ES2266900T3 - Estructura de un electrodo para su uso en una celula electrolitica. - Google Patents
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Abstract
Estructura de un electrodo de material eléctricamente conductor para ser utilizado como ánodo y/o cátodo en una célula electrolítica, comprendiendo un elemento distanciador para impedir el contacto eléctrico entre los electrodos cuando estos se utilicen, y dispuesto para conducir a través un líquido de proceso, tal como agua, que se vaya a tratar, caracterizada por un bastidor conductor (10) con una serie de orificios (18) para el paso del líquido e incluyendo medios (20) para conectar a una fuente de alimentación de corriente, estando una o ambas caras planas del bastidor (10) cubiertas con una lámina perforada conductora o una malla de alambre (12, 14), y siendo el elemento distanciador (16) una lámina perforada o una malla de alambre, adecuada para cubrir una de las superficies planas de la lámina perforada o malla de alambre (12, 14), correspondiéndose la sección plana de dicho distanciador principalmente con la sección plana del bastidor (10).
Description
Estructura de un electrodo para su uso en una
célula electrolítica.
La presente invención se refiere a una
estructura de un electrodo para uso como ánodo/cátodo en una célula
electrolítica, según figura en el preámbulo de la siguiente
reivindicación 1.
La invención se refiere además a un método para
la preparación de dicha estructura de electrodo.
La invención también se refiere al uso de la
célula electrolítica que incluye ánodo/cátodo tal como está
mencionado anteriormente.
La invención está referida a la tecnología
relativa a la producción de oxidantes y radicales que se utilizan
para la oxidación y eliminación de materia orgánica en líquidos, y
materiales orgánicos en partículas en líquidos, y para la
destrucción de bacterias, esporas, microorganismos, algas y
virus.
En la actualidad los ánodos (electrodos) se
producen aplicando un recubrimiento electrolítico sobre un sustrato
con capas delgadas de metales preciosos (nobles). Ahora bien, estos
electrodos tienen una vida útil especialmente corta y no toleran
quedar expuestos a tensiones altas a lo largo del tiempo. Si se
exponen a tensiones demasiado elevadas, se queman. Durante el
proceso se produce una disolución/precipitación del ánodo, de
manera que éste queda corroído.
También existe la producción de ánodos a base de
metales puros o aleaciones de tales metales, y que no pertenecen al
grupo de los metales preciosos, pero quedan rápidamente corroídos
durante el uso, no producen el oxidante deseado ni se pueden
exponer a la tensión deseada.
Otro método menos conocido que se utiliza en la
actualidad supone la laminación de tántalo, iridio o una mezcla de
éstos, hasta un espesor entre 0,015 y 0,035 mm, que se suelda sobre
un núcleo para un ánodo hecho de titanio, aluminio o cobre. Con
este método se emplea soldadura por fricción. La vida útil de estos
electrodos es más larga que la de los electrodos fabricados
mediante el empleo de electrólisis. Toleran unas tensiones e
intensidades de corriente notablemente superiores. Con estas
ventajas en cuanto a las variables para el proceso de electrolisis,
es decir para tensiones entre 0-380 V e
intensidades de corriente de 0-1000 amperios, se
produce una mezcla de oxidantes, incluyendo una reactividad muy
elevada, potencia y posibilidad de un equilibrado funcional de los
oxidantes singulares (Cl_{2}, ClO_{3}, O_{3}, O_{2},
H_{2}, O_{2}, OH, ClOH, O) que rebasan el efecto de, y reducen
el efecto no deseado de los oxidantes de los ánodos producidos por
otros métodos.
Las limitaciones para la preparación mediante
estos métodos son el campo de variación en la mezcla de aleaciones.
Por ejemplo, es sabido que una aleación de platino/iridio (Pt/lr)
que contenga más del 20% de iridio, es difícil de laminar para
reducirla al espesor deseado. Hoy día se sabe que la aleación se
puede laminar hasta 33 micras (0,033 mm). Unas concentraciones
superiores de lr dan lugar a problemas aún mayores, y la lámina
preparada a menudo se vuelve frágil. También es deseable que la
lámina tenga un alto grado de dureza con el fin de incrementar la
resistencia mecánica al desgaste. Además, el espesor de la lámina
es decisivo para determinar qué cantidad de un determinado oxidante
se produce en un determinado líquido con una tensión y una
corriente dadas. Es bien sabido que, por ejemplo, el platino puro
técnicamente sólo se puede laminar hasta 15 micras (0,015 mm). Por
debajo de este espesor no es posible obtener una lámina coherente
(sin poros).
Recientemente, los métodos de pulverizado al
vacío/plasma de tántalo y de los metales preciosos conforme al
método antes mencionado han ampliado el potencial de uso por cuanto
se han desarrollado métodos para pulverizar capas más delgadas, y
al mismo tiempo incrementar el campo de variación de la mezcla de
una aleación con una densidad de poros 100%, y por lo tanto se ha
ampliado el área de uso específica.
Los procesos electrolíticos conocidos, en su
forma más sencilla, proporcionan Cl_{2} como agente oxidante.
Ahora bien, otros oxidantes (ClO_{3}, O_{3}, O_{2},
H_{2}O_{2}, OH, ClOH, O) son mucho más reactivos químicamente, y
se obtienen recubriendo un sustrato con metales preciosos,
exponiéndose a una tensión dentro de una gama en la que se rebasa
la ley de Faraday.
