salina compreende pelo menos um entre NaCl, KCl, CaCl2, CaBr2, LiCl, ou LiBr.

19. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a interface de troca de solvente compreende uma membrana de osmose direta.

20. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que adicionalmente compreende reconcentrar o fluxo dessalinizador e retornar o fluxo dessalinizador reconcentrado para uma ou mais das câmaras de salinização e de dessalinização.

Petição 870210043695, de 13/05/2021, pág. 47/60 Ar Secadora de membrana Resfriamento sensível externo Ar inteiro Alta T Alta T Ar Baixa RH Ar T confortável Alta RH RH confortável Água absorvida através da membrana 1/14

Dessecante Dessecante líquido líquido diluído concentrado

Bombeamento SALLT eletroquímico Água de descarga

Redução

Duração

Petição 870210043695, de 13/05/2021, pág. 50/60 Armazenador redox Regenerador

LD Retorno + ar externo Armazenador de dessecante Desumidificador de membrana 4/14 Ar com baixa RH Bateria eletrodialítica Remoção de Suprimento calor sensível de ar

Baixa RH Alta RH Saída

Corrente dessalinizada Corrente salinizada

Corrente salinizada Corrente dessalinizada

Interface de ar e líquido

Resfriamento Permutador de calor

Calor

Água de Pilha descarga

Circular um dessecante líquido através de uma interface de ar e líquido

Fluir o ar através da interface de ar e líquido de modo que o dessecante líquido absorva a água do ar, o dessecante líquido sendo diluído através da absorção de água de uma corrente de saída

Dividir a corrente de saída em uma corrente diluída e uma corrente concentrada na entrada de uma pilha eletrodialítica, a pilha eletrodialítica possuindo uma membrana de permuta iônica central e IFRS e segundas membranas de permuta iônica externas

Fluir a corrente diluída entre a membrana de permuta iônica central e a primeira membrana de permuta iônica externa

Fluir a corrente concentrada entre a membrana de permuta iônica central e a segunda membrana de permuta iônica externa

Circular um circuito de transporte redox em torno das primeira e segunda membranas de permuta iônica externas

Aplicar uma voltagem através da pilha eletrodialítica para causar o movimento iônico através da membrana de permuta iônica central e da primeira membrana de permuta iônica

Fluxo dessalinizador Fluxo salino

Fluxo dessalinizador Fluxo salino

Petição 870210043695, de 13/05/2021, pág. 59/60 Meio 13/14

Fluxo salino a 40% de libr Fluxo dessalinizador a < 1% de libr

Descarregado como resíduo ou reconcentrado e retornado para o dispositivo de eletrodiálise

Fazer com que um fluxo salino escoe através de uma câmara de salinização

Fazer com que um fluxo dessalinizador escoe através de uma câmara de dessalinização queé separada da câmara de salinização por uma membrana central íon-seletiva

Aplicar uma voltagem aravés de uma câmara de anólito e uma câmara de católito que estão sobre lados externos opostos das câmaras de salinização e de dessalinização e separadas das mesmas por uma primeira e uma segunda membranas de troca iônica

Fazer com que o fluxo salino escoe através de um primeiro lado de uma interface de troca de água

Fazer com que um fluxo médio entre em contato com um segundo lado da interface de troca de água, para mover a água do fluxo médio para o fluxo salino