ES2301008T3 - Disposicion de electrodos para un tratamiento electroquimico de liquidos con una conductividad reducida. - Google Patents
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Abstract
Disposición de electrodos para un tratamiento electroquímico de líquidos con una conductividad reducida, con electrodos (1, 2) entre los que está dispuesto un electrolito (3) fijo polimérico, que están presionados unos contra otros mediante un dispositivo (9, 10; 91) de presión y que están configurados de tal modo, que el líquido puede fluir a través de la disposición, caracterizada porque el dispositivo (9, 10; 91) de presión está formado por un dispositivo de apriete que se apoya directamente sobre los electrodos (1, 2) de tal modo que se ejerce una fuerza de presión mediante la sujeción directamente en los propios electrodos (1, 2).
Description
Disposición de electrodos para un tratamiento
electroquímico de líquidos con una conductividad reducida.
La invención se refiere a una disposición de
electrodos para un tratamiento electroquímico de líquidos con una
conductividad reducida, con electrodos, entre los que está dispuesto
un electrolito fijo polimérico, que están presionados unos contra
otros mediante un dispositivo de presión y que están configurados de
tal modo, que el líquido puede fluir a través de la
disposición.
Un campo de aplicación principal para una
disposición de electrodos de este tipo consiste en sistemas de agua
en los que especialmente deben esterilizarse y liberarse de algas
agua pura o muy pura. El sistema de agua puede consistir a este
respecto en tuberías, estanques de captación, baños abiertos,
etc.
Las disposiciones de electrodos del tipo
mencionado al inicio se utilizan especialmente para la desinfección
de agua pluvial, la desinfección de circuitos de agua muy pura en la
industria de semiconductores y farmacéutica, la eliminación de
cargas orgánicas en aguas de lavado, la preparación de agua para la
industria alimenticia y la industria cosmética así como para el uso
en todo tipo de circuitos de agua de refrigeración industriales
para evitar un crecimiento de algas o crecimiento de bacterias o
para conseguir, en el caso de contaminaciones elevadas, una
reducción.
Mediante una disposición de electrodos de este
tipo pueden generarse medios de oxidación que oxidan gérmenes y de
este modo los destruyen o desactivan.
La generación electroquímica de medios de
oxidación tiene la ventaja de que, en principio, es posible una
adaptación al caso de aplicación respectivo. De este modo se obtiene
una demanda elevada de medios de oxidación cuando un sistema de
agua ya está contaminado con algas o infestado biológicamente y debe
limpiarse y desinfectarse. Sin embargo, una vez que este proceso ha
finalizado, entonces el sistema de agua puede mantenerse de manera
continua en el estado desinfectado y limpio, por lo que una demanda
de medios de oxidación es necesaria sólo de manera temporal y de
manera reducida.
Se obtiene además una demanda variable de medios
de oxidación cuando un sistema de agua se carga, debido a un
accidente, con una producción elevada de carga orgánica. Una
situación similar puede aplicarse al llenado de un tanque, en el
que en primer lugar es necesaria una producción alta de medios de
oxidación para llevar a cabo la desinfección inicial, mientras que
a continuación son suficientes sólo cantidades reducidas de medios
de oxidación para mantener el estado desinfectado.
Básicamente son adecuados procedimientos
electroquímicos para cumplir los diferentes requisitos con respecto
a la producción de medios de oxidación, ya que la producción de
medios de oxidación puede controlarse mediante el suministro de
corriente.
Para el tratamiento de líquidos con una
conductividad reducida, por ejemplo agua muy pura, es necesario
tener que utilizar tensiones elevadas debido a la alta resistencia
del agua, para generar las densidades de corriente necesarias para
la producción de los medios de oxidación. Una solución parcial de
este problema se consigue mediante el uso de electrolitos fijos
poliméricos que puentean, preferiblemente en forma de una membrana
con un grosor de algunas décimas de milímetros hasta algunos
milímetros, la distancia entre los electrodos debido a su
conductividad iónica y que son adecuados como capa intermedia entre
los electrodos para evitar un cortocircuito. Debido a la
conductividad iónica relativamente buena del electrolito fijo
polimérico, el potencial eléctrico de un electrodo se aproxima
mucho al otro electrodo, encontrándose entre la superficie del
electrolito fijo polimérico y el electrodo directamente adyacente
una película de agua que por tanto está sometida a densidades de
corriente elevadas.