De estos componentes, los radicales son en
particular los agentes oxidantes más potentes, tanto en lo que se
refiere a la potencia y a los efectos secundarios no deseados
(compuestos halogenados de materia orgánica). El problema del
proceso electrolítico conocido es que los radicales no se pueden
utilizar, ya que tienen una vida útil de una milésima de segundo, y
por lo tanto solamente se encuentran presentes muy próximos a la
superficie del ánodo. Puesto que solamente una parte muy pequeña del
líquido que pasa a través de una célula electrolítica establece
contacto con esta superficie anódica, no se pueden exponer
eficazmente grandes cantidades de líquido a la exposición radical
para su reacción con compuestos orgánicos, bacterias, virus, etc.,
que se deseen eliminar del líquido.
Los procesos electrolíticos conocidos forman
hidrógeno en el cátodo. El hidrógeno reduce considerablemente la
formación de oxidantes por el ánodo ya que el hidrógeno produce
agua cuando se pone en contacto con el oxidante. Esto se refiere en
particular a los radicales OH en contacto con hidrógeno. El gas
hidrógeno también reduce la conductividad del líquido cuando está
presente dentro del campo de tensión entre el ánodo y el cátodo, y
en contacto con el
ánodo.
ánodo.
Por la patente US 6,328,875 se conoce que se han
desarrollado con éxito diseños de células electrolíticas con
ánodos/cátodos hechos de elementos porosos conductores consistentes
en metal, incluidos metales nobles, o carbono de un tejido de
alambre soldado o tejido, metal expandido o fieltro de carbono,
género tejido de carbono o carbono vítreo reticulado y espuma
metálica. La estructura incluye una solución abierta donde el
efluente se hace pasar por entre medias de un distanciador/ánodo y
cátodo hacia una zona abierta (solución abierta). Esta fila va
amarrada entre sí y el ánodo/cátodo está separado de forma
monopolar o bipolar mediante un distanciador para evitar un
cortocircuito. El efluente pasa entonces durante el proceso en
paralelo con el ánodo/cátodo/distanciador.
También se conoce que la patente US 6,342,151
comprende ánodos/cátodos hechos de material conductor permeable
seleccionado del grupo consistente en placas perforadas, pantallas,
lana, fieltro y tejido hecho de acero inoxidable, aluminio, cobre,
titanio platinizado, óxidos metálicos mixtos, oro y acero chapado
con oro. También el electrodo utiliza distanciadores para evitar el
cortocircuito entre el ánodo y el cátodo cuando las distancias
entre dichos componentes son pequeñas.
Es bien sabido que los distanciadores
incrementan el consumo de corriente en un proceso electrolítico y
reducen la capacidad de flujo a través del
electrodo.
electrodo.
También es bien conocido que el ensuciamiento
debido a la formación de incrustaciones causadas por el contenido
de Mg y Ca en el efluente tratado, constituye un problema
importante con respecto a la electrólisis. El problema de la
formación de incrustaciones aparece cuando la velocidad del
efluente que contiene Mg y Ca (tal como agua de mar) pasa a través
de una reacción de ánodo/cátodo. Si la velocidad del efluente es
demasiado lenta, se formará rápidamente un puente de cristales entre
el ánodo y el cátodo, dando lugar al ensuciamiento del proceso.
Incrementando la velocidad de tal manera podría evitar esto también
en la medida en que todo el Mg y Ca acumulado se transporte
arrastrándolo antes de que se adhiera al cátodo. Otra forma,
siempre y cuando el ánodo y el cátodo sean del material reactivo
igual o equivalente, es el de alternar la polaridad del ánodo y del
cátodo de forma periódica. Entonces la incrustación se desprende
del cátodo cuando éste revierte a ser ánodo.
Uno de los objetos de la invención es el de
proporcionar una estructura nueva y mejorada del electrodo que
elimine las pérdidas de energía debido a la necesidad de un
distanciador, pero siga permitiendo una distancia corta entre el
ánodo y el cátodo, sin riesgo de cortocircuito.
Otro de los objetivos de la invención es el de
permitir un gran flujo vertical a través del electrodo, manteniendo
al mismo tiempo la plena eficacia de la electrólisis, con el fin de
evitar el ensuciamiento debido a la formación de
incrustaciones.
Otro de los objetivos de la invención es el de
proporcionar una estructura nueva y mejorada de un electrodo que
vaya a ser utilizado para preparar oxidantes tal como se ha
mencionado anteriormente, por ejemplo Cl_{2}, ClO_{3}, O_{3},
O_{2}, H_{2} O_{2}, (OH), (ClOH), (O) y que pueda utilizar de
forma óptima la producción de radicales en la superficie del
ánodo.
También es uno de los objetivos de la invención
el proporcionar una estructura nueva y mejorada de un electrodo
donde se pueda eliminar un efecto de oxidación reducido debido a la
interferencia del hidrógeno entre el ánodo y el cátodo y sobre el
cátodo.
También es un objetivo de la invención el
deponer sustancialmente todo el líquido en contacto con una zona
próxima al ánodo, donde se producen los radicales, y donde los
radicales tienen una vida útil de algunas milésimas de segundo
(milisegundo). Dado que los radicales son el principal agente
oxidante, también con respecto a los efectos secundarios no
deseados de otros agentes oxidantes, es esencial para la inventiva,
en comparación con el estado de la técnica, que los efectos del
radical sobre los materiales que se trata de desinfectar/oxidar, se
incrementan considerablemente.
También es uno de los objetivos de la invención
el preparar un ánodo en el que el consumo de energía se reduzca
considerablemente cuando se conecte a un circuito conforme a la
invención, con relación al volumen de líquido que se trata de
manejar.
También es un objetivo de la invención
proporcionar un método nuevo y mejorado en el cual sea posible
preparar de forma sencilla un electrodo con mayores prestaciones en
el uso que los electrodos conocidos previamente.
También es un objetivo de la invención
proporcionar un uso del electrodo.
