BRPI0604336B1 - Reator eletroquímico para o tratamento de água de lastro ou água salina e sistema de tratamento de água de lastro ou água salina que utiliza o reator eletroquímico - Google Patents

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Relatório Descritivo de Patente de Invenção para “REATOR

ELETROQUÍMICO PARA O TRATAMENTO DE ÁGUA DE LASTRO OU

ÁGUA SALINA E SISTEMA DE TRATAMENTO DE ÁGUA DE LASTRO OU ÁGUA SALINA QUE UTILIZA O REATOR ELETROQUÍMICO”. O transporte de espécies exóticas e bacterianas por meio das águas de lastro de navios é um problema ambiental de escala mundial, causando prejuízos de elevada monta para vários países em diversos continentes. Em 2002, a ANVISA - Agência Nacional de Vigilância Sanitária desenvolveu estudos sobre patógenos, em águas de lastro em nove portos brasileiros, constatando a presença de diversos microorganismos patogênicos, dentre esses a bactéria Vibrio cholerae. Este resultado apenas confirma o que estudos realizados em diversos portos do mundo já haviam constatado.

Segundo RUIZ et al. (2001), o impacto econômico dessas invasões é considerável, sendo apenas o mexilhão zebra (Dreissena polymorpha - Palias, 1771) nos EUA, responsável por prejuízos acima de quinhentos milhões de dólares americanos por ano. A partir da divulgação da teoria da dissociação eletrolítica, em 1884, por Svante August Arrhenius, diversas células eletrolíticas para tratamento de efluentes, em geral, foram patenteadas. Segundo Marson (1965), em 1887, Eugene Hermite patenteou na Inglaterra e na França, o processo de tratamento de esgotos associado com água salgada. Muito embora tais sistemas já promovessem alguma desinfecção das águas tratadas, foi somente a partir do século XX que surgiram patentes mais específicas sobre a desinfecção de águas utilizando-se o processo eletroquímico, como pode ser visto, principalmente, através das patentes européias do francês Eugene Hermite: GB

189318370 (12/1893), GB 189322279 (01/1894), GB 189406497 (03/1895), GB 189510229 (07/1895), GB 189510930 (07/1895) e GB 189603197 (12/1896) e das patentes de Georg Omstein GB 191403666 (07/1915) / US 3666 (07/1915) e Clarence Landreth GB 191418564 (08/1915) / US 18564 (08/1915), que embora se referissem principalmente ao tratamento de efluentes, abordavam o emprego na desinfecção de águas de esgoto.

Assim, como pode ser visto, a aplicação do processo eletroquímico para desinfecção já é há muito conhecido, o que pode ser comprovado tanto pelas patentes acima citadas quanto pelas identificadas a seguir: GB 190301325 (02/1903), GB 150718 (06/1921)/ FR 536941 (11/1920), GB 150718 (06/1921), GB 267058 (03/1927), GB 311218 (05/1929), GB 311253 (05/1929), GB 430635 (06/1935), GB 467544 (06/1937), GB 745048 (02/1956), US 3076754 (02/1963), US 3873438 (03/1975), US 3925176 (12/1975), US 3943044 (03/1976), US 4013557 (03/1977), US 4032426 (06/1977),US 4048044 (09/1977), US 4048032 (09/1977) / GB1507324 (04/78), GB 1497134 (01/1978), US 4098660 (07/1978), US 4107024 (08/1978) / JP 52139678 (11/1977), US 4119517 (10/1978), US 4121991 (10/1978), US 4160716 (07/1979), WO 7900145 (03/1979) / US 4268367 (05/1981) / JP 54099341 (09/1977), US 4169035 (09/1979), US 4171256 (10/1979), US 4172773 (10/1979), US 4193858 (03/1980), US 4202740 (05/1980), US

4229272 (10/1980), US 4250126 (02/1981), US 4248690, US 4294697 (10/1981), JP 57016179 (01/1982), JP 57043990 (0319/82), PT 77348 (10/1983) / BR 8306350-1 (11/83) / US 4451341 (05/1984), US 4422919 (12/1983), US 4422917 (12/1983), US

