BRPI0713279B1 - dispositivo de eletrólise para a purificação de água - Google Patents

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Abstract

dispositivo para a purificação eletroquímica de água. a presente invenção refere-se a um dispositivo de eletrólise para a purificação de águas ácidas, que compreende um catódio, um anódio e uma membrana de troca de lons, sendo que a membrana está disposta entre o catódio e o anódio e fixada, pelo menos continuamente, na área periférica, sendo que a área periférica superior e inferior do dispositivo de eletrólise estão dotadas de um grande número de entradas de alimentação e saídas de descarga, ligadas ao compartimento de catódio e/ou anódio, de modo que se forma um fluxo constante no compartimento de catódio e/ou anódio, que, em uma versão ideal, está caracterizado por um perfil laminar.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "DISPOSITIVO DE ELETRÓLISE PARA A PURIFICAÇÃO DE ÁGUA".
[001] A presente invenção refere-se a um dispositivo de eletrólise para a purificação de águas ácidas, que compreende um catodo, um anodo e uma membrana de troca de íons, sendo que a membrana está disposta entre o catodo e o anodo e fixada, pelo menos continuamente, na área periférica, sendo que a área periférica superior e inferior do dispositivo de eletrólise estão dotadas de um pluralidade e entradas de alimentação e saídas de descarga, ligadas ao compartimento de catodo e/ou anodo, de modo que se forma uma corrente tampão no compartimento de catodo e/ou anodo, que, em uma versão ideal, está caracterizada por um perfil laminar.
[002] A clarificação de águas sulfúricas de locais de mineração de fundição aberta está sendo realizada, atualmente, principalmente, por inundação com água externa, caso necessário, condicionada, devido aos grandes volumes de água necessários. Mas, esse processo é muito limitado pelos abastecimentos de água disponíveis, pelo esforço gasto para a transferência e pela capacidade básica a ser absorvida. Uma clarificação de locais de mineração de fundição aberta residual por tratamento com cal, na maioria dos casos, é ineficiente, devido ao excesso estequiométrico elevado de substâncias básicas.
[003] O documento DE 19624023 B1 descreve um processo para a purificação de águas ácidas, no qual o processo de purificação de água é realizado sem misturar quaisquer aditivos à água a ser purificada. Contrariamente à neutralização tradicional, o efeito de purificação não é obtido por adição de solução alcalina à água com valor de pH alto, mas por separação de prótons pela separação eletroquímica na reação parcial catódica do processo de eletrólise, tal como mostrado no conjunto de equações de reação abaixo: (1) 4H+ + 4e ->2H2 (2) [004] Analogamente, a redução eletroquímica simultânea do oxigênio dissolvido na água para íons de hidróxido, em geral, tem um efeito neutralizante. (3) [005] No entanto, a reação (3) contribui muito pouco para a purificação de água catódica. O uso de uma membrana de troca de íons entre o compartimento de anodo e de catodo da célula de eletrólise, adicionalmente a efeitos para aumentar o valor de pH - e para a hidró-lise e precipitação de alumínio e íons de metais pesados envolvidos -o teor de sal das águas também é consideravelmente reduzido. Para esse fim, o processo de purificação de água catódico é acoplado com um processo de síntese anódica. Se houver íons de sulfato, as seguintes reações podem ocorrer no lado do anodo: (4) (5) [006] Em uma reação de acordo com a equação (4), os prótons formadores estão saturados pelos íons de sulfato que migram para dentro do compartimento de anodo, onde o ácido sulfúrico é primeiramente formado e concentrado. No segundo caso, íons de sulfato são oxidados, para dar peroxodissulfato e enriquecidos no compartimento de anodo. Em processos subsequentes, é possível recuperar esses produtos. De modo similar, também é possível utilizar o hidrogênio formado na reação catódica como um produto.
[007] O documento GB 2057507 A ou DE 36 14 005 A1 descrevem dispositivos de eletrólise que estão apropriados, em geral, para os processos acima mencionados. Células de eletrólise, tais como conhecidas para uso industrial, em instalações de eletrólise alcalina de cloro estão descritas nos documentos DE 196 41 125, DE 197 40 637 ou DE 19641 125. Entre outros componentes, essas células são cons- tituídas de um compartimento de catodo e anodo, que alojam, em cada caso, o catodo e o anodo. A membrana de troca de íons está localizada entre os elétrodos, e o interior de cada compartimento está subdividido pelo elétrico em uma câmara de elétrodo e uma câmara traseira de elétrodo. A câmara de elétrodo está limitada pela membrana e o elétrodo e a câmara traseira de elétrodo, pelo elétrodo e a respectiva parede de célula posterior. Cada célula tem uma entrada de alimentação e uma saída de descarga.