El dispositivo, el método y el uso conforme a la
invención están caracterizados por las propiedades que aparecen en
las cláusulas características de las reivindicaciones
independientes.
Las restantes características de la invención
figuran en las reivindicaciones dependientes, respectivamente.
De acuerdo con la presente invención se
proporciona un método que es adecuado para utilizar una red de
malla metálica de alambre, tricotada, tejida o trenzado para uso en
y para la producción de un ánodo y/o un cátodo que se pueda
utilizar para producir una mezcla de oxidantes, y en particular
radicales mediante el uso de electrolisis.
La invención se caracteriza porque se monta un
ánodo con alambres o malla de alambre, tricotada o trenzada de
tántalo, niobio, hafnio, circonio, platino, rodio, iridio, rutenio,
paladio o una aleación de éstos, o una mezcla de diferentes hilos
de los metales antes mencionados.
La invención está caracterizada porque el cátodo
se monta con alambres o con una malla de alambre, tricotada o
trenzada de hilos de acero 316L o un material conductor y
resistente de aleación superior.
La invención se caracteriza además porque los
alambres o mallas del ánodo y las mallas del cátodo se pueden
acercar muy próximas entre sí sin contacto de cortocircuito, por
cuanto se dispone una malla de separación, membrana o malla de
tramas cruzadas gruesas de un material resistente oxidante no
conductivo que está dispuesto entre el ánodo y el cátodo con el fin
de separar éstos e impedir un contacto de cortocircuito.
De acuerdo con una realización preferida de la
invención se puede disponer un material conductivo superior en el
ánodo y el cátodo, individualmente o en un dibujo de cuadros
grandes, y se puede aislar a continuación mediante un material
aislante duradero oxidante de electrolito con el fin de
proporcionar un flujo de corriente uniforme a través del área
expuesta de la malla de alambre o red de alambre.
La invención está caracterizada porque el
ánodo/cátodo está dispuesto en un flujo de líquido que ha de pasar
a través del ánodo/cátodo, o porque el ánodo/cátodo está dispuesto
en una vasija para la producción de un oxidante.
La invención está además caracterizada porque al
electrolizar agua fresca se tiene la posibilidad de utilizar tanto
la malla del cátodo como la malla del ánodo en una aleación de
calidad SS316L o superior.
La invención se caracteriza además porque
mediante la electrólisis del agua fresca se puede sustituir una
malla tejida, tricotada o trenzada por una placa en SS316L que esté
perforada por medios fotoquímicos con el fin de sustituir a una
malla de alambre.
Al aplicar una corriente eléctrica de alta
densidad de corrientes que rebase la ley de Faraday a un conjunto
de alambre o a una malla tejida, tricotada o trenzada del metal o
de un metal precioso tal como se ha descrito anteriormente, se
consigue una alta producción de radicales y oxidantes reactivos.
Esta producción implica un efecto especialmente alto por oxidación
de material orgánico y de desinfección.
La presente invención difiere de los
procesos/cé-
lulas electrolíticas existentes, donde el efecto de los radicales, ozono, peróxido de hidrógeno, dióxido de cloro e hipoclorito se prepara a partir de ánodos con una capa de metales preciosos que producen los oxidantes reactivos, y proporcionando una estructura de electrodo mediante la cual se pueda utilizar la producción de radicales de manera más óptima que anteriormente.
lulas electrolíticas existentes, donde el efecto de los radicales, ozono, peróxido de hidrógeno, dióxido de cloro e hipoclorito se prepara a partir de ánodos con una capa de metales preciosos que producen los oxidantes reactivos, y proporcionando una estructura de electrodo mediante la cual se pueda utilizar la producción de radicales de manera más óptima que anteriormente.
Esto se puede conseguir, teniendo el ánodo una
forma que incluya una malla metálica tal como se ha descrito, que
tenga una separación de hilos entre 100 micras y 25.000 micras, o
una apertura cuadrada desde 18 micras a 25.000 micras, estando el
metal expuesto a tensiones que rebasan la ley de Faraday, dando
lugar a una alta producción de oxidante próximo al ánodo.
Al utilizar la estructura del electrodo conforme
a la invención, el líquido que se trata de manejar se hace pasar a
través de una malla de red de alambre, en la que la apertura en la
malla de alambre tiene una dimensión de apertura mínima de 15
micras (15 \mum). Al pasar la reacción radical con una vida útil
de unas milésimas de segundo, ésta actuará sustancialmente sobre
todo el líquido que fluya a través de la malla de alambre. Otros
procesos de oxidación electrolítica obtienen un efecto radical de
1-3% sobre la superficie del ánodo. Por la presente
invención, se obtiene un rendimiento de un 95-98%
de utilización del efecto radical. Esto es debido al hecho de que
hasta un 95-98% del líquido pasa próximo al ánodo,
donde los radicales tienen su vida útil, y porque el líquido de
hecho fluye a través del ánodo de malla
fina.
fina.
La presente invención difiere de los
procesos/cé-
lulas electrolíticos existentes por el hecho de que el ánodo y el cátodo se pueden situar muy próximos entre sí gracias a un elemento de separación (distanciador) o una malla de alambre de separación, preparada con un material no conductor de cuadros grandes.
lulas electrolíticos existentes por el hecho de que el ánodo y el cátodo se pueden situar muy próximos entre sí gracias a un elemento de separación (distanciador) o una malla de alambre de separación, preparada con un material no conductor de cuadros grandes.
De acuerdo con una realización preferida de la
invención, se prefiere que cada bastidor esté cubierto por dos
capas de malla de alambre, una capa en cada lado plano del
bastidor. Sin embargo es suficiente que el bastidor incluya
solamente una capa de malla de alambre, tal como está representado
en las Figuras 1A, 1B y 1C.
De acuerdo con la realización más preferida, se
fija una malla de alambre o unos hilos paralelos 12 y 14
respectivamente a cada lado del bastidor conductor 10, exponiéndolo
a una fuerza de tensión/presión importante y posiblemente aplicando
calor y utilizando un agente adherente, o mediante soldadura por
inducción o soldadura por láser, al mismo tiempo que se mantiene el
alambre o la lámina perforada a la tensión suficiente. De este
modo, los hilos o la malla que cubren la zona expuesta de cada lado
plano del conductor quedan estabilizados. La malla de alambre
incluye posiblemente hilos paralelos, donde uno de cada 10 o de
cada 20 hilos es de tántalo, mientras que los demás son hilos de
platino.
Sobre una de las capas de alambre 14 del
bastidor 10 o de dicha malla de alambre de separación, se coloca y
ancla una lámina separadora 16 (de PVS o material de
polipropileno), de un material no conductor que tenga la forma
exacta (vista en planta) del bastidor 10. De este modo, los
orificios 18 de la malla de alambre de separación 16 quedan
alineadas con los orificios de paso del flujo 18 del bastidor 10.
De este modo, los orificios de paso de flujo 18 del bastidor 10 que
están "cubiertos" por la malla de alambre 12, 14, no quedan
cubiertos por dicha lámina separadora 16. El espesor del bastidor
10 puede ser de 5 mm mientras que la lámina separadora 16 puede
tener un espesor tan reducido como 0,3 mm (que representa la
separación entre las superficies del ánodo y del cátodo). De esta
manera no se obstruyen las características del flujo de agua/líquido
a través del bastidor, durante el uso.
Por lo tanto una unidad de electrodo, para un
ánodo o cátodo, incluye dicho bastidor conductor con una serie de
orificios para el flujo a través 18, estando ambas caras planas del
mismo recubiertas de la placa perforada, los hilos (hilos paralelos
o una malla de alambre) y la lámina distanciadora 18 sobre uno de
los lados únicamente. El bastidor conductor (para un cátodo o ánodo)
10 incluye además los medios 20 para conectarlo a una alimentación
de corriente adecuada (tensión e intensidad).
Con el fin de construir una única célula
electrolítica (la más sencilla), se montan dos unidades de
electrodo tal como están representadas en la Figura 4 próximas
entre sí y alineadas, de manera que dicha capa distanciadora 18
proporcione la separación necesaria (por ejemplo 0,3 mm) entre la
superficie del ánodo 14 de una unidad de electrodo y la superficie
del cátodo 12 de la unidad de electrodo adyacente.
Se prefiere recubrir el bastidor conductor (que
es de acero inoxidable) 10 y las secciones de hilo conductor (malla
de alambre) 12, 14 que cubren dicho bastidor, con un material no
oxidable con el fin de protegerlo contra el contacto con el
electrolito, de forma similar a la representada en la Figura
1C.
Una célula electrolítica consistente en una
serie de parejas de unidades de electrodo antes mencionadas (hasta
50 parejas) puede tener una forma circular o rectangular. Una
unidad de electrodo circular puede tener por ejemplo un diámetro de
hasta 1 metro, que representa el flujo de agua a través de la
unidad. La célula electrolítica se puede colocar en una tubería que
conduzca el agua que vaya a ser tratada de acuerdo con la
invención, por ejemplo tal como se puede ver en la Figura 5. Al
aplicar una tensión suficiente al conjunto de ánodos/cátodos, el
agua de proceso que fluye a través de la unidad (de los orificios
18) de la malla de alambre de la unidad, logra un contacto reactivo
estrecho con los oxidantes y radicales formados sobre los hilos del
ánodo de la malla de alambre.
Las Figuras 4A y 4B del dibujo son vistas
explosionadas (versión rectangular y versión circular) de las
cuatro capas 20, 12, 14, 16 de las que se compone la estructura de
cada unidad.
La Figura 4B muestra la malla de alambre del
ánodo o cátodo en el que el bastidor conductor de rigidez superior
soporta la superficie expuesta del ánodo o cátodo para conseguir
una distribución de corriente uniforme en un área grande, o en el
caso de una intensidad de corriente alta. La malla va fijada al
bastidor conductor por ambas caras. El material separador no
conductor tiene la misma forma que el bastidor conductor rígido y va
fijado sobre una de las mallas en una de las caras.
El conjunto de un único ánodo o cátodo se puede
apilar en cantidades desde un ánodo y un cátodo hasta un conjunto
de 50.
El ánodo y el cátodo podrían ser de material
idéntico o diferente. En caso de que se trate de material similar,
la corriente continua aplicada se puede ir alternando para evitar
la formación de incrustaciones y un desgaste desigual. El tamaño
del ánodo puede tener cada uno más de 1 m de diámetro. La capacidad
de flujo podría ser desde unos pocos litros/hora, en las células
más pequeñas hasta más de 1.000 m^{3}/h en cada una de las
células mayores. La densidad de corriente típica en los ánodos de
material 316L es de 38 mA/cm^{2}, suponiendo un contenido de Cl
de 5 ppm. Para metales nobles, éstos han sido ensayados a 270 A y
un área de ánodo de 0,5 cm^{2}.
La malla de alambre puede estar formada por
hilos individuales montados paralelos entre sí en el bastidor, o
por hilos individuales que estén tejidos, tricotados o trenzados o
soldados por inducción para formar la malla antes mencionada.
Es preferible que cada hilo individual de la
lámina perforada esté fijado al bastidor conductor de tal manera
que se logre un contacto eléctrico para una distribución de
corriente uniforme en toda el área expuesta del electrodo, y el
área expuesta del electrodo tenga una tensión estabilizada para
eliminar el uso de distanciadores convencionales, para lo cual el
bastidor o conductor está aislado del electrolito líquido por medio
de un recubrimiento/aislante resistente a la oxidación.
Se prefiere hacer pasar el agua que se vaya a
procesar, a través de un separador mecánico de partículas con el
fin de eliminar todas las partículas y organismos de tamaño
superior a la apertura de la luz en el electrodo.
Además, una vez que se haya procesado el líquido
de acuerdo con la invención, éste se dirige a través de un filtro
de adsorción hidrófobo o un medio de adsorción hidrófobo con el fin
de eliminar el potencial exceso de compuestos orgánicos.
Después del tratamiento, el líquido se hace
pasar preferentemente a través de un dispositivo flotador con el
fin de eliminar el material orgánico que haya sido
electroflotado.
La separación vista entre el ánodo y el cátodo
no requiere distanciadores convencionales u otros, ya que la
separación se logra aplicando una lámina, membrana o red gruesa de
material no conductor que tenga la misma forma que el bastidor. La
separación puede ser tan reducida como sólo 0,3 mm. Esto implica
que mediante la invención se tiene la posibilidad de obtener una
alta densidad de corriente con una tensión muy baja, lo cual supone
que se rebasa con facilidad la ley de Faraday, sin pérdida de flujo
o corriente debida al distanciador, obteniéndose la producción
deseada de oxidantes reactivos.
Otra ventaja que se obtiene al aplicar
hilo/malla o lámina perforada por ambas caras del bastidor
conductor es que permite aumentar de escala 1 mm^{2} para la
corriente extrema que pasa a la zona expuesta para la electrólisis.
Un bastidor de 5 mm de espesor recubierto por ambas caras permite
colocar un bastidor distanciador delgado por ambos lados, pudiendo
colocarse la malla del cátodo/lámina perforada próxima al ánodo, a
una distancia de sólo 0,3 mm. Variando las distancias, pueden pasar
más de 3.000 A a través de un electrodo.
La presente invención difiere de los
procesos/cé-
lulas electrolíticas existentes por cuando se puede obtener mediante una densidad de corriente muy baja, la densidad de corriente elevada necesaria de zonas grandes sin reducir por ello el volumen de flujo de líquido que pasa y que se ha de manejar. Esto implica también que se pueden manejar grandes volúmenes de líquido tratándolos de forma muy barata. La capacidad de volumen de la célula electrolítica no cambia a diferencia de otras células electrolíticas, aunque la distancia entre el ánodo y el cátodo se reduzca por ejemplo desde 5 cm a 0,3 mm, por cuanto es el mismo flujo de volumen de líquido el que pasa a través del ánodo y del cátodo, con independencia de la separación mutua entre ellos.
lulas electrolíticas existentes por cuando se puede obtener mediante una densidad de corriente muy baja, la densidad de corriente elevada necesaria de zonas grandes sin reducir por ello el volumen de flujo de líquido que pasa y que se ha de manejar. Esto implica también que se pueden manejar grandes volúmenes de líquido tratándolos de forma muy barata. La capacidad de volumen de la célula electrolítica no cambia a diferencia de otras células electrolíticas, aunque la distancia entre el ánodo y el cátodo se reduzca por ejemplo desde 5 cm a 0,3 mm, por cuanto es el mismo flujo de volumen de líquido el que pasa a través del ánodo y del cátodo, con independencia de la separación mutua entre ellos.
La presente invención difiere de los ánodos
existentes por cuanto el uso de hilos incrementa en un grado
notable el área del ánodo, en comparación con el peso de metal y de
la superficie real. Por lo tanto también se reducen
considerablemente los costes de metales preciosos, al mismo tiempo
que se incrementa el rendimiento por cm^{2}.
La presente invención difiere de las
células/proce-
sos electrolíticos existentes por cuanto se tiene la posibilidad de obtener una densidad de corriente elevada, un bajo consumo de energía y un elevado volumen de flujo de líquido a través, ya que la distancia entre el ánodo y el cátodo se puede reducir hasta 0,3 mm sin que por ello se reduzca la capacidad de la célula electrolítica, de manera que se puede utilizar con la conductividad iónica en agua fresca (aguas superficiales y aguas subterráneas).
sos electrolíticos existentes por cuanto se tiene la posibilidad de obtener una densidad de corriente elevada, un bajo consumo de energía y un elevado volumen de flujo de líquido a través, ya que la distancia entre el ánodo y el cátodo se puede reducir hasta 0,3 mm sin que por ello se reduzca la capacidad de la célula electrolítica, de manera que se puede utilizar con la conductividad iónica en agua fresca (aguas superficiales y aguas subterráneas).
Con la presente invención se tiene la
posibilidad de combinar el efecto de diferentes metales. Por
ejemplo, una malla de ánodo de tántalo que incluya algunos hilos de
otro metal precioso del grupo del platino, produce principalmente
ozono, radicales y peróxido de hidrógeno, y muy poco hipoclorito y
dióxido de cloro. Esto es debido al hecho de que todo el flujo de
corriente tendrá lugar desde los hilos de metal preciosos, de manera
que el tántalo inmediatamente obtendrá una capa aislante de
óxido.
La presente invención difiere de las
células/proce-
sos electrolíticos existentes por cuanto se puede utilizar a bajo coste para tratar grandes volúmenes de líquido, tales como aguas superficiales, agua fresca y aguas subterráneas, con la composición que existe en la actualidad en grandes partes del mundo. Incluso siendo tanto el ánodo como el cátodo en acero 316L o un metal de aleación superior, el ánodo no se llegará a oxidar o corroer. Esto se debe a que una gran superficie del electrodo producirá con un consumo de energía muy bajo el oxidante necesario (ozono y radicales), incluso con la conductividad media de las aguas subterráneas y de las aguas frescas superficiales.
sos electrolíticos existentes por cuanto se puede utilizar a bajo coste para tratar grandes volúmenes de líquido, tales como aguas superficiales, agua fresca y aguas subterráneas, con la composición que existe en la actualidad en grandes partes del mundo. Incluso siendo tanto el ánodo como el cátodo en acero 316L o un metal de aleación superior, el ánodo no se llegará a oxidar o corroer. Esto se debe a que una gran superficie del electrodo producirá con un consumo de energía muy bajo el oxidante necesario (ozono y radicales), incluso con la conductividad media de las aguas subterráneas y de las aguas frescas superficiales.
La presente invención está caracterizada porque
los líquidos se pueden conducir a través del ánodo y del cátodo,
fijando para ello un bastidor de material conductor a la malla del
ánodo y del cátodo con un contacto suficiente, estando conducida la
malla preferentemente por ambas caras del bastidor, y estando
recubierto el bastidor del conductor de un material no oxidable con
el fin de protegerlo contra el contacto con el electrolito. El
material distanciador, a base de un material no conductor
resistente a la oxidación, se puede colocar, montándose a
continuación la malla del ánodo o cátodo. El material separador
tiene forma idéntica que el bastidor conductor y tiene un espesor
variable.
El dispositivo conforme a la invención se
explicará a continuación con mayor detalle haciendo referencia a la
siguiente especificación y a los siguientes dibujos en los
cuales:
La Figura 1A muestra una vista esquemática en
planta de un ánodo 1 de un bastidor 1 de Cu (cobre) de alta
conductividad recubierto de una única malla de alambre de metal
noble;
La Figura 1B muestra un bastidor de cátodo 3 que
incluye una malla de alambre 4 tejida, tricotada o trenzada (por
ejemplo de acero inoxidable 316L). El bastidor conductor superior 1
al cual va fijada la malla de alambre, está aislado mediante un
aislador moldeado resistente a la oxidación;
La Figura 1C muestra una sección lateral del
aislador resistente oxidante que lleva el número de referencia 5,
además de otros detalles del mismo;
La Figura 2 muestra una ánodo de alambres que
van fijados a un conductor superior, que va aislado;
La Figura 3 muestra un ánodo de una lámina que
va fijada a un conductor superior que está aislado;
La Figura 4A muestra una vista explosionada de
una estructura de electrodo rectangular, tal como se ha descrito
previamente en esta memoria;
La Figura 4B muestra una vista explosionada de
una estructura de electrodo circular conforme a la invención;
La Figura 5 muestra una sección de una célula
electrolítica (habiéndose representado para mayor sencillez
únicamente un conjunto de ánodo y cátodo), hecha de una malla de
alambre trenzada, tejida o tricotada, con una malla de separación
entre el ánodo y el cátodo con el fin de evitar un contacto de
cortocircuito. El líquido se procesa conduciéndolo a través del
ánodo y del cátodo de manera que el hidrógeno sea conducido fuera
del cátodo y alejado del ánodo.
La estructura representada en la Figura 5 se
utilizó para experimentos de control y verificación para el
tratamiento del agua de lastre de los buques, que incluye agua de
mar que contiene bacterias, microorganismos, algas y esporas. Este
agua que incluía un alto grado de polución se hizo pasar una vez a
través de la célula, tal como está indicado por las flechas, con un
amperaje de 100 A. El resultado muestra que se destruyó el 100% de
los poluentes antes mencionados, incluidas las esporas. La
extrapolación de los resultados basados en el experimento indica
que el consumo de energía necesario será de 5 kWh para tratar 2500
m^{3}/h de agua de proceso, con una superficie de ánodo de 2,5
m^{2}.
De forma similar, la estructura representada en
la Figura 5 se ha utilizado para probar la producción de oxidante
en agua dulce. Con una separación ánodo/cátodo de 1 mm y un ánodo
de malla de metal precioso se produjeron 0,5 ppm de ozono durante
un paso a través. Escalando los modelos se ve que 2500 m^{3}/h
requieren 87 kWh, para una superficie de ánodo de 2,5 m^{2}.
El experimento se repitió con una malla de ánodo
y una malla de cátodo de acero 316L. Durante un flujo a través se
produjo 0,91 ppm de ozono en agua potable, con 80 V y 3 A.
La Figura 6 muestra una sección de una célula
electrolítica triple de lámina o malla de alambre a la que se
añadió un líquido tanto sobre las superficies planas sobre las
cuales se conduce el líquido a través del cátodo en cada lado del
ánodo, de manera que el hidrógeno no llegue a ponerse en contacto
con el ánodo o en el campo entre el ánodo y el cátodo.
Esta célula electrolítica fue utilizada para la
destrucción de hidrocarburos poliaromáticos (PAH) y PCB en
partículas, en un fango de agua de mar. Añadiendo cuidadosamente el
electrolito y haciendo circular la mezcla durante 20 minutos se
redujo en un 99,6% el contenido de PAH y se redujo en un 76% el
contenido PCB, basado en concentraciones relativamente altas.
A continuación se presentan algunos ejemplos
adicionales de la invención.
Una fila de electrodos tal como la descrita en
la Figura 4B, comprendiendo 5 ánodos y 6 cátodos, todos ellos en
acero 316L, y con un área anódica total de 1013 cm^{2}, se
montaron con un distanciador de 1 mm tal como está descrito en la
Figura 4. El flujo de líquido a través de la célula fue con un
caudal de 10 1/min. El efluente era agua potable sin tratar
procedente de una fuente superficial, con una salinidad que variaba
entre 1,5 y 5 ppm, y con elevado contenido húmico. Al agua se
añadieron bacterias E- coli con una concentración de 560.000
bacterias/ml. Después de un solo paso a través de la célula, con
una corriente de 20 A, se observó una eficacia de desinfección
total en todas las muestras tomadas después del tratamiento. Se
trata de una serie de muestras tomadas entre 2 y 20 minutos después
del paso a través de la célula.
