ES2401448B1 - Dispositivo para el tratamiento electroquímico del agua o disoluciones acuosas - Google Patents

Abstract

Dispositivo para el tratamiento electroquímico del agua o disoluciones acuosas, empleado con el propósito de cambiar sus propiedades oxidantes, reductoras y estructurales. El dispositivo comprende un electrodo interno 1 en forma de varilla de configuración cilíndrica con canales axiales frontales (2, 3). Un electrodo externo (4) cilindro hueco (tubular) está montado coaxialmente con respecto al electrodo interno (1). Un diafragma (5) semipermeable está montado entre dos electrodos coaxialmente con respecto a los mismos, dicho diafragma (5) divide la cavidad anular en una cámara interna (6) y una cámara exterior (7). La cámara externa (7) tiene unos racores de entrada (8) y salida (9) que se fijan radialmente sobre el electrodo externo (4) y comunican con la cámara exterior (7) a través de la salida de dicho electrodo. La cámara interna (6) tiene racores de conexión axiales de entrada (10) y salida (11) (tuberías de conexión) con respectivas aberturas axiales internas (12, 13). Los canales axiales frontales internas (2, 3) comunican con la cámara interna (6) con la ayuda de canales (15), los ejes de los cuales están orientados según planos radiales. El dispositivo está cerrado en ambos extremos por tapas de protección (16, 17) que son idénticas entre sí.

Description

DISPOSITIVO PARA EL TRATAMXENTO ELECTROQUÍMICO DEL AGUA O DISOLUCIONES ACUOSAS

Sector de la técnica

Esta invención técnica está asociada al campo del tratamiento electroquimico del agua y/o las disoluciones acuosas salinas con el propósito de cambiar sus propiedades oxidantes, reductoras y estructurales . Este invento puede ser utilizado para la depuración, desinfección, estructuración y acondicionamiento del agua, para su ablandamiento catódico, así como para la obtención de disoluciones acuosas desinfectantes, lavadoras , esterilizadoras, conservativas, blanqueadoras, profilácticas o medicinales o de disoluciones acuosas eliminadoras del olor .

Estado de la técnica

Es conocida la pila de membrana polimérica o elemento electroquimico modular de fluidos PEM-4 para el tratamiento de líquidos [patente de la Federación Rusa 2145940 , publicada e l 27.02 . 2000], compuesta por un electrodo interior de varilla, un electrodo exterior, una membrana que separa la cavidad en una cámara interior y otra exterior, cada una de las cuales dispone de unos racores o empaquetaduras, una de entrada y otra de salida, fijadas un casquillo o manguito dieléctrico de tope, de idéntica estructura en ambos colectores . El montaje o ensambl ado del dispositivo se realiza con ayuda de tornillos, enroscados en los extremos del electrodo interior. La admisión y evacuación del líquido tratado se realiza

35 por medio de unos racores o empaquetaduras laterales

fijados radialmente, lo que implica la necesidad de una acometida adicional con el empleo de tubos acodados

(codos de evacuación) para la inst alación del dispositivo en una tubería lineal . y es precisamente en este factor donde reside el defecto principal del dispositivo.

En calidad de prototipo se ha elegido un dispositivo para el tratamiento electrolítico del agua (patente de la Federación Rusa 2132821, publicada el

10 . 07.1999) . Este electrolizador de flujo vertical se compone de un e l ectrodo interior hueco (tubular) I un electrodo exterior y una membrana , que divide la cavidad anular en una cámara interior y otra exterior. En ambos extrerno.s del dispositivo hay un casquillo o manguito dieléctrico que se cierra con una caja o regleta también dieléctrica, con una estructura análoga a una tuerca de junta . La admisión y evacuación del líquido tratado en la cámara interna se realiza mediante racores o empaquetaduras axiales que se atornillan a los cabezales del electrodo interior. Al mismo tiempo, estos tubos axiales funcionan como elementos de fijación, ya que entre ellos se aprietan o enroscan medi ante casquillos dieléctricos todos los elementos interiores. La estructura o diseño constructivo de este prototipo permite ensamblar el electrolizador en la tubería lineal del líquido tratado sin necesidad de utilizar empalmes acodados. Sin embargo , una de las deficiencias de este diseño radica en la corta vida útil del electrodo interior, debido a que en la delgada pared del electrodo tubular interior existen unos orificios de paso, a través de los cuales la cavidad del electrodo interior se comunica con la cámara electrolítica interna . Por l o general , en los electrolizadores se emplean electrodos de dos tipos:

bien de grafito, o bien electrodos metálicos recubiertos con algún metal del grupo platino-iridio . Cuando el electrodo es metálico la existencia de orificios de paso rompe la integridad del recubrimiento protector en el electrodo interno, lo que conlleva la corrosión electroquímica de la carcasa del electrodo cuando contacta con un medio agresivo . Cuando el electrodo es de grafito, la existencia de orificios en la pared del tubo aumenta la fragilidad del electrodo. Tanto en uno como en otro caso, la vida útil del electrodo interior se reduce significativamente en comparación con los electrodos de varilla . Además , en el prototipo, los racares de entrada y salida del electrodo interno están unidos directamente por un canal axial. Esto reduce la eficacia del trabajo y

funcionamiento del dispositivo, ya que no todo el líquido termina pasando por la cámara de trabajo.