La realización de disposiciones de electrodos de
este tipo se ha realizado desde hace décadas, en principio, del
mismo modo con la estructura de una "célula Fischer". Los
electrodos configurados de manera plana se presionan a este
respecto de manera plana con un dispositivo de presión formado por
un alojamiento circundante contra la membrana que se encuentra
entre los electrodos a partir de un electrolito fijo polimérico. La
generación de una presión suficiente se realiza mediante un
atornillado de placas de presión planas de la carcasa que debe
realizarse con un par de torsión mínimo.
La estructura de una célula de este tipo es alta
debido a la estabilidad alta necesaria de las placas de presión de
la carcasa y conlleva un manejo complicado. Además una adaptación a
volúmenes de caudal mayores es problemática, ya que para ello
debería ampliarse la superficie de electrodo eficaz de la célula o
el flujo de líquido debería conducirse de manera dividida a través
de varias células.
Las células Fischer se construían originalmente
con electrodos de óxido de plomo. El uso de un ánodo de óxido de
plomo presenta a este respecto el inconveniente adicional de que el
electrodo se deshace en el agua cuando no se mantiene a un
potencial de protección. El uso de una disposición de electrodos con
un ánodo de óxido de plomo sólo es posible por tanto en el
funcionamiento continuo, por lo que se descarta la opción de
utilizar la célula correspondiente sólo cuando es necesario.
Se conoce por ejemplo por el documento DE 100 25
167 A1 utilizar un electrodo a través del que puede fluir un
líquido debido a numerosos canales configurados, en forma de surco,
y que presenta una superficie de una capa de diamante dopada.
Electrodos de este tipo se han dispuesto asimismo en una célula que
se ha construido como una célula Fischer (véase el documento DE 295
04 323 U1). Los inconvenientes en cuanto al manejo asociados se han
aceptado por los expertos en la técnica desde hace décadas como
irremediables.
Por el documento DE 203 18 754 U1 se conoce un
generador de ozono electroquímico en forma de un aparato portátil
pequeño que presenta un alojamiento tubular con un extremo anterior
abierto. Dentro del alojamiento está fijado un cátodo que se
extiende por la sección transversal del alojamiento tubular en el
que se apoyan una membrana de electrolito sólido y un ánodo. El
ánodo entra en contacto con una espiga de contacto que está en
contacto con el polo positivo de una batería que a su vez se apoya
en el otro extremo del alojamiento a través de un muelle de
compresión. También en el caso de este aparato la fuerza de presión
entre los electrodos se produce a través del apoyo en partes del
alojamiento.
La presente invención se basa en el objetivo de
configurar una disposición de electrodos del tipo mencionado al
inicio de tal modo, que posibilita una estructura efectiva de una
célula de electrolito correspondiente y, aún así, puede construirse
y manejarse de manera sencilla.
Para solucionar este objetivo, una disposición
de electrodos del tipo mencionado al inicio está caracterizada
según la invención porque el dispositivo de presión está formado por
un dispositivo de apriete que se apoya directamente en los
electrodos de tal modo, que se ejerce una fuerza de presión debido a
la sujeción directamente en los propios electrodos.
La disposición de electrodos según la invención
no necesita por tanto una disposición de alojamiento especial con
placas de presión complicadas para la presión de los electrodos
contra el electrolito fijo polimérico introducido entre los
electrodos, sino sólo un dispositivo de presión que está conectado
directamente con los electrodos y que obtiene la fuerza de presión
a partir de la estabilidad mecánica más bien relativamente reducida
de los electrodos. La invención se basa en el conocimiento de que
una disposición de electrodos efectiva, al contrario de la idea de
los expertos en la técnica que existe desde hace décadas, puede
realizarse también sin una fuerza de presión muy elevada de los
electrodos contra el electrolito fijo polimérico. Para electrodos
adecuados es suficiente que se ejerza sólo una cierta fuerza de
presión relativamente reducida de los electrodos sobre el
electrolito fijo polimérico, de modo que la fuerza de presión
correspondiente no debe generarse de manera complicada con partes
del alojamiento especialmente construidas, sino que puede ejercerse
de una manera sencilla directamente en los propios electrodos.