Las mismas muestras se analizaron en cuanto a
trihalometanos (compuestos cloroorgánicos y bromoorgánicos). Estas
muestras presentaron unos resultados del orden de
0,9-2,5 ppb. Se trata de unos valores sumamente
bajos en comparación con el clorado del agua. El recuento total de
bacterias fue superior a 10 log 3, aplicando una corriente de 18,5
A.
Se utilizó la misma disposición de un agua
semejante a la del Ejemplo 1, pero se multiplicó el número de
electrodos para lograr un amperaje mayor. El objetivo era el de
inactivar los virus IPN. La inactivación 10 log3 deseada se
consiguió con 60 A. Además, con el mismo log se inactivaron
areomonoas salmonicida, en las mismas condiciones. El oxidante
residual total variaba entre 0,7 y 1,6 ppm.
Agua producida de una producción de petróleo y
gas conteniendo PAH, hidrocarburos, fenoles y BETEX en una
concentración importante, se pasó a través de un ánodo de metal
noble de alambre tricotado y dos cátodos tal como está representada
en la Figura 4B. La intensidad de corriente fue de 300 A y la
superficie anódica de 180 cm^{2}. El caudal fue de 180 1/min. Los
fenoles se redujeron desde 1580 microgramos/l a 0,51 microgramos/1.
El PAH 16 se redujo de 34,7 microgramos/l a 3,92 microgramos/l.
El NPD se redujo de 114 microgramos/l a 3,92
microgramos/l.
TEOM (C10-C40) se redujo desde
16 mg/1 a 2,41 mg/l.
Se trató un fluido contaminado procedente de una
refinería de petróleo, conteniendo 1600 ppm H2S,
2-3% de fenoles y 2900 ppm de amonio, pasándolo a
través de dos ánodos de malla de alambre de metal noble apilados
con tres cátodos de malla de acero 316L. El área anódica total fue
de 225 cm^{2}. La corriente fue de 300 A, y el caudal de 140
l/min. El contenido de Cl fue de un 2% de NaCl. Después de tratar
el lote con un volumen de 40 1 durante 15 minutos, el H2S se oxidó
a 0 ppm, y con 15 minutos adicionales de tratamiento se obtuvo un
contenido de amonio de 3 ppm y un contenido de fenol de 300 ppb.
Durante el tratamiento se controló el pH mediante aditivos.
250 g de viruta de taladrado procedente de la
industria del petróleo y del gas se trataron a través de un
electrodo en las condiciones descritas en el EJEMPLO 4. Las virutas
se dispersaron en 221 de efluentes conteniendo un 6% de NaCl. El
objetivo fue el de eliminar los hidrocarburos de las partículas. El
contenido inicial total de hidrocarburos del 7,62% se redujo a un
1,32% a lo largo de una hora de tratamiento.
Aguas residuales de teñido de color azul oscuro
se hizo pasar a través de unos hilos anódicos de metal noble
tensados a través de un bastidor conductor anódico circular de 5
pulgadas de diámetro, de tal manera que el área del ánodo fuera
solamente en total de 0,5 cm^{2}. Los dos cátodos eran malla de
alambre de acero 316L. El lote tratado fue de 20 l, con un caudal
de 180 l/min a través del electrodo. Volumen 20 l. Contenido de
NaCl 5%. La corriente fue de 270 A. En 25 a 35 segundos, las aguas
residuales quedaron transparentes.
Claims (25)
1. Estructura de un electrodo de material
eléctricamente conductor para ser utilizado como ánodo y/o cátodo
en una célula electrolítica, comprendiendo un elemento distanciador
para impedir el contacto eléctrico entre los electrodos cuando
estos se utilicen, y dispuesto para conducir a través un líquido de
proceso, tal como agua, que se vaya a tratar, caracterizada
por un bastidor conductor (10) con una serie de orificios (18) para
el paso del líquido e incluyendo medios (20) para conectar a una
fuente de alimentación de corriente, estando una o ambas caras
planas del bastidor (10) cubiertas con una lámina perforada
conductora o una malla de alambre (12, 14), y siendo el elemento
distanciador (16) una lámina perforada o una malla de alambre,
adecuada para cubrir una de las superficies planas de la lámina
perforada o malla de alambre (12, 14), correspondiéndose la sección
plana de dicho distanciador principalmente con la sección plana del
bastidor (10).
2. Estructura de un electrodo según la
reivindicación 1, caracterizada porque la malla de alambre o
red de malla de alambre (12, 14) incluye unos hilos paralelos,
donde uno de cada 10 o de cada 20 hilos es de tántalo, mientras que
los hilos intermedios son de platino.
3. Estructura según las reivindicaciones
1-3, caracterizada porque los hilos de la
malla de alambre (12, 14) están separados individualmente entre 100
micras y 25.000 micras, y que cuando están tejidos, tricotados,
soldados por inducción o trenzados para formar la malla, tienen una
luz de orificio entre 15 micras y 25.000 micras.
4. Estructura según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque cada hilo
tiene un diámetro en una gama entre 0,010 mm y 5 mm.
5. Estructura según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque, la lámina
o malla de alambre (12, 14) está formada por tántalo, niobio,
hafnio, circonio, platino, rodio, iridio, rutenio, paladio o
cualquier aleación de éstos, o de una aleación o una composición de
hilos de los diferentes metales antes mencionados.