[008] Uma desvantagem envolvida nesses processos teoricamente conhecidos e os dispositivos conhecidos é que voltagens muito altas precisam ser aplicadas aos dispositivos de eletrólise conhecidos, a fim de purificar fluídos, cuja concentração de íons é muito baixa, em comparação com processos de eletrólise convencionais, tal como, por exemplo, a eletrólise alcalina de cloro, e, portanto, sua condutibilidade é muito pequena.
[009] O objetivo da presente invenção é, portanto, apresentar um dispositivo que é apropriado para fluidos com baixas concentrações de íons e está caracterizado por baixo consumo de energia no modo operacional especificado.
[0010] O referido objetivo é alcançado com a invenção, pondo à disposição um dispositivo de eletrólise para a purificação de água, que compreende um catodo, um anodo e uma membrana de troca de íons, sendo que a membrana de troca de íons está disposta entre o catodo e o anodo e fixada, pelo menos continuamente, na área periférica. A seção superior e a seção inferior das áreas periféricas do dispositivo de eletrólise estão dotadas de uma pluralidade de entradas de alimentação e saídas de descarga, para garantir a passagem de fluido através do compartimento de catodo e/ou anodo.
[0011] Constatou-se que um perfil de corrente extensivamente laminar, com um espectro de tempo de retenção relativamente estreito, que pode ser descrito por uma corrente tampão, forma-se no dispositivo de acordo com a presente invenção. A operação desse dispositivo deu resultados de degradação excelentes, em linha com um baixo consumo de energia elétrica. Para gerar uma corrente laminar estável a um baixo consumo de energia, a distância máxima do elétrodo da membrana de troca de íons é de 5 mm e, a mínima, 1,5 mm.
[0012] Uma modalidade vantajosa envolve o fato de que o dispositivo de eletrólise está configurado como um conjunto de células individuais. Uma célula individual desse tipo consiste, essencialmente, em dois compartimentos, sendo que a margem externa dos compartimentos está prevista como flange circunferencial, que limita a parede posterior da célula. Os elétrodos estão ligados no interior da respectiva parede posterior da célula por meio de telas e, opostos às telas, i.e., no lado do elétrodo voltado para a membrana, estão dispostos distanciadores, para fixar a membrana e conduzir a energia. Desse modo, o elétrodo, bem como o compartimento de anodo e de catodo estão subdivididos em diversos sub-compartimentos paralelos.
[0013] No modo operacional especificado, uma pluralidade dessas células individuais estão suspensas, uma depois da outra, em posição plano-paralela em uma estrutura de apoio e presas uma com a outra, sendo que energia passa através de uma depois da outra na direção vertical para a membrana e superfícies de elétrodo.
[0014] De um modo vantajoso, as entradas de alimentação e saídas de descarga estão dispostas através do elétrodo, quando vistas da membrana, e pelo menos uma entrada de alimentação e uma saída de descarga está associada a cada sub-compartimento. Um outro aperfeiçoamento é que o espaço entre a parede posterior da célula e o elé-trodo, i.e., a câmara traseira do elétrodo, está preenchida com material inerte, em mais de 90%, de modo que, no modo de operação especificado, a água - exceto por ligeiras correntes periféricas - é guiada para o espaço entre o elétrodo e a membrana. Em uma versão ideal, a câmara traseira de elétrico está completamente enchida.
[0015] Para aperfeiçoar a configuração da corrente para a alimentação e descarga de fluidos, o material inerte na área das entradas de alimentação e saídas de descarga está formado de tal modo ou está dotado de uma abertura adequada, para possibilitar que um ou mais canais seja/sejam formado(s) paralelamente à parede superior e inferior da célula. O fluido corre então através da abertura produzida entre a borda do respectivo elétrodo e a margem da célula. Em uma versão ideal, essa abertura entre a borda superior e inferior do elétrodo e a margem da célula é de uma largura mínima de 0,5 mm e uma largura máxima de 5 mm.
[0016] Como a corrente volumétrica no compartimento de catodo é muito alta, o catodo está adicionalmente dotado de aberturas, furos ou similar na borda superior e inferior. A água que corre para dentro da câmara traseira de catodo pode, desse modo, ser guiado de maneira apropriada para dentro do compartimento de catodo, sem qualquer necessidade de aumentar a pressão na linha de alimentação.