4451341 (05/1984) / EP 0114364 (08/1984), JP 59100273 (06/1984), US 4488945, US 4496452 (01/1985), US4500404 (02/1985), US 4519889 (05/1985), JP 60097088 (05/1985), JP 60125387 (07/1985), US 4510026 (09/1985), KR 8600601B (05/1986), US 4693806 (09/1987), JP 62273096 (11/1987), US 4710233 (12/1987), JP 63162891 (07/1988), US 4761208 (08/1998), US 4783246 (11/1988), JP 1180293 (07/1989), JP 1299694 (12/1989), JP 2111708 (04/1990), JP 3020491 (01/1991), US 4992156 (02/1991), JP 3072991 (03/1991), BR 7101496 (07/1991), US 5037519 (08/1991), US 5051161 (09/1991), JP 3293089 (12/1991), JP 4018982 (01/1992), JP 5161487 (06/1993), JP 5212381 (08/1993), BR 9303744 (09/1993) / AU658328 (09/1993) / EP 0615003 (09/1993), US 5256268 (10/1993), JP 5261373 (10/1993), JP 5317861 (12/1993), US 5298280 (03/1994), JP 6086980 (03/1994), JP 6086981 (03/1994), JP 6071261 (03/1994), JP 6086983 (03/1994), JP 6086977 (03/1994), US 5304289 (04/1994), JP 6091268 (04/1994), JP 6099175 (04/1994), US 5314591 (05/1994), US 5316740 (05/1994), JP 6154755 (06/1994), JP 6165989 (06/1994), JP 6182344 (07/1994), JP 6237747 (08/1994), JP 6238281 (08/1994), JP 6246267 (09/1994), JP 6246269 (09/1994), JP 6246273 (09/1994), JP 6269779 (09/1994), US 5364509 (11/1994), US 5360526 (11/1994), JB 6343966 (12/1994), US 5385711 (01/1995), JP 7024468 (01/1995), JP 7047369 (02/1995), JP 7060256 (03/1995), JP 9088474 (04/1995), JP 7060 290 (05/1995), JP 7116664 (05/1995), US 5427667 (06/1995), JP 7163981 (06/1995), JP 7171204 (07/1995), JP 7171565 (07/1995), US 429723 (07/1995), JP 7284775 (10/1995), JP 7299126 (11/1995), JP 7299459 (11/1995), JP 7308676 (11/1995), US 5474662 (12/1995), JP 7328640 (12/1995), JP 7328100 (12/1995), JP 8001164 (01/1996), JP 8024867 (01/1996), JP 8023821 (01/1996), JP 8052475 (02/1996), JP 8057484 (03/1996), JP 8117757 (05/1996), JP 7163982 (05/1996), JP 7163983 (06/1996), US 5534120 (07/1996), JP 8308909 (11/1996), JP 8308910 (11/1996), JP 8318279 (12/1996), JP 9001150, 01/1997), JP 9010772 (01/1997), JP 9029246 (02/1997), JP 9047763 (02/1997), US 5611907 (03/1997), JP 9085250 (03/1997), JP 9085253 (03/1997), BR 7700672U (04/1997), PI 9710166-4 (04/1997) / US 9706288 (04/1997) / WO 9741071 (11/1997) / US 5705050 (01/1998), US 5616221 (04/1997), US 5616234 (04/1997), JP 9117768 (05/1997), JP 9122651 (05/1997), JP 9157173 (06/1997), JP 9155356 (06/1997), JP 9174056 (07/1997), JP 9187770 (07/1997) / US 5858202 (01/1999) , JP 9239006 (09/1997), JP 9262585 (10/1997), JP 9262583 (10/1997), US 5688385 (11/1997), JP 9294987 (11/1997), JP 9327670 (12/1997), JP 10005766 (01/1998), US 5720869 (02/1998), JP 10043765 (02/1998), US 5744028 (04/1998), JP 10099413 (04/1998), JP 10109093 (04/1998), US 5753098 (05/1998), JP 10119935 (05/1998), JP 10128331 (05/1998), JP 10137762 (05/1998), JP 10128336 (05/1998), US 5770033 (06/1998), US 5770037 (06/1998), US 5771336 (06/1998), JP 10174973 (06/1998), US 4755268 (07/1998), JP 10183395 (07/1998), WO 0725279 (07/1997), JP 10216726 (08/1998), JP 10258280 (09/1998), JP 10237681 (09/1998), JP 10277553 (10/1998), US 4711810 (11/1998), JP 10309582 (11/1998), US 5843291 (12/1998), JP 10314748 (12/1998), JP 10314748 (12/1998), JP 11057718 (03/1999), JP 11076383 (03/1999), US 5891097 (04/1999), JP 11114572 (04/1999), US 5928491 (07/1999), JP 11197669 (07/1999), US 5935393 (08/1999), US JP 11207348 (08/1999), US 5948273 (09/1999), US 5954939 (09/1999), JP 11253958 (09/1999), US 5965009 (10/1999), US 5989396 (11/1999), US 5989407 (11/1999), JP 11300361 (11/1999), JP 11319831 (11/1999), JP WO 9955389 (11/1999) / US 6126810 (10/2000), US 6007686 (12/1999), JP 2000005752 (01/2000), JP 2000015258 (01/2000), 2000037690 (02/2000), JP 2000093969 (04/2000), JP 2000140876 (05/2000), JP 2000126780 (05/2000), JP 2000126775 (05/2000), JP 2000135488 (05/2000), JP 2000185286 (07/2000), JP 2000202451 (07/2000), JP 2000210666 (08/2000), US 6126796 (10/2000), US 6126810 (10/2000), US 6149780 (11/2000), JP 2001000974 (01/2001), US 6174419 (01/2001), PI 0108037-7 (01/2001) / WO 0155035 (08/2001) / US 2003127398 (07/2003) / US 6860990 (07/2003), JP 2001029955 (02/2001), JP 2001048199 (02/2001), US 6200435 (03/2001), JP 2001070945 (03/2001), US 6217741 (04/2001), JP 2001170636 (06/2001), JP 2001170640 (06/2001), US 6258225 (07/2001), US 6267885 (07/2001), US 6277266 (08/2001), US