Así es posible por ejemplo utilizar como
material de soporte de un electrodo una rejilla de metal expandido
que por ejemplo está revestida con una capa de diamante dopada. A
través de las aberturas de la rejilla de la rejilla de metal
expandido puede insertarse un tornillo de plástico hasta que la
cabeza del tornillo de plástico esté en contacto con el electrodo.
La sujeción de los dos electrodos en la dirección hacia el
electrolito fijo polimérico puede realizarse entonces mediante el
enroscado de una tuerca sobre el perno roscado que sobresale a
través de los dos electrodos y el electrolito fijo que se sitúa
entre los mismos.
A este respecto puede garantizarse un flujo
intenso a través de la disposición de electrodos porque también el
electrolito fijo polimérico configurado preferiblemente en forma de
una membrana presenta aberturas de paso de flujo. Es posible además
garantizar el flujo a través del espacio intermedio entre los
electrodos porque el electrolito fijo polimérico está dispuesto en
bandas distanciadas entre sí en el espacio intermedio entre los
electrodos. En un perfeccionamiento de esta idea, el electrolito
fijo polimérico puede estar dispuesto también en partes planas
distanciadas por todos los lados entre sí en el espacio intermedio,
de modo que está garantizada la capacidad de flujo a través del
espacio intermedio en direcciones diferentes.
El electrolito fijo polimérico puede estar
insertado en forma de una membrana entre los electrodos.
Especialmente en la configuración en forma de partes planas
distanciadas por todos los lados entre sí será sin embargo
conveniente que el electrolito fijo polimérico esté aplicado sobre
uno de los electrodos como capa de superficie.
Debido a que la disposición de electrodos según
la invención no requiere una generación de presión complicada, es
posible sin más construir con la disposición de electrodos una pila
que posibilita un dispositivo de electrólisis eficaz también para
flujos mayores. Debido a que el dispositivo de presión se apoya en
los propios electrodos, es posible sin más disponer numerosos
electrodos con un electrolito fijo polimérico dispuesto entre los
mismos para formar una pila. A este respecto resulta especialmente
conveniente que los electrodos estén proporcionados con ayuda de
láminas de contacto que sobresalen de su superficie común para la
conexión de contacto eléctrica. A este respecto las láminas de
contacto de los ánodos en la pila por un lado y de los cátodos en la
pila por otro lado pueden estar configuradas de tal modo, que están
alineadas entre sí para simplificar una conexión de contacto común,
por ejemplo a través de una varilla de contacto insertada a través
de aberturas de las láminas de contacto.
La disposición de electrodos según la invención
permite de una manera sorprendentemente sencilla también el
abandono de los electrodos planos habituales hasta ahora. Así es
posible por ejemplo configurar dos electrodos en forma de barra y
realizar el electrolito fijo polimérico entre los electrodos de
manera que el electrolito fijo en forma de una banda envuelve los
electrodos con pretensión de manera alternada. A este respecto la
banda puede aplicarse alrededor de los dos electrodos en cada caso
en forma de un ocho de manera que los envuelve, realizándose la
envoltura con una cierta pretensión para garantizar el contacto
íntimo. La presión de los dos electrodos contra las secciones de
banda que se encuentran entre los electrodos del electrolito fijo
polimérico puede realizarse por ejemplo a través de un material en
forma de alambre envuelto alrededor de los electrodos con extremos
torcidos entre sí para generar la presión. A este respecto el
material en forma de alambre puede ser preferiblemente un material
aislante o estar en contacto con los electrodos a través de una capa
aislante.