[0017] Em uma versão ideal, o anodo do dispositivo de acordo com a presente invenção é construído de tela de metal expandido e o catodo como chapa metálica plana. Os elementos de enchimento que preenchem a câmara traseira do elétrodo estão vantajosamente chan-frados ao longo das bordas verticais, para desidratar a câmara traseira de elétrodo e evitar corrosão.
[0018] A invenção também se refere a um dispositivo de eletrólise para a purificação de água, que está construído como uma pensa de filtro e consiste em uma pluralidade de células individuais enfileiradas uma depois da outra. Cada uma dessas células individuais tem um compartimento de anodo e catodo, bem como um diafragma ou membrana de troca de íons disposta entre os mesmos. Cada célula indivi- dual está separada da célula adjacente por paredes de célula bipola-res. Os compartimentos de anodo e catodo podem ser enchidos com esteiras, que são permeáveis a fluidos e elásticas e servem para fixar a membrana de troca de íons.
[0019] Uma modalidade vantajosa envolve o fato de que os distanciadores estão dispostos no lado do elétrodo voltado para a membrana, que serve para fixar a membrana e conduzir a energia, pelos quais o elétrodo e o espaço entre o elétrodo e a membrana são subdivididos em diversos sub-compartimentos, sendo que cada sub-compartimento está dotado de pelo menos uma entrada de alimentação e uma saída de descarga.
[0020] O dispositivo pode ser aperfeiçoado configurando o material de vedação, que está disposto acima e abaixo dos compartimentos de catodo e anodo de tal modo que as numerosas entradas de alimentação e saídas de descarga correm através desse material de vedação e, em uma versão ideal, podem ser fixados no mesmo por meio de pinos.
[0021] As figs. 1 a 3 ilustram modalidades vantajosas do dispositivo de acordo com a presente invenção. A fig. 1 mostra a célula de ele-trólise 1 em uma vista de plano. O flange 2 de célula circunferencial está dotada de penetrações de pino 3 distanciadas regularmente. A borda de célula superior 4, que não é mostrada na fig. 1, está dotada de uma pluralidade de entradas de alimentação 5. A borda de célula inferior 6, que também não é mostrada, está dotada de um número idêntico de saídas de descarga 7.
[0022] A célula de eletrólise 1 inteira está subdividida em sub-compartimentos 8, sendo que cada sub-compartimento 8 está dotado de uma entrada de alimentação 5 e uma saída de descarga 7. A vista em corte de acordo com a fig. 2 mostra a área de entrada de alimentação da célula de eletrólise 1 em uma vista em corte vertical ao longo da linha A. O compartimento de catodo 9 tem uma câmara de catodo 12 entre o catodo 10 e a membrana de troca de íons 11. Na câmara traseira de catodo 13 está inserido um elemento de enchimento de plástico 14, que está cortado em um ângulo em direção à entrada de alimentação 5, de modo que um canal 15 de secção triangular é produzida abaixo da borda da célula 6. O fechamento da câmara traseira de catodo 13 leva a um desvio do fluido nas células pela abertura de borda 16 e as aberturas 17 no catodo 10 na área do canal 15 para dentro do espaço de catodo 12. A parede traseira da célula mostra, adicionalmente, uma tira de contato 20, que liga células de eletrólise 1 adjacentes, de modo a garantir condutibilidade elétrica.
[0023] A configuração do compartimento de anodo 18 e dos componentes integrantes é essencialmente a mesma. Não há aberturas adicionais 17 no anodo 19 próximo à abertura de borda 16, uma vez que as correntes volumétricas são menores do que o lado do catodo.
[0024] A fig. 3 mostra uma vista em corte ao longo da linha B da fig. 1. São mostrados elementos de enchimento 14, que estão inseridos nas câmaras posteriores dos elétrodos, sendo que cada elemento de enchimento 14 preenche exatamente um sub-compartimento e, e sub-compartimentos 8 que são formados por telas 21, que sustentam os elétrodos e estão ligadas à parede traseira do respectivo compartimento de célula. Na câmara de catodo 12 e câmara de anodo 22 estão dispostos distanciadores 23 na área das telas 21, que fixam localmente a membrana de troca de íons 11.