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As células usadas para esterilização em geral podem ser divididas em dois grandes grupos: células com membrana ou diafragma e células sem membrana ou diafragma. Além disso, diferem em relação aos tipos de eletrodos utilizados, que podem assumir várias formas e materiais, sendo mais comum o emprego de eletrodos dimensionalmente estáveis na forma de placas ou telas.

As células eletrolíticas com uso de membranas ou diafragmas possuem, em geral, custo operacional mais elevado, em vista do maior gasto energético e dos problemas decorrentes do fato de servirem de substrato para o crescimento microbiano. A presente invenção permite a esterilização de águas de lastro com elevada carga bacteriana (108 UFC/100 mL) e está baseada na utilização de um reator eletroquímico para esterilização e desinfecção de água do mar e de águas de lastro de navios, de plataformas de petróleo e de embarcações em geral, através da passagem direta das ditas águas, no reator eletroquímico, que poderá ser instalado e operado tanto a bordo, como nos portos e terminais aquaviários, podendo operar tanto em fluxo contínuo quanto em batelada. A água de lastro a ser esterilizada é bombeada continuamente através de uma bomba hidráulica, passando através de um sistema de filtragem, com retrolavagem, dirigindo-se em seguida, à tomada de admissão hidráulica do reator eletroquímico de fluxo contínuo ascendente ou de batelada, sem ajuda de mecanismo ou dispositivo de agitação, sem adição de qualquer produto químico, utilizando-se apenas de energia elétrica e da água do mar como eletrólito. A água do mar ao ser admitida no referido reator, circula entre catodos constituídos de placas (preferencialmente), grades ou telas de titânio e anodos constituídos por placas (preferencialmente), grades ou telas de titânio revestido com óxidos metálicos, que não estão separados por qualquer meio físico, exceto a própria solução a ser tratada, sem qualquer tipo de membrana semipermeável. A água do mar ao circular entre os catodos e anodos sofre reações eletroquímicas que resultam em produtos de alto poder oxidante, tais como: CI2, C10‘, HCIO, O3 e H2O2, que além de desinfetar podem destruir compostos orgânicos poluentes, eventualmente presentes nesta água.