La invención se explicará a continuación más en
detalle mediante ejemplos de realización representados en el
dibujo. Muestran:
la figura 1, una representación esquemática de
dos electrodos y una membrana dispuesta entre los mismos a partir
de un electrolito fijo,
la figura 2, una pila formada mediante la
disposición según la figura 1,
la figura 3, una representación en perspectiva
de la pila según la figura 2,
la figura 4, otra forma de realización de dos
electrodos con un electrolito fijo en forma de bandas dispuestas de
manera paralela entre sí,
la figura 5, una vista desde arriba de una pila
formada mediante la disposición según la figura, en la que cada
electrodo está en contacto,
la figura 6, una pila formada mediante la
disposición según la figura 4 con una conexión de contacto sólo de
los electrodos exteriores,
la figura 7, una variante de la disposición
según la figura 4 en la que las placas de electrodo están dotadas
de aberturas de paso en forma de ranura,
la figura 8, una pila formada mediante la
disposición según la figura 7,
la figura 9, una disposición de dos electrodos,
de los que uno está revestido en su superficie dirigida al otro
electrodo con secciones de superficie aplicadas del electrolito fijo
polimérico,
la figura 10, una pila formada mediante la
disposición según la figura 9,
la figura 11, una representación en perspectiva
similar a la figura 3 con láminas de contacto en los electrodos
polarizados de manera diferente,
la figura 12, una representación esquemática de
una célula de tratamiento cargada con una pila de electrodos,
la figura 13, una vista de una disposición de
electrodos con dos electrodos en forma de barra.
La figura 1 muestra dos electrodos 1, 2 en forma
de rejillas 11, 21 de metal expandido. Un primer electrodo 1 sirve
como cátodo, mientras que el segundo electrodo 2 actúa como ánodo.
Ambos electrodos 1, 2 están configurados de manera plana con una
sección transversal rectangular y presentan la misma forma de
superficie. Entre los dos electrodos 1, 2 se encuentra un
electrolito 3 fijo polimérico en forma de una membrana 31 cuya
superficie corresponde a la superficie de los electrodos 1, 2. La
membrana 31 está dotada en sus cuatros zonas de esquina en cada
caso de una abertura 4 de paso. La membrana presenta por ejemplo un
grosor de entre 0,4 y 0,8 mm.
Los electrodos 1, 2 están dotados en cada caso,
fuera de la superficie rectangular de las rejillas 11, 21 de metal
expandido, de una lámina 5, 6 de contacto que sobresale de la
superficie. Ambas láminas de contacto presentan una abertura 7, 8
de paso.
La figura 2 aclara que los electrodos 1, 2
formados a partir de las rejillas 11, 21 de metal expandido con en
cada caso un electrolito 3 fijo que se sitúa entre los mismos, se
presionan uno contra el otro mediante un dispositivo 9 de apriete,
extendiéndose el dispositivo 9 de apriete por cuatro disposiciones
1, 2, 3 de electrodos unidos para formar una pila. La sujeción se
realiza mediante tuercas 10 que pueden apretarse sobre el perno 9
roscado contra los electrodos 1, 2.
Según la figura 1 están previstos cuatro pernos
9 roscados que están insertados a través de espacios intermedios de
las rejillas 11, 21 de metal expandido y a través de las aberturas 4
de paso del electrolito 3 fijo polimérico.
La figura 3 aclara en una representación en
perspectiva que los electrodos 1, 2 se conectan en cada caso en
polos diferentes de las tensiones de alimentación. Los electrodos 1,
2 están formados en el ejemplo de realización representado en las
figuras 1 a 3 con un soporte en forma de una rejilla 11, 21 de metal
expandido y revestidos con una capa de diamanta dopada. También es
posible aplicar tensiones de alimentación de magnitudes diferentes
a los electrodos 1, 2.
La figura 4 muestra un ejemplo de realización
modificado en el que los electrodos 1, 2 están formados con placas
12, 22 metálicas que están revestidas con una capa de diamante
dopada. Los electrodos presentan aberturas 41 de paso en sus zonas
de esquina a través de las que pueden insertarse pernos 9 roscados
de la manera descrita mediante las figuras 2 y 3.
El electrolito polimérico está formado en este
ejemplo de realización por bandas 32 verticales dispuestas de
manera paralela con una distancia entre sí. La vista desde arriba de
la figura 5 aclara que un flujo puede pasar a través de las
disposiciones de electrodos en la pila formada, de manera
perpendicular con respecto al plano del dibujo debido a las bandas
32.
La disposición de pila representada en la figura
6 consiste en cuatro electrodos 1 idénticos que están separados
entre sí en cada caso a través de un electrolito 3 fijo, en este
caso en forma de las bandas 32. La conexión de contacto se realiza
a este respecto con polaridades diferentes sólo en los dos
electrodos 1 exteriores, por lo que los electrodos centrales asumen
de manera correspondiente potenciales escalonados. Una disposición
de este tipo en la que los electrodos centrales actúan tanto como
ánodo (a un lado) como también como cátodo se denomina también
disposición bipolar.
El ejemplo de realización representado en la
figura 7 se distingue del ejemplo de realización según la figura 4
sólo porque como soporte de los electrodos 1, 2 se utilizan placas
13, 23 metálicas que están dotadas de aberturas 42 de paso en forma
de ranura horizontales que permiten un flujo a través de los
electrodos 1, 2. Por consiguiente las flechas en la figura 8
muestran que, aparte del flujo vertical (perpendicular con respecto
al plano del dibujo), es posible un flujo a través de las
disposiciones de electrodos en la dirección de la pila.
En el ejemplo de realización representado en la
figura 9 el electrolito 3 fijo polimérico está aplicado en forma de
secciones 33 de superficie circulares sobre la superficie del
segundo electrodo 2 que está dirigida al primer electrodo 1. El
electrolito 3 polimérico está laminado por tanto directamente al
electrodo 2. La vista desde arriba de una disposición de electrodos
múltiple en la figura 10 muestra que a través del espacio
intermedio entre los electrodos 1, 2 puede fluir un flujo de manera
horizontal y vertical, debido a que las secciones 33 de superficie
están separadas por todos los lados entre sí, por lo que se obtienen
zonas de paso de flujo en las separaciones.
La figura 11 aclara en una representación
esquemática ampliada la conexión de contacto de los electrodos 1, 2
con ayuda de las láminas 5, 6 de contacto y las aberturas 7, 8 de
paso que se encuentran en las mismas. Las láminas 5, 6 de contacto
de los electrodos 1, 2 polarizados en cada caso de manera idéntica
están orientadas de manera que se alinean entre sí (en la figura 11
están dibujadas láminas 5, 6 de contacto sólo para los dos
electrodos 1, 2 posteriores de la pila). Las láminas 5 de contacto
de los primeros electrodos 1 pueden entrar en contacto entre sí a
través de un perno de contacto (no representado) insertado a través
de las aberturas 7 de paso que se alinean entre sí y unirse por
tanto conjuntamente con un polo de la tensión de alimentación. Del
mismo modo se realiza la conexión de contacto de los otros
electrodos 2 a través de las láminas 6 de contacto y las aberturas
8 de paso que alinean entre sí que se encuentran en las mismas.
La figura 12 aclara la estructura de una célula
100 de tratamiento, estando representados por motivos de claridad
sólo los ánodos 2 de las disposiciones de electrodos que entran en
contacto a través de sus láminas 5 de contacto que se alinean entre
sí. La célula 100 presenta un alojamiento 101 que presenta una
abertura 102 de entrada para el agua que debe limpiarse. El agua
que debe limpiarse fluye hacia el interior del alojamiento 101 desde
abajo hacia arriba al interior de la zona de los electrodos 2 y
sale lateralmente de la zona de los electrodos 2 para abandonar el
alojamiento 101 a través de las aberturas 103 de salida en forma
purificada. En la zona superior del alojamiento 101 se encuentran
ranuras 104 de ventilación.
La figura 13 muestra una disposición diferente
de los electrodos 1, 2 que están configurados en este ejemplo de
realización como electrodos 14, 24 en forma de barra. Como separador
entre los electrodos 1, 2 sirve el electrolito 3 fijo que, en forma
de una banda 34 larga, configura de manera meandriforme la forma de
un "ocho", que está envuelto alrededor de los electrodos 1, 2
con una pretensión, de modo que la banda 34 tira ya de los
electrodos 1, 2 el uno contra el otro. La presión de los electrodos
entre sí o contra las secciones del electrolito 3 fijo que se
sitúan entre los mismos se realiza a través de dos bucles 91 de un
material aislante en forma de alambre, colocados alrededor de los
electrodos 1, 2, que pueden contraerse mediante extremos torcidos
entre sí para tirar de este modo de los electrodos 1, 2 el uno
contra el otro.