Por lo tanto, existe una contradicción técnica : unos aparatos o dispositivos son sólidos y robustos, pero cuentan con una cantidad excesiva de elementos estructurales: e lementos diferenciados de sujeción, como tornillos de cabeza hueca, y elementos diferenciados para la admisión y evacuación, para la entrada y salida del liquido. En cambio, otros dispositivos, por ejemplo nuestro prototipo, son comparativamente más sencillos, ya que emplean elementos que compaginan funciones de sujeción y de admisión I evacuación del líquido pero, por contra ,

gozan

de una vida útil bastante limitada y exigen una

sustitución

constante de los electrodos internos .

Además ,

no resultan ser todo lo eficaces que se

desearía .

Objeto de la invención

En la base del proceso de descubrimiento de esta

invención técnica yacía una tarea, un objetivo :

resolver esa contradicción que acabamos de formular e

inventar un dispositivo eficaz en el tratamiento

S

electroquímico del agua o las disoluciones acuosas.

El resultado técnico obtenido consiste en aumentar

la solidez y fiabilidad del dispositivo (un largo

período de explotación sin tener que sustituir el

10

electrodo i nterno ) r manteniendo al mismo tiempo la

posibilidad de una conexión o acoplamiento coaxial a la

tubería del líquido que queremos tratar sin utilizar

derivaciones acodadas {esto es, un acoplamiento

directo) .

15

El dispositivo que aquí se declara para el

tratamiento electroquímico del agua o las disoluciones

acuosas incluye en su diseño estructural unas tapas de

protección y un electrodo tubular exterior, dentro del

20

cual se ha emplazado de manera coaxial el electrodo

interior . La cavidad anular entre los electrodos está

dividida o separada en una cámara interna y otra

externa por un diafragma (membrana) coaxial

semipermeable . Cada cámara cuenta con un racor de

25

entrada y otro de salida, al mismo tiempo que los

racores de entrada y salida de la cámara interna están

diseñados axialmente y unidos al electrodo interior con

la ayuda de unas juntas de rosca , que fijan la posición

de las tapas de protecci ón. El hermetismo de las

30

cámaras se garantiza con la a yuda de unas juntas o

empaquetaduras anulares compresoras. Es te dispositivo

se diferencia del prototipo en que el electrodo interno

está ejecutado en forma de varilla por el hecho de que ,

en sus extremos, cuenta con unos canales axiales para

3S

la entrada y/o salida del líquido. Estos canales están

abiertos del lado frontal del electrodo y se comunican con los colectores de la cámara interna, mientras que, por el lado opuesto, se comunican con la cámara interna por medio de unos canales , cuyos ejes se emplazan en planos radiales.

El dispositivo puede contar con una junta de extremo con forma de disco con collarín, que penetra o se hunde en la cámara de trabajo interna.

Descripción de las figuras

La figura 1 muestra una sección longitudinal del dispositivo de tratamiento electroquímico del agua de acuerdo con la invención .

Descripción detallada de la invención

La esencia y el contenido de esta invención técnica se explican con más detalle en el modelo de ejecución que se describe más abajo y en la Figura 1, donde se represent a la sección longitudinal del dispositivo. En el modelo descrito, la catalogación de los racores o empaquetaduras, tubos de empalme y demás elementos como de ent rada o salida (admisión o evacuación de líquido) es convencional , ya que el sistema es reversible. Como convencional o condicional es también la catalogación de los electrodos como cátodo o ánodo del electrolizador.

El dispositivo contiene un electrodo interno (1) de tipo varilla de forma cilíndrica con canales axiales frontales (2 , 3). De manera coaxial al electrodo interno (1) , se halla instalado un electrodo externo

3S (4), cilindrico (tubular) y hueco. Entre los

electrodos, y de manera coaxial a ellos, se encuentra un diafragma (membrana) semipermeable (5), que divide la cavidad anular en una cámara interna (6) y una cámara externa (7). La cámara externa (7) dispone de un racar o empaquetadura de entrada (8) Y otro racar o empaquetadura de salida (9), que están fijadas de forma radial al electrodo externo (4) Y se comunican con la cámara externa (7) a través de las aberturas que existen en este electrodo .

La cámara interna ( 6) dispone de un racar (tubería) de entrada (10) y otro de salida (11) con unas aberturas axiales internas (12 y 13, correspondientemente). Las tuberías o racares (la, ll) poseen una rosca o entalladura interior y se atornillan a los elementos terminales del electrodo interno (1) I que tienen un diámetro menor que el electrodo y disponen de un fileteado (14 ) en su superficie exterior . Los canales axiales frontales (2 y 3) se comunican con la cámara int erna (6) mediante unos canales (15) , cuyos ejes están orientados en planos radiales. Los ejes de los canales ( 15) pueden estar perpendicularmente di spuestos en relación con el eje del dispositivo, o pueden disponerse respecto a él de forma biselada u oblicua.

