BRPI0608822A2

BRPI0608822A2 - cartucho de troca de ìons, e, utensìlio

Info

Publication number: BRPI0608822A2
Application number: BRPI0608822-8A
Authority: BR
Inventors: Bommel Ties Van; Zhenhua Yu; Mohankumar Valiyambath Krishnan; Michael Tang Swee Loon; Bas J Oosterman
Original assignee: Koninkl Philips Electronics Nv
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2006-03-01
Publication date: 2011-03-15
Also published as: US20080230451A1; JP2008535647A; RU2007137026A; WO2006095282A1; CN101137786A; EP1859095A1

Abstract

CARTUCHO DE TROCA DE TONS, E, UTENSìLIO A invenção provê um cartucho de troca de lons (13), em particular para um utensílio doméstico que compreende, entre uma entrada de água (lA) e uma saída de água (2A) um trocador de íons de ácido fraco na forma Hi (5), seguido de um trocador de ions de ácido forte na forma Na^+^(7). Este cartucho pode ser compacto porque remove somente íons formando incrustações sólidas. O cartucho pode compreender adicionalmente uma primeira (16) é uma segunda sonda (17) para medir ions causadores de incrustações sólidas por uma medição diferencial da condutividade da água de entrada e da água que tenha passado em um ou ambos trocadores de íons. Deste modo, o utensílio pode ser desligado quando o cartucho não está mais funcionando, forçando então um usuário a substituir o cartucho, ou a regenerar os trocadores de ions antes que incrustações sólidas bloqueiem o utensílio.

Description

"CARTUCHO DE TROCA DE ÍONS, E, UTENSÍLIO"

CAMPO DA INVENÇÃO

A invenção relaciona-se a um cartucho de troca de íons parautensílios que consomem água enquanto em uso. Exemplos típicos de· taisutensílios são ferros a vapor, máquinas de café, máquinas de confecção deexpresso e cappuccino, chaleiras para chá e saunas faciais. A invençãotambém se relaciona a um utensílio compreendendo o cartucho.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Geralmente, estes utensílios são carregados com água datorneira que contém incrustações sólidas causando íons como Ca , Mg ,HCO3 e SO4 Estas incrustações fazem com que os íons formemgradualmente depósitos de incrustações, o que resulta em uma transferênciade calor e desempenho do utensílio diminuídas e finalmente obstruem oelemento de aquecimento, canais e aberturas. Adicionalmente, incrustaçõesformadas, por exemplo, em um gerador de vapor, podem resultar nobloqueio das aberturas do componente, uma vez que partículas deincrustações acumuladas podem ser liberadas da superfície do canal dogerador de vapor. Por esta razão, alguns utensílios existentes são providosde um cartucho de troca de íons, compreendendo uma entrada de água umasaída de água, entre um reservatório de água e um elemento deaquecimento.

Estes cartuchos conhecidos como, por exemplo, descritosPatente U.S. Nr. 4.893.422, freqüentemente compreendem uma resina detroca de íons que muda de cor quando sua ação de abrandamento da águadiminui, advertindo então um operador para substituir em tempo o cartucho.

Entretanto, os cartuchos existentes requerem um grandevolume e são relativamente caros. Ainda mais, o operador pode observarfacilmente a mudança de cor tarde demais ou não observar de todo, tornando-se diante de um utensílio com falha devido ao bloqueio de incrustações.SUMÁRIO DA INVENÇÃO

E um primeiro objetivo da presente invenção prover umcartucho de troca de íons compacto.

De acordo com a invenção, o primeiro objetivo é alcançadopelas características de acordo com a reivindicação 1.

Um cartucho de acordo com a invenção que compreende entrea entrada de água e a saída de água um trocador de íon de ácido fraco naforma de H+, seguido de um trocador de íon de ácido forte na forma de Na+ émenos dispendioso e mais compacto porque remove as somente íonscausando incrustações sólidas. Removendo somente íons causandoincrustações sólidas, menos tratamento de água é necessário, resultando emum cartucho menor, menos dispendioso, que apresenta uma vida de serviçoaumentada.

Tipicamente, a água consiste, além de algumas partículas deS1O2 e materiais orgânicos, de sódio, cálcio, cátions de magnésio e anions debicarbonato, cloreto, sulfato e nitrato. As concentrações de outros íons (porexemplo, K+, NH4+, Mn2+, Fe2+) é muito baixa. A solubilidade decombinações de sais contendo cátions e anions presentes em uma composiçãode água típica, expressa em gramas por 100 ml, é dada na tabela 1.

Tabela 1

<table>table see original document page 3</column></row><table>

Carbonato de cálcio, carbonato de magnésio, hidróxido decálcio, hidróxido de magnésio são pobremente solúveis e sulfato de cálcio éapenas ligeiramente solúvel em água. Todas as outras combinações de saissão solúveis em água. Entretanto, durante a evaporação da água, umaincrustação sólida da combinação menos solúvel de cátions e anions éformada primeiro. Portanto, os íons causando incrustações sólidas sãoprimariamente cálcio, magnésio, bicarbonatos e sulfatos. Cálcio e magnésiopodem reagir com bicarbonatos para formar hidróxidos e/ou carbonatos decálcio e magnésio. Estes íons formam, durante a evaporação da água, umaincrustação sólida insolúvel. Outras combinações de sais resultarão após aevaporação da água em incrustações moles solúveis, como cloreto de cálcio,nitrato de cálcio, sulfato de cálcio, cloreto de magnésio, nitrato de magnésio,carbonato de sódio, hidróxido de sódio, sulfato de sódio, cloreto de sódio enitrato de sódio.

Água deionizada completamente tratada é preferida empequenos utensílios domésticos, mas não pode ser obtida economicamente,uma vez que usar água deionizada requer uma grande quantidade de resina emum cartucho proibitivamente grande e um correspondente alto preço paratratamento de água. Foi verificado experimentalmente que o uso de água nãotratada, por exemplo, água dura em utensílios domésticos elétricos, tambémnão é uma opção. Uma vez que os canais de vapor são muito pequenos, estesfacilmente ficam obstruídos com incrustações e bloqueio das aberturas docomponente podem ocorrer.

Verificou-se que a remoção somente daqueles íons que podemcausar incrustações sólidas insolúveis (íons de cálcio, magnésio ebicarbonato). É uma solução de redução de volume e custo para o problemaacima mencionado e que o restante dos íons formando incrustação molesolúvel pode ser removido, por exemplo, em pequenas passagens de fluxo,por um método de auto limpeza de incrustação por choque térmico. Duranteuma auto limpeza, uma certa quantidade de água flui através do gerador devapor a uma alta vazão.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A remoção somente de íons provocando incrustação sólida deacordo com a invenção é obtida por um cartucho compreendendo uma entradade água e uma saída de água, onde o cartucho compreende, entre a entrada deágua e a saída de água um trocador de íons de ácido fraco na forma de H+,seguido por um trocador de íons de ácido forte na forma de Na+.

Uma resina Catiônica de Ácido Fraco na forma de H+ (WACHf) é uma resina com grupos funcionais carboxílicos, capazes de removeríons de ligação de bicarbonato de acordo com a reação seguinte, onde aafinidade da resina para vários cátions é dada abaixo:

<formula>formula see original document page 5</formula>

Uma WAC H+ portanto, remove em particular os íons de Ca eMg, que são relacionados aos íons de HCO3, posteriormente denotados comoa dureza temporária.

Ca, Mg remanescentes e quantidades menores de outros metaisque precipitam com íons de sulfato são subseqüentemente removidos por umaresina de troca Catiônica de Acido Forte (SAC Na ). Esta resina pode tambémser na forma de K+. Entretanto, a forma Na+ é preferida, uma vez que aafinidade para íons de Ca e Mg de uma resina na forma K+ é mais baixa quena forma Na. Uma resina de troca Catiônica de Acido Forte na forma IrT(SAC H+) não pode ser usada, pois a formação de ácido corrosivo pela trocacom íons H+ deveria ser evitada. Uma resina SAC liga íons de metal deacordo com a reação abaixo, onde a afinidade para metais é dada abaixo:

<formula>formula see original document page 5</formula>

Resinas de troca catiônica de ácido fraco e forte sãocomercialmente disponíveis, por exemplo, da Rohm and Haas, Dow, SybronChemicals, Purolite e Resin Tech.

Uma resina WAC H+ adequada é, por exemplo, AmberliteIRC86 (Rohm and Haas) com uma capacidade de 4,2 eq/1. Uma resina SACNa+ adequada é, por exemplo, Amberjet 1200 Na com uma capacidade de 2eq/1. Ambas as resinas de troca são na forma de gel. Para um ferro de altovapor com um consumo de cerca de 60 l/ano, um cartucho de 118 ml (58 mlWAC e 60 ml SAC) seria, no caso de uma troca efetiva de 100%, suficientepara remover todos os íons causando incrustações sólidas, durante um ano, apartir de água da torneira, de acordo com as especificações SHW. Paraproduzir a mesma quantidade de água deionizada, um cartucho com umvolume de 728 ml (300 ml SAC H+ com uma capacidade de 2 eq/1 e 428 mlde uma resina do tipo básico forte com uma capacidade de 1,4 eq/1) seriarequerida.

Adicionalmente, o cartucho pode compreender um terceirotrocador de íons sendo uma resina de troca aniônica de base forte da formaNO3, que remove íons SO4, para evitar a formação de CaSO4 insolúvel.Embora íons de Ca não possam ser deixados após passar pelas resinas WACHf e SAC Na+, uma resina de troca aniônica de base forte da forma NO3 podeser usada para segurança extra no caso em que há uma pequena perda de íonde Ca. Ainda mais, sais de NO3 são muito solúveis (mais solúveis do que saisde NaSO4), então fáceis de remover por vapor e auto limpeza.

É um segundo objetivo da invenção, prover um meio quedesliga o utensílio quando o cartucho deve ser substituído.

Um meio conhecido para medir a quantidade total de sólidosdissolvidos (TDS) é medir a condutividade elétrica da água tratada conformedescrito, por exemplo, em JP5513233. Entretanto, este princípio de detecçãocomum não detecta a remoção de íons causadores de incrustações sólidas,uma vez que a relação entre a condutividade e TDS é muito afetada pelostipos de sólidos ou sais dissolvidos presentes na solução. Este problema éresolvido pelos inventores usando um cartucho de troca de íons, onde umaprimeira e segunda sonda estão presentes para medir íons causadores deincrustações sólidas por uma medição de diferença da condutividade elétricada água de entrada e da água que passou por um ou ambos trocadores de íons.A primeira sonda pode ser localizada na entrada de água docartucho e mede a condutividade da água a ser tratada. A segunda sonda podeser localizada na saída de água do cartucho, mas está preferivelmentelocalizada logo após a resina WAC HT1" e mede a condutividade da água apartir da qual a dureza temporária é removida. A diferença entre acondutividade medida por ambas as sondas deveria ser constante, enquanto adureza temporária é removida pelo trocador WAC H+. Se um aumento decondutividade lido pela segunda sonda e um decréscimo resultante nadiferença de condutividade entre a primeira e segunda sonda for detectado, otempo de vida da resina de troca catiônica de ácido fraco está terminando eum sistema de detecção pode desligar o utensílio no sentido de forçar ooperador a substituir o cartucho.

Para evitar um desligamento inesperado do utensílio duranteseu uso, a segunda sonda é colocada após o trocador de íon fraco na forma Hf,seguida de uma quantidade adicional de trocador de íon fraco na forma H+antes do trocador de íon de ácido forte.

Isto permite que o operador termine o uso do utensílio sem orisco de formação de incrustações sólidas. Uma outra vantagem é que umdecréscimo mais alto na diferença de condutividade é permitido antes que osistema seja desligado, sem ter íons causadores de incrustações sólidaspresentes na saída do cartucho.

Após o desligamento do utensílio, um circuito eletrônicoespecial ou programa de software pode desligar o utensílio, ou pelo menosuma bomba de suprimento de água até que um novo cartucho seja inserido, oua resina no cartucho tenha sido regenerada. E preferido que o utensílio deacordo com a invenção compreenda um sistema de detecção que desligue outensílio em um decréscimo pré ajustado de uma diferença de condutividademedida entre a primeira e segunda sonda, após terminar o uso do utensílio,para forçar um operador a substituir o cartucho.Se o operador está usando água deionizada, a primeira sondamedirá uma condutividade baixa e nenhuma ação será tomada.