La conexión de contacto de los electrodos 1, 2
se realiza en extremos frontales con piezas 51, 61 de contacto. Una
configuración de este tipo de la disposición de electrodos es
especialmente adecuada para una limpieza de agua en sistemas de
tuberías.
Claims (16)
1. Disposición de electrodos para un tratamiento
electroquímico de líquidos con una conductividad reducida, con
electrodos (1, 2) entre los que está dispuesto un electrolito (3)
fijo polimérico, que están presionados unos contra otros mediante
un dispositivo (9, 10; 91) de presión y que están configurados de
tal modo, que el líquido puede fluir a través de la disposición,
caracterizada porque el dispositivo (9, 10; 91) de presión
está formado por un dispositivo de apriete que se apoya directamente
sobre los electrodos (1, 2) de tal modo que se ejerce una fuerza de
presión mediante la sujeción directamente en los propios electrodos
(1, 2).
2. Disposición de electrodos según la
reivindicación 1, caracterizada porque al menos un electrodo
(1, 2) presenta un soporte revestido con una capa de diamante
dopada.
3. Disposición de electrodos según la
reivindicación 2, caracterizada porque el soporte está
compuesto de metal.
4. Disposición de electrodos según la
reivindicación 3, caracterizada porque el soporte está
formado por una rejilla (11, 21) de metal expandido.
5. Disposición de electrodos según la
reivindicación 2 ó 3, caracterizada porque los electrodos (1,
2) presentan aberturas (42) de paso para el electrolito (3) fijo
polimérico.
6. Disposición de electrodos según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque el electrolito
(3) fijo presenta aberturas de paso.
7. Disposición de electrodos según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque el electrolito
(3) fijo polimérico rellena el espacio intermedio entre los
electrodos (1, 2) sólo parcialmente.
8. Disposición de electrodos según la
reivindicación 7, caracterizada porque el electrolito (3)
fijo polimérico está dispuesto en bandas distanciadas entre sí en
el espacio intermedio entre los electrodos (1, 2).
9. Disposición de electrodos según una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque el electrolito
(3) fijo polimérico está dispuesto en partes (33) planas
distanciadas por todos los lados entre sí en el espacio intermedio
entre los electrodos (1, 2).
10. Disposición de electrodos según una de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque el electrolito
(3) fijo polimérico está aplicado sobre uno de los electrodos (2)
como capa de superficie.
11. Disposición de electrodos según una de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque está formada a
partir de una pila de varios electrodos (1, 2) y varios electrolitos
(3) fijos poliméricos dispuestos en cada caso entre dos electrodos
(1, 2) que están presionados conjuntamente mediante el dispositivo
(9, 10) de presión unos contra otros.
12. Disposición de electrodos según una de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque varias
disposiciones individuales formadas en cada caso por dos electrodos
(1, 2) y un electrolito (3) fijo polimérico están unidas con el
dispositivo (9, 10) de presión para formar una pila.
13. Disposición de electrodos según una de las
reivindicaciones 1 a 12, caracterizada porque los electrodos
(1, 2) están configurados de manera plana.
14. Disposición de electrodos según una de las
reivindicaciones 1 a 13, caracterizada porque el dispositivo
(9, 10) de presión está compuesto por varias uniones mediante
tornillos de material aislante que se hacen pasar a través de los
electrodos.
15. Disposición de electrodos según una de las
reivindicaciones 1 a 13, caracterizada porque el dispositivo
(91) de presión está formado por material en forma de alambre
envuelto alrededor de los electrodos (1, 2) con extremos torcidos
entre sí para la generación de la presión.
16. Disposición de electrodos según una de las
reivindicaciones 1 a 12 y 15, caracterizada porque dos
electrodos (1, 2) están configurados en forma de barra y porque el
electrolito (3) fijo polimérico en forma de una banda (34) envuelve
de manera alternada los electrodos (1, 2) con pretensión.
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