6. Estructura según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el
electrodo de lámina (12, 14) consiste en una placa de metal SS316L
o de aleación superior, que tiene unas perforaciones muy próximas
entre sí obtenidas por vía fotoquímica.
7. Estructura según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los
orificios de paso (18) del medio distanciador (16) están alineados
con los orificios de paso (18) del bastidor (10).
8. Estructura según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la lámina
distanciadora (16) es una lámina de PVC o de polipropileno, y va
soldada al bastidor (10).
9. Estructura según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el espesor
del bastidor (10) es de aproximadamente 5 mm.
10. Estructura de un electrodo según cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el
bastidor (20) va recubierto de un material no oxidable, con el fin
de protegerlo contra el contacto con el líquido de proceso
mencionado.
11. Estructura según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el espesor
de la lámina está entre 25-1000 micras y el
diámetro de cada perforación está entre 25-2000
micras.
12. Método para la preparación de un electrodo
según la reivindicación 1, caracterizado porque, las láminas
perforadas o láminas de malla de alambre (12, 14, 16) van ancladas
al bastidor (10), sometiendo la lámina perforada o las láminas de
malla de alambre a una fuerza de estirado o tensión, siendo a
continuación forzadas contra y fijadas a la superficie del bastidor
por medio de una operación de soldadura y/o de adherencia.
13. Método según la reivindicación 12,
caracterizado porque la lámina perforada o las láminas de
malla de alambre (12, 14, 16) van ancladas al bastidor (10)
mediante soldadura por fricción, soldadura láser o preferentemente
mediante el uso de un adhesivo a presión/térmico, y uniendo y
exponiendo la lámina o malla de alambre a dicha fuerza de tensión
suficiente.
14. Uso de la estructura de electrodo según las
reivindicaciones 1-11 en una célula electrolítica,
en la que unos electrodos individuales conformes a dichas
reivindicaciones están apilados e interconectados para formar
parejas de ánodos/cátodos en cantidades desde uno y hasta cincuenta
en total, en el interior de una tubería, para procesar líquidos/agua
que estén siendo conducidos a través de las parejas de electrodos
de la célula en la tubería, aplicándose una corriente a cada pareja
de ánodos y cátodos.
15. Utilización de la estructura de electrodos
según la reivindicación 14 en una célula electrolítica procesando
líquidos/agua, donde el ánodo y el cátodo son de materiales
idénticos o diferentes, y en el caso de que se trate de materiales
similares, una corriente eléctrica continua aplicada se puede ir
alternando para evitar la formación de incrustaciones y un desgaste
desigual.
16. Utilización de la estructura de electrodos
según cualquiera de las reivindicaciones 14-15 en
una célula electrolítica para el tratamiento de líquidos/agua,
donde la capacidad de flujo puede ser desde unos pocos litros/hora
hasta más de 1000 m^{3}/h.
17. Utilización de la estructura de electrodos
según las reivindicaciones 14-16 en una célula
electrolítica para el tratamiento de líquidos/agua, donde una
densidad de corriente típica en los ánodos de 316L es de 38
mA/cm^{2}, suponiendo un contenido de Cl de 5 ppm, y en el caso
de metales nobles la corriente es de 270 A en un área de ánodo de
0,5 cm^{2}, y la distancia entre la superficie anódica de una
unidad de electrodo y la superficie catódica del electrodo contiguo
puede ser de aproximadamente 0,3 mm.
18. Utilización de un ánodo y un cátodo según
las anteriores reivindicaciones 14-17 en una célula
electrolítica, para la producción de oxidantes por medio de
electrólisis, para la oxidación de materias orgánicas en líquidos y
materias orgánicas sobre partículas en líquidos.
19. Utilización de un ánodo y un cátodo según
las anteriores reivindicaciones 14-18 en una célula
electrolítica, para la producción de oxidantes por medio de
electrólisis, para la oxidación y destrucción de bacterias,
esporas, microorganismos, algas y virus en líquidos.
20. Utilización de un ánodo y un cátodo según
las anteriores reivindicaciones 14-19 en una célula
electrolítica, para la producción de oxidantes por medio de
electrólisis, para tratamiento de agua dulce y agua potable.
21. Utilización de un ánodo y un cátodo según
las anteriores reivindicaciones 14-20 en una célula
electrolítica, en la que se hace pasar líquido/agua polucionados a
través de los orificios de paso (18) de los ánodos y cátodos de la
célula.
22. Utilización de ánodos y cátodos según las
anteriores reivindicaciones 14- 21 en una célula electrolítica, para
la producción de oxidantes mediante electrólisis, para destrucción
de virus, esporas y bacterias y microorganismos, algas y algocitos
de tamaño inferior a 100 micras en el agua de lastre procedente de
buques.
23. Utilización de un ánodo y un cátodo según
las anteriores reivindicaciones anteriores 14-22,
donde el líquido que se va a tratar se hace pasar, antes de ser
tratado según la invención, a través de un separador mecánico de
partículas con el fin de eliminar todas las partículas y organismos
de dimensiones mayores que la luz de malla en el electrodo.
24. Utilización del ánodo y cátodo según las
anteriores reivindicaciones 14-23, donde el líquido
que ha sido tratado, después de haber sido tratado conforme a la
invención, se hace pasar a través de un filtro de adsorción
hidrófobo y un medio de adsorción hidrófobo con el fin de eliminar
el potencial exceso de compuestos orgánicos.
25. Utilización del ánodo y cátodo según las
anteriores reivindicaciones anteriores 14-24, donde
el líquido se hace pasar a través de un dispositivo de flotación
mientras es tratado con el fin de eliminar materias orgánicas
electroflotadas.
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