Por outro lado, na eletrólise são gerados radicais livres de vida curta como, O* (radical oxigênio), ΌΗ (radical hidroxila) e O2'* (radical superóxido), que possuem elevado poder desinfetante/esterilizante (Diao et al., 2004).

As espécies geradas pelas reações de oxidorredução atuam sobre os microrganismos, inativando-os e, conseqüentemente, desinfetando ou esterilizando a água de lastro. Além de sofrerem a ação dos oxidantes acima citados, os microorganismos são também eliminados pelo contato direto com a superfície dos eletrodos, em vista do alto campo elétrico reinante na dupla camada elétrica (interface eletrodo-eletrólito), que uma vez comprimida pela passagem de corrente elétrica, apresenta intensidade de campo elétrico superior a IO10 V/m. Este sistema pode ser controlado através da aplicação da corrente elétrica para promover apenas desinfecção e para atingir o nível de esterilização, permitindo adequar seu emprego aos padrões de lançamento da água tratada em corpos d’água, que são exigidos pela legislação ambiental mundial. A presente invenção possibilita a esterilização/desinfecção de águas de lastro o com alta concentração bacteriana (cerca de 10 UFC/100 mL), além de aumentar a quantidade de oxigênio dissolvida na mesma, podendo ser realizada tanto a bordo das embarcações quanto nos portos e terminais marítimos. O sistema, objeto da presente invenção, consiste em circular a água de lastro através de uma ou mais células eletrolíticas em série, alimentadas por uma fonte de corrente contínua reversa periódica. O desenho da célula é apresentado na Figura 1, onde (A) é 0 sistema de filtração e retrolavagem, (B) é a bomba hidráulica que alimenta e controla a vazão de entrada, (C) é a tubulação de alimentação da célula, (D) é a tomada hidráulica de entrada da célula eletroquímica, (E) são os anodos, (F) são os catodos, (G) é o exaustor de gases da célula e (H) é tomada de saída da água de lastro esterilizada/desinfetada.

Os catodos são constituídos de placas (preferencialmente), grades ou telas de titânio e anodos constituídos por placas (preferencialmente), grades ou telas de titânio revestido com óxidos metálicos de rutênio, tântalo ou irídio, sendo dispostos paralelamente um ao outro, de forma alternada. O espaçamento entre os catodos e anodos deve estar situado na faixa de 0,25 cm a 1,0 cm.

Em uma concretização preferida da invenção, a presente célula difere das demais por apresentar uma área catódica correspondente a 70% da área anódica, de forma a melhorar a taxa de geração de hipoclorito. Além disso, possui geometria de seção retangular associada ao fluxo ascendente de água de lastro, com sistema de exaustão de gases integrado à parte superior da célula. A ausência de diafragmas e/ou membranas possibilita não só um contato eficiente da água a ser desinfetada com os eletrodos, mas também uma maior remoção dos gases gerados no processo. A invenção é ilustrada através dos seguintes exemplos: Exemplo 1 A água de lastro poluída com elevada concentração bacteriana (média de 106 a o 10 UFC/100 mL) foi desinfetada, a partir da aplicação de uma intensidade de corrente de 5,0 A e uma tensão entre catodo e anodo de cerca de 3,2 V, com tempo de residência de 20 minutos. As Figuras 2 e 3 mostram os aspectos das membranas Milipore utilizadas na contagem de unidades formadoras de colônias bacterianas, anteriormente e posteriormente ao tratamento, respectivamente.