El dispositiva se cierra en ambos cabezales con unas tapas de protección (16 Y 17) I idénticas la una a la otra. La fijación de las tapas de protección (16 y 17) se realiza con el enroscamiento de los racores o tuberías (10 y 11) en los cabezales del electrodo interno (1) . Entre l a tubería o racor de entrada (10) y la superficie exterior de la tapa de protección (16) se aprieta un primer electrodo de alimentación (18). Un segundo electrodo de alimentación (19) está fijado al

electrodo exterior (4) . La hermeticidad del dispositivo en su conjunto se consigue mediante unas abrazaderas compresoras (20) , que se instalan bajo las tapas de protección (16 Y 17) Y también sobre ellas. También se pueden instalar abrazaderas compresoras para eliminar la posibilidad de que el líquido pueda fluir directamente entre las cámaras (6 y 7). Sin embargo, mucho más efectivo resulta cuando esa estanqueidad hermética se asegura mediante juntas de extremo (21) f cada una de las cuales tienen un diseño en forma de disco con un collarín que se hunde o penetra en la cámara externa (7) , es decir, entrando con huelgo entre el electrodo externo (4) y el diafragma (membrana) semipermeable (S) .

El trabajo y funcionamiento del dispositivo se ilustra con los ejemplos siguientes, en los cuales el

suministro

de corriente se produce de tal manera, que

el

electrodo interno (1) actúa corno ánodo y

el

electrodo externo

(4) corno cátodo .

En el racor de entrada (10) se suministra el liquido que se va a tratar y del racor de salida (11) se evacúa el líquido ya tratado, con propiedades ácidas

o alcalinas, dependiendo de la polaridad de conexión de los electrodos . De acuerdo con las propiedades de la disolución que se desee obtener, al dispositivo se le Suministra agua y/o distintas disoluciones salinas . El racor de entrada (8) se emplea para el suministro del líquido transformador, por ejemplo, una solución salina, mientras que el racor de salida (9) se destina a la evacuación de la disolución salina con propiedades alcalinas o ácidas , dependiendo de la polaridad de la conexión de los electrodos . Los racores o empaquetaduras (B Y 9) pueden estar unidos en un

circuito cerrado exterior y único (con una alimentación adicional de sustancia activa).

Ejemplo 1

En la cámara anódica, o sólo en la catódica , del disposit ivo electroquímico de diafragma se produce el tratamiento d e l a g ua o d e las soluciones salinas .

A fin de obt ener una solución electroactivada con propiedades ácidas o alcalinas, se s uministra por racor de entrada (ID) una solución de cloruro de sodio o cualquier otra solución salina . A través del canal axial frontal (2) y de los canales (15), la solución llega a la cámara electrolitica interna ( 6) • Se suministra corriente a los electrodos . Some tida a la tensión eléctrica, la solución (los iones) pasa a la cámara electrolítica externa (7) a través del diafragma

(membrana) semipermeable (S). Durante el proceso de funcionamiento del dispositi vo , se forman dos corrientes de iones con cargas opuestas en las caras interior y exterior del diafragma (5) Entre las corrient es se produce una diferencia de potencial, lo que provoca un incremento de la tensión del campo eléctrico en el diafragma (5) y, como consecuencia, se incrementa la movilidad de los iones en los poros del diafragma (5) y se reduce la resistencia eléctrica del dispositivo . Como resultado de todo ello, s e forma una solución electroact ivada con propiedades ácidas o alcali nas -dependiendo de la polaridad de la conexión de los electrodos-, que se evacúa a través de los canales (15 y 3) y del racor de salida (11) . A través del racor de entrada (8) puede suministrarse también una solución al 1% de cloruro de sodio .

Ejemplo 2

A fin de obtener una solución desinfectante, por el racor de ent rada (10) se suministra agua, la cual llega hasta la cámara electrolítica interna (6) , de la forma que se ha descrito más arriba. Al mismo tiempo, por el racar de entrada (8) se suministra una solución concentrada de cloruro de sodio, la cual circula por el circuito cerrado exterior, pasando a través de la cámara electrolítica externa (7) . El agua que llega a la cámara interna (anódica), sometida a la acción de los procesos de oxidación-reducción que tienen lugar en ambas cámaras electrolíticas, se satura de iones de ácido hipocloroso, de radicales de oxígeno de vida corta y de una pequeña cantidad de ozono y bióxido de cloro a cuenta de la migración de iones desde la cámara

electrolítica

e xterior (catódica), evacuándose a través

del

racor de salida (11) en forma de solución

desinfe ctante .

Ejemplo 3

A fin de obtener una solución desinfectante , se suministra una solución del 1-33% de cloruro de sodio por el racor de entrada o empaquetadura (8) que , tras pasar a la cámara catódica externa, saliendo luego por el racor de salida o empaquetadura (9) Y entrando a continuación por el racor de entrada (10) , termina llegando a la cámara electrolítica interna. Esta solución que ingresa en la cámara electrolítica interna , bajo la acción de los procesos de oxidaciónreducