BRPI0608888A2 - elétrodo cilìndrico - Google Patents
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Abstract
ELéTRODO CILìNDRICO. A presente invenção refere-se a um elétrodo cilíndrico para evolução de gás compreendendo um centro condutor não ativado ao qual é fixado externamente um componente facilmente separável e substituível dotado de ativação catalítica, por exemplo uma lâmina ou rede ondulada.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ELETRODO CILÍNDRICO".
ANTECEDENTES DA INVEÇÃO
A presente invenção refere-se a um eletrodo de geometria cilíndrica para processos eletroquímicos, em particular de um eletrodo cilíndrico consistindo em um condutor metálico central com uma ativação cataiítica superficial.
ESTADO DA TÉCNICA
O uso de eletrodos a geometria cilíndrica è conhecido em vários setores da eletroquímica; eletrodos cilíndricos, na maior parte dos casos, concentricamente dispostos dentro dos contraelétrodos cilíndricos vasados, são utilizados corretamente em aplicações de eletrodiálise (US 20030010639), ele-trólise da água (DE 196 36 171), produção de ozônio (JP2001198574) e outras aplicações. Os processos mais importantes que fazem uso da geometria eletródica de tipo cilíndrico, geralmente coaxial, são no entanto a recuperação de metais das soluções aquosas (veja por exemplo US 6.451.183 ou DE 197 49 445) e o tratamento de águas desperdiçadas (resíduos industriais, águas civis e outras), para a potabilização ou purificação das mesmas por vários contaminantes (por exemplo US 5.635.040). As geometrias cilíndricas, sobretudo em células eletroquímicas de pequena dimensão, oferecem vantagens substanciais principalmente em termos de distribuição dos fluídos. Dependendo do processo em consideração, os eletrodos cilíndricos podem ser tanto ânodos como cátodos; na maior parte dos casos, tais eletrodos são adequados para a evolução de uma reação a gás, por exemplo evolução catódica de hidrogênio ou evolução anódica de oxigênio, ozônio ou cloro. As reações de evolução gasosa, em particular aquelas anódicas, devem ser catalisadas a fim de desempenhar com uma eficiência suficiente; os eletrodos cilíndricos da técnica prévia são conseqüentemente constituídos de um suporte condutor metálico cilíndrico (geralmente de titânio ou outro metal válvula, no caso dos ânodos) revestido com catalisadores geralmente a base de óxidos metálicos, dependendo do tipo de gás a ser desenvolvido e do potencial requerido, como amplamente conhecido. O procedimento de apli-cação do revestimento catalítico ao suporte cilíndrico prevê a pintura deste último com um precursor, e a sucessiva conversão do precursor por meio de um tratamento térmico à alta temperatura (350-700°C). A pintura de eletrodos metálicos com soluções de precursores é efetuada preferivelmente com procedimentos de pulverização eletrostática; a geometria cilíndrica neste caso é menos favorável que a planar em termos de homogeneidade de aplicação. Além disso, os revestimentos catalíticos tem um tempo útil de vida operativa limitado (indicativamente de 1 a 5 anos dependendo das aplicações). Uma vez exaurido o revestimento original, esse deve ser removido completamente através de meios mecânicos e reabilitado; a operação de remoção do revestimento é particularmente onerosa para geometrias cilíndricas, especialmente para aquelas de pequena dimensão. De qualquer modo, os tempos prolongados requeridos para a reabilitação da ativação catalí-tica dos eletrodos conduz a indesejadas limitações para a operação da plan- ta, alternativamente impondo uma interrupação temporária da produção, um super-dimensionamento da inteira planta para permitir a reativação cíclica programada dos eletrodos como também a necessidade de armazenar uma quantidade considerável de eletrodos de reserva, que representa uma solução muito onerosa do ponto de vista de custos de investimento. É conse- qüentemente um objetivo da presente inveção fornecer um eletrodo cilíndrico para processos eletroquímicos que supere os inconvenientes da técnica prévia. Sob um outro aspecto, é um objetivo da presente invenção fornecer um eletrodo cilíndrico que permita uma maior facilidade de aplicação ou de reabilitação do revestimento catalítico. Sob um ulterior aspecto, é um objetivo da presente invenção fornecer um método melhorado para a reativação ca-talítica de um eletrodo cilíndrico em termos de eficiência de gerenciamento de processos. Estes e outros objetivos serão esclarecidos pela descrição seguinte, que serve como exemplo ilustrativo da invenção não almejando limitar o escopo da mesma. 30 A INVENÇÃO
Sob um primeiro aspecto, a invenção é relativa à um eletrodo para evolução de gás que compreende um centro condutor que age comoum coletor de corrente, ao qual é fixado externamente um componente se-parável, por exemplo uma rede ou lâmina sólida, perfurada ou expandida, feita de material condutor. Em uma modalidade preferida, o componente separável é dotado de revestimento catalítico e constitui o elemento ativo do eletrodo. A geometria eletródica da invenção é particularmente adequada para a construção dos ânodos para evolução de oxigênio, de ozônio ou de cloro em processos eletrometalúrgicos ou de tratamento de água. Neste caso, o centro cilíndrico condutor é vantajosamente construído em metal válvula, na maioria dos casos em titânio. O centro cilíndrico pode apresentar qualquer dimensão, mesmo se o diâmetro típico é compreendido entre 1 e 25 cm, dependendo das aplicações. O componente separável é preferivel-mente uma rede ou lâmina metálica, que pode ser vantajosamente construída com o mesmo material do centro condutor, preferivelmente tendo uma espessura compreendida entre 0.3 e 0.8 mm mesmo se outras espessurassão igualmente aceitáveis.
Sob um segundo aspecto, a invenção é relativa à um método para a reativação de um ânodo cilíndrico dotado de um revestimento catalítico exaurido, compreendendo um elemento separável dotado de revestimento catalítico externo ao mesmo.
A invenção será melhor compreendida facendo referência às
seguintes figuras, que apresentam um objetivo meramente exemplificativo. BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
- As figuras 1 A-C mostram uma primeira modalidade do eletrodo da invenção; na figura 1A são mostrados o centro condutor cilíndrico e a lâ-mina ou rede metálica como componentes separados, na figura 1B e 1C são mostrados os mesmos componentes montados, respectivamente em uma visão de cima e uma visão lateral.
- As figuras 2 A-B mostram uma segunda modalidade do eletrodo da invenção; na figura 2A è mostrada a lâmina ou rede metálica soldada ao longo de uma generatrix do centro condutor, e na figura 2B a mesma lâmina ou rede metálica envolvida em torno ao centro condutor e fixada com pontos de solda.DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS
Na figura 1 A-C é mostrada uma primeira modalidade do eletrodo da invenção; em particular, na figura 1A é mostrada uma vista plana do condutor cilíndrico (100), que pode consistir em uma haste metálica ou cilin- dro vasado, por exemplo de titânio ou no caso de um cátodo de aço inoxidável. O condutor cilíndrico (100), que agirá como um centro cilíndrico condutor do eletrodo da invenção depois da montagem, pode ser também um eletrodo cilíndrico da técnica prévia, por exemplo um eletrodo com revestimento cataiítico exaurido.
Com (200) é indicada uma vista plana de uma lâmina metálica
ondulada dobrada, fechada em si mesma e soldada formando um cilindro corrugado, dotada de revestimento catalítico superficial ao menos na superfície externa. Na figura, as corrugações da lâmina ondulada não são representadas em escala real, mas amplamente exageradas para uma melhor compreensão do desenho. Em uma modalidade menos preferida, a lâmina (200) pode ser substituída por uma rede ondulada de geometria análoga. O diâmetro da lâmina (200) dobrada em forma de cilindro é ligeiramente inferior àquele do centro condutor (100), mas a geometria ondulada é tal a transmitir uma certa flexibilidade à ela mesma, de modo que possa ser inserida forçadamente no centro dela mesma. A flexibilidade é maior para as lâminas onduladas de espessura reduzida (tipicamente 0.5 mm, de qualquer modo compreendida entre 0,3 e 1 mm). A figura 1B mostra as duas partes em uma vista planta depois da montagem: depois do inserimento da lâmina ondulada (200), as duas partes podem ser ulteriormente fixadas por meio de pontos de solda (não mostrados). A figura 1C mostra a mesma montagem em uma vista lateral. Como pode ser visto particularmente pela figura 1B, comparada à ativação catalítica obtida diretamente em um condutor cilíndrico, o uso de uma lâmina ondulada apresenta uma vantagem evidente de aumentar con-sistentemente a superfície ativa. Além disso, uma vez exaurido o revesti-mento catalítico, a lâmina (200) pode ser facilmente removida e substituída com uma outra previamente ativada diretamente na instalação, com tempos mínimos de parada programada e com a única necessidade de manter aslâminas ativadas armazenadas no sítio, melhor do que uma série de eletrodos completos. Deste modo, os custos de manipulação do material no caso de uma reativação são também reduzidos.
Na figura 2 A-B é mostrada uma segunda modalidade preferida da invenção; em particular, a figura 2A mostra um condutor cilíndrico (101), que pode ser também neste caso constituído de uma haste metálica ou um cilindro vasado, por exemplo de titânio ou outro metal válvula no caso de um ânodo, ou de níquel ou aço indoxidável no caso de um cátodo. Neste caso também o condutor cilíndrico (101) pode ser um eletrodo cilíndrico da técnica prévia, por exemplo um eletrodo com um revestimento catalítico exaurido.
Em (201) é indicada uma rede dotada com revestimento catalítico, soldada à bandeira ao longo da generatrix do condutor cilíndrico (101); a figura mostra a junção das duas partes como uma soldadura contínua (300), por exemplo obtida por meio de laser, mas também tipos diferentes de sol-dadura tal como a soldagem a pontos são possíveis. A rede (201) pode ser substituída por uma lâmida expandida ou perfurada ou em uma modalidade menos preferida por meio de uma lâmina sólida. A figura 2B mostra como em uma etapa sucessiva, a rede (201) é dobrada em modo que que recubra o centro cilíndrico e soldada sobre ela mesma através de solda a pontos (301) depois de sobrepor as bordas opostas. Em uma modalidade menos preferida, a rede (201) pode apresentar as bordas não sobrepostas, ambas soldadas ao centro condutor (101); a soldagem a pontos (301) pode ser substituída por outro tipo de fixagem, por exemplo por uma soldagem contínua. Também neste caso, uma geometria adequada da rede (201) podepermitir um incremento substancial da superfície ativa do eletrodo obtido com relação à ativação direta do condutor cilíndrico; além disso, a rede metálica (201) fixada externamente ao centro cilíndrico (101) pode ser facilmente removida uma vez exaurida a ativação catalítica, e substituída por uma nova.
EXEMPLO
Um ânodo cilíndrico de titânio para uma célula usada nas células tubulares para a eletrodeposição de cobre descritas em US 6.451.183, con-sistindo em um cilindro vasado de titânio com 15 centímetros de espessura, foi ativado com um revestimento a base de óxidos de titânio e tantálio (16 g/m2 total) sobre uma pré-camada a base de óxidos de titânio e tantálio, como conhecido na técnica. O ânodo foi submetido a um teste padrão de evo-lução de oxigênio em solução sulfúrica a 5% a uma temperatura de 25°C e a uma densidade de corrente de 500 A/m2. No decorrer de oito horas de teste foi observada uma tensão estável de 3,30 V (eletrodo de acordo com a técnica prévia).
Um eletrodo segundo a invenção foi preparado utilizando uma 10 haste de titânio idêntica livre de ativação catalítica, onde foi fixada uma rede de titânio com 0,5 mm de espessura ativada com a mesma composição do modelo anterior segundo a técnica prévia, utilizando a configuração mostrada na figura 2; a rede ativada foi então primeiramente fixada pela soldagem contínua ao longo da generatrix do cilindro, e então envolvida nela mesma e fixada por meio de três pontos de solda.
O eletrodo foi submetido ao mesmo teste de evolução de oxigênio do modelo anterior, em condições idênticas de processo. No decorrer de oito horas de teste foi registrada uma tensão estável de 2,90 V (eletrodo da invenção).
Foi mostrado com isso como o eletrodo da invenção, além de
resolver em modo prático os inconvenientes da técnica prévia associados principalmente à reativação dos eletrodos cilíndricos exauridos, é também capaz, provavelmente devido à maior superfície exposta, de operar com uma eficiência energética superior (menor tensão) correspondendo a uma maior expectativa de vida útil.
Como é claramente evidente para um técnico do setor, a invenção pode ser praticada executando outras variações ou modificações com respeito aos exemplos acima mencionados.
A precedente descrição não pretende limitar a invenção, que pode ser utilizada segundo diversas modalidades sem fugir dos escopos da mesma, e cuja extensão é univocamente definida pelas reivindicações anexas.Nas descrições e nas reivindicações do presente pedido de patente, o termo "compreende" e as suas variações tais como "compreendendo" e "compreendido" não são entendidos para excluir a presença de outros elementos ou componentes aditivos.
Claims (16)
1. Eletrodo para evolução de gás compreendendo um centro cilíndrico condutor e uma rede ou lâmina metálica fixada externamente ao dito centro cilíndrico e em contato elétrico com o mesmo.
2. Eletrodo de acordo com a reivindicação 1, em que o dito centro cilíndrico condutor é de titânio ou outro metal válvula.
3. Eletrodo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que o dito centro cilíndrico apresenta um diâmetro compreendido entre 1 e 25 cm.
4. Eletrodo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que a dita lâmina ou rede metálica é ativada com um revestimento catalítico para a evolução de cloro, de ozônio ou de oxigênio.
5. Eletrodo de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, em que a dita lâmina ou rede metálica é ativada com um revestimento para a evolução de oxigênio à alta sobretensão.
6. Eletrodo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que a dita rede ou lâmina metálica é uma lâmina ondulada dobrada sobre ela mesma e soldada ao longo de dois lados opostos formando um cilindro com diâmetro inicial inferior ao dito centro cilíndrico e inserido forçadamente nele mesmo.
7. Eletrodo de acordo com a reivindicação 6, em que a dita lâmina ondulada dobrada a cilindro e inserida no dito centro condutor é fixada ao dito centro cilíndrico por meio de pontos de solda.
8. Eletrodo de acordo com a reivindicação 6 ou 7, em que a dita lâmina ondulada tem uma espessura compreendida entre 0,3 e 1 mm.
9. Eletrodo de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, em que um lado da dita lâmina ou rede metálica é soldado ao dito centro cilíndrico ao longo de uma generatrix do mesmo, e a dita lâmina ou rede é envolvida em torno ao dito centro condutor.
10. Eletrodo de acordo com a reivindicação 9, em que a dita lâmina ou rede apresenta uma espessura compreendida entre 0,3 e 1 mm.
11. Processo de eletrodeposição metálica que compreende a evolução anódica de oxigênio no eletrodo como definido em qualquer umadas reivindicações precedentes.
12. Processo de tratamento de águas que compreende a evolução anódica do oxigênio, do ozônio ou do cloro no eletrodo como definido em qualquer uma das reivindicações de 1 a 10.
13. Método para a reativação de um eletrodo cilíndrico dotado derevestimento catalítico exaurido, que compreende o inserimento nele mesmo de uma lâmina ondulada dobrada sobre ela mesma e soldada ao londo dos dois lados formando um cilindro, dita lâmina ondulada sendo dotada de revestimento catalítico.
14. Método de acordo com a reivindicação 13, em que a dita lâ-mina ondulada dobrada sobre si mesma forma um cilindro de diâmetro inferior àquele do eletrodo cilíndrico.
15. Método de acordo com a reivindicação 13 ou 14, que compreende ulteriormente a fixação da dita lâmina ondulada ao eletrodo cilíndri- co por meio de pontos de solda.
16. Método para a reativação de um eletrodo cilíndrico dotado de revestimento catalítico exaurido, que compreende a soldagem ao longo de sua generatrix uma borda de uma lâmina ou rede metálica dotada de rives-timento catalítico, e envolvendo a dita lâmina ou rede metálica em torno ao eletrodo cilíndrico, opcionalmente fixando à borda oposta de dita lâmina ou rede metálica à dita borda soldada e/ou dito eletrodo cilíndrico por meio de pontos de solda.
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