Listagem de Referência 1 Célula de eletrólise 2 Flange de célula 3 Penetrações dos pinos 4 Borda superior da célula 5 Entrada de alimentação 6 Borda inferior da célula 7 Saída de descarga 8 Sub-compartimento 9 Compartimento de catodo 10 Catodo 11 Membrana de troca de íons 12 Câmara de catodo 13 Câmara traseira de catodo 14 Elementos de enchimento 15 Canal 16 Abertura de borda 17 Aberturas 18 Compartimento de anodo 19 Anodo 20 Tira de contato 21 Tela 22 Câmara de anodo 23 Distanciador REIVINDICAÇÕES

Claims (11)

1. Dispositivo de eletrólise para a purificação de água, que compreende um catodo (10), um anodo (19) e uma membrana de troca de íons (11), que está disposta entre o catodo (10) e o anodo (19) e está fixada, pelo menos continuamente, na área periférica, sendo que a área periférica superior e inferior do dispositivo de eletrólise estão dotados de uma pluralidade de entradas de alimentação (5) e saídas de descarga (7), caracterizado pelo fato de que o espaço entre a parede posterior da célula (1) e o elétrodo está enchido com material inerte em mais de 90%, de modo que, no modo de operação especificado, a água, exceto por ligeiras correntes periféricas, é guiada para dentro do espaço entre o elétrodo e a membrana (11), sendo que o dispositivo de eletrólise está configurado como um conjunto de células individuais (1), que consistem em dois compartimentos (8), sendo que a margem externa dos compartimentos (8) está prevista como flange (2) circunfe-rencial, seguido de uma margem de célula subsequente a uma borda circunferencial, que limita a parede posterior da célula (1), sendo que os elétrodos estão ligados no interior da respectiva parede posterior de célula (1) por meio de telas (21) e, opostos às telas, i.e., no lado do elétrodo voltado para a membrana (11) estão dispostos distanciadores (23), para fixar a membrana (11) e conduzir a energia, sendo que o elétrodo, bem como a câmara de anodo (23) e de catodo (12), obtidas entre o respectivo elétrodo e a membrana (11), estão subdivididos em diversos sub-compartimentos (8) paralelos.
2. Dispositivo de eletrólise para a purificação de água de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as entradas de alimentação (5) e saídas de descarga (7) estão dispostas atrás do elétrodo, quando vistas da membrana (11), e pelo menos uma entrada de alimentação (5) e uma saída de descarga (7) está associada a cada sub-compartimento (8).
3. Dispositivo de eletrólise para a purificação de água de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material inerte na área das entradas de alimentação (5) e nas saídas de descarga (7) está formado ou dotado de uma abertura adequada para possibilitar que um ou mais canais e/são formado(s) em paralelo com a parede de célula (1).
4. Dispositivo de eletrólise para a purificação de água de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a distância entre a borda superior e inferior do elétrodo e a margem da célula (1) é de uma largura mínima de 0,5 mm e de uma largura máxima de 5 mm.
5. Dispositivo de eletrólise para a purificação de água de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o catodo (10) está dotado de aberturas, orifícios ou similar, na borda superior e inferior opostas às entradas de alimentação (5) e saídas de descarga (7).
6. Dispositivo de eletrólise para a purificação de água de acordo com as reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o anodo (19) é construído de rede metálica expandida e o catodo (10) como uma chapa metálica plana.
7. Dispositivo de eletrólise para a purificação de água de acordo com as reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que os elementos de enchimento (14) estão chanfrados ao longo das bordas verticais para desidratar a parede traseira do elétrodo.
8. Dispositivo de eletrólise para a purificação de água de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de eletrólise está construído como prensa de filtro e consiste em um pluralidade de células (1) individuais enfileiradas uma depois da outra, sendo que cada uma dessas células (1) individuais tem um ano-do (19) e um compartimento de catodo (9), bem como um diafragma ou membrana (11) de troca de íons disposta entre os mesmos e está separa da célula (1) adjacente por paredes de células bipolares.
9. Dispositivo de eletrólise para a purificação de água de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que distanciadores (23) estão dispostos no lado do elétrodo voltado para a membrana (11), que servem para fixar a membrana (11) e conduzir a energia pela qual o elétrodo e o espaço entre o elétrodo e a membrana (11) está subdividido em diversos sub-compartimentos (8), sendo que cada sub-compartimento (8) está dotado de pelo menos uma entrada de alimentação (5) e uma saída de descarga (7).
10. Dispositivo de eletrólise para a purificação de água de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o material de vedação, que está disposto acima e abaixo do espaço entre a membrana (11) e o elétrodo, está configurado de tal modo que as entradas de alimentação (5) e saídas de descarga (7) atravessam esse material de vedação e, em uma versão ideal, podem ser fixados no mesmo por meio de pinos.
11. Dispositivo de eletrólise para a purificação de água de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a distância perpendicular do elétrodo para a membrana (11) de troca de íons varia entre 5 mm e 1,5 mm.
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