Exemplo 2 A água de lastro poluída com elevada concentração bacteriana (média de 106 a 108 UFC/100 mL) foi esterilizada, a partir da aplicação de uma intensidade de corrente de 6,5 A e uma tensão entre catodo e anodo de cerca de 3,9 V, com tempo de residência de 6 minutos. Ao final deste tempo, a quantidade de oxigênio dissolvido em amostra de água poluída aumentou de l,8mg/L para 5,4mg/L. Neste regime o consumo energético específico para geração do íon hipoclorito usado no processo de esterilização foi de 7,9 kWh/kg. As Figuras 4 e 5 mostram os aspectos das membranas Milipore utilizadas na contagem de unidades formadoras de colônias bacterianas, anteriormente e posteriormente ao tratamento, respectivamente. O presente sistema de esterilização/desinfecção de águas de lastro, também pode ser aplicado à água potável, bastando apenas ajustar a condutividade da mesma através da adição de NaCl.

BIBLIOGRAFIA BARD, A. J., PARSONS R., AND JORDAN J., Standard Potentials in Aqueous Solutions, Marcell Dekker, NY, 1985. ΒΑΧ, N., WILLIAMSON, A., AGUERO, M., et al., Marine invasive alien species: a threat to global biodiversity, Marine Policy 27,313-323, 2003 DIAO, H. F., LI, X. Y., GU, J.D., et al, Electron Microscopic Investigation of the Bactericidal Action of Electrochemical Disinfection in Comparison with Chlorination, Ozonation and Fenton Reaction. Process Biochemistry 39,1421 - 1426, 2004. DORÉ, M., Chemistry of Oxidants and Water Treatment. Lavoisier 22, n° 5, 32 - 37, 1989. FENG, Chuanping, Water Disinfection by Electrochemical Treatment. Bioresource Technology 94, 21 - 25, 2004. HINE, F., Electrode Process and Electrochemical Engineering, Plenum Press, New Yorkl985. KRAFT, A., M. BLASCHKE, D. KREYESIG, et al., Electrochemical Water Disinfection Part I: Hypochlorite production from very dilute chloride solution.

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Claims (6)

1. Reator elctroquímico para o tratamento de água de lastro ou água salina compreendendo: - uma ou mais células clctrolíticas; - as ditas células clctrolíticas compreendendo eletrodos constituídos de anodos c catodos cm posições alternadas; - o dito reator elctroquímico compreendendo uma scçào retangular associada com um fluxo ascendente de água de lastro e um sistema de purgamento de gás no topo da célula; CARACTERIZADO pelo fato da área catódica corresponder a, pelo menos, 50% da área anódica no referido reator.

2. Reator, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a área catódica corresponde a 70% da área anódica.

3. Reator, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pela corrente ser aplicada no reator eletrolítico durante 20 a 6 minutos, tendo intensidade de 5,0 a 6,5 A, a uma voltagem de 3,2 a 3,9 V.

4. Reator, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o espaçamento entre os eletrodos varia de 0,25 a 1,0 cm.

5.

Sistema de tratamento de água de lastro ou água salina compreendendo o uso de um reator elctroquímico conforme definido nas reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADO por desinfetar c/ou esterilizar água de lastro ou água salina pela combinação dos seguintes elementos: - tempo de corrente aplicado no reator eletrolítico durante 20 a 6 minutos; - intensidade de 5,0 a 6,5 A; - voltagem de 3,2 a 3,9 V; - filtragem com retrolavagem antes do tratamento; que, quando aplicados a água de lastro ou água salina, permitem a formação de elementos oxidativos e meios para oxidação (cloro, hipoclorito, campo elétrico), realizando a oxidação da matéria orgânica, com baixa evolução de hidrogênio, dispensando necessidade de neutralizar espécies cloradas no descarte ao mar.