A invenção é adicionalmente relacionada a um utensílio, e emparticular um ferro a vapor compreendendo um cartucho da invenção. Deveser notado que um utensílio, particularmente um utensílio elétrico, podecompreender um ferro a vapor, uma máquina de café, uma máquina de fazerexpresso e cappuccino, uma chaleira de chá ou uma sauna facial. E preferidoque o utensílio de acordo com a invenção compreenda um sistema dedetecção que desliga o utensílio após o uso, por exemplo, para forçar umoperador a substituir o cartucho, ou regenerar os trocadores de íons.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Figura 1 mostra um cartucho de acordo com a invenção.

Figura 2 mostra um ferro a vapor compreendendo o cartuchoda invenção.

Figuras 3 e 4 mostram geradores de vapor usados no ferro avapor da Figura 2.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS

Figura 1 mostra um cartucho de troca de íons, de acordo com ainvenção, compreendendo, entre a entrada de água IA e a saída de água 2Aum trocador de íons de ácido fraco na forma Hf 5, seguido de um trocador deíons de ácido forte na forma Na+ 7 onde uma primeira sonda 16 e umasegunda sonda 17 estão presentes, a segunda sonda 17 estando colocada apóso trocador de íons de ácido fraco na forma H+ 5 seguida de uma quantidadeadicional do trocador de íons de ácido fraco na forma Hf 6 antes do trocadorde íons de ácido forte 7.

Figura 2 mostra um ferro a vapor 1 possuindo um invólucro 2com uma base 3 no lado inferior do invólucro. Um reservatório de água 12,uma tomada de entrada de reservatório de água 15, uma bomba elétrica 14,uma gerador de vapor IOe um meio de controle 6A são acomodados dentrodo invólucro. Teclas de controle 40 operáveis pelo usuário são providas noinvólucro 2 para controlar várias funções do dispositivo. A base 3 do ferro éprovida de aberturas de descarga de vapor 5 A. A abertura de descarga 4 épara o fornecimento de vapor misto, e as aberturas de descarga 5A são para ofornecimento de vapor superaquecido. O cartucho de troca de íons de acordocom a invenção 13 é colocado entre o reservatório de água 12 e a bomba 14.

Nesta realização, a entrada de água e a saída de água são posicionadas no ladoposterior não visível do cartucho, para permitir que o cartucho seja substituídoatravés de uma abertura do lado esquerdo do ferro. Uma primeira sonda 16 euma segunda sonda 17 são posicionadas respectivamente na entrada de água ena saída de água do cartucho.

Figuras 3 e 4 são geradores de vapor após submetidosrespectivamente ao Experimento Comparativo A e Exemplo 1.

EXEMPLOS E EXPERIMENTOS COMPARATIVOS

Todos os exemplos e experimentos comparativos foramrealizados com água dura padrão (SHW) de composição conforme dada natabela 2, que é geralmente usada como água modelo no teste de utensíliosdomésticos.

Tabela 2

<table>table see original document page 9</column></row><table>

Os exemplos e experimentos comparativos são realizadosusando um gerador de vapor com um volume de 8,8 cm3, seguido por canaisde vapor e bicos. Testes de incrustação com condição de operação de usuáriosimulada foram feitos usando um programa de vapor.

O programa de vapor consiste de 15 segundos de vapor comuma temperatura em torno de 200°C e uma vazão de 40 gramas por minutoseguida de 10 segundos de repouso. O teste é interrompido após circular 11litros de água (18 horas). Uma auto limpeza pode ser usada no sentido dedissolver sais solúveis e/ou enxaguá-los. Em uma auto limpeza, 0,5 litros deágua fluem através do gerador de vapor com uma vazão de 100 gramas porminuto. Durante a auto limpeza, a temperatura do gerador de vapor diminuiaté uma temperatura na faixa de 60-40°C.

Exemplo Comparativo A

11 litros SHW foram passados através do gerador de vapor deum ferro a vapor, compreendendo adicionalmente, um divisor, um desviador,tubos e bicos, em um programa de vapor seguido de uma auto limpeza. Ogerador de vapor é obstruído (ver Figura 3) e os bicos são bloqueados. Umafina camada de incrustações pode ser encontrada cobrindo o canal de vaporcompleto. Um decréscimo na geração de vapor nos bicos já é observado apóscircular uns poucos litros de SHW. O bloqueio completo ocorreu durante aauto limpeza, uma vez que partículas de incrustação são liberadas do geradorde vapor e bloquearam os orifícios dos bicos. Após 11 litros SHW, partículasde incrustação liberadas foram encontradas nos bicos, tubos, divisor edesviador.

Exemplo Comparativo B

Um teste de incrustação foi realizado com 33 litros de SHWque passaram através de um cartucho compreendendo resina de troca de 58 mlWAC H+ (Amberlite IRC86). O teste foi realizado por um programa triplo,seguido cada vez por uma auto limpeza. Uma pequena quantidade deincrustação foi construída no gerador de vapor. A repetição deste teste comum cartucho compreendendo 300 ml de resina de troca WAC H+ provocouincrustação no gerador de vapor.

Exemplo 1

Um teste de incrustação foi realizado com água que passouatravés de um cartucho compreendendo 75 ml de resina de troca WAC H+(Amberlite IRC86), seguida de uma quantidade de 75 ml de resina de trocaSAC Na+ (Amberjet 1200 Na) com 50 litros de SHW. O teste foi realizadopelo programa de vapor seguido cada vez por uma auto limpeza. Não foiencontrada incrustação na parte de canal do gerador de vapor (Figura 4). Nãohavia bloqueio dos bicos. Pode ser concluído que incrustação mole solúvel foiremovida com vapor e/ou auto limpeza.

Exemplo 2.

Um cartucho conforme mostrado na Figura 1, provido de umasonda de condutividade 3 na entrada de água 1 e uma segunda sonda 4colocada depois de 60 ml da resina WAC H+ 5, seguida de outros 15 ml deresina WAC H+ 6 e um compartimento com 75 ml de resina SAC Na+ 7 foicarregado com SHW e substituído após um decréscimo de 20% da diferençade condutividade medida pelas duas sondas. Após 154 litros de SHW e duassubstituições do cartucho não havia bloqueio dos bicos. Mesmo sem usar umaauto limpeza, nenhuma incrustação mole foi formada no gerador de vapor, oque significa que a incrustação mole foi removida do gerador de vapor pelopróprio vapor.

Claims

1. Cartucho de troca de íons, caracterizado pelo fato decompreender uma entrada de água e uma saída de água, onde o cartuchocompreende, entre a entrada de água e a saída de água, um trocador de íons deácido fraco na forma H+ seguido de um trocador de íons de ácido forte naforma Na+ e/ou forma K+.

2. Cartucho de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o trocador de íons de ácido forte está na formaNa+.

3. Cartucho de acordo com a reivindicação 1 ou 2,caracterizado pelo fato de que uma primeira e uma segunda sondas estãopresentes para medir íons causadores de incrustações sólidas por umamedição diferencial da condutividade da água de entrada e da água que tenhapassado em um ou ambos trocadores de íons.

4. Cartucho de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3,caracterizado pelo fato de que ao primeira sonda é colocada antes e a segundasonda é colocada depois do trocador de íons fracos na forma Hf.

5. Cartucho de acordo com a reivindicação 4,caracterizado pelo fato de que a segunda sonda é seguida de uma quantidadeadicional de trocador de íons fracos na forma H+, antes do trocador de íons deácido forte.

6. Cartucho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 5, caracterizado pelo fato de que o trocador de íons de ácido forte é seguidode um terceiro trocador de íons sendo uma resina de troca aniônica de baseforte da forma NO3.

7. Utensílio, caracterizado pelo fato de ser em particular umferro a vapor compreendendo um cartucho como definido em qualquer umadas reivindicações precedentes.

8. Utensílio de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de compreender um sistema de detecção possuindodois pontos de detecção correspondentes à primeira e segunda sondas, cujosistema desliga o utensílio em um decréscimo pré ajustado de uma diferençade condutividade medida entre a primeira e a segunda sonda.

9. Utensílio de acordo com a reivindicação 8,caracterizado pelo fato de que o sistema de detecção é provido de umdispositivo eletrônico que desliga o utensílio no decréscimo pré ajustado apósterminar o uso do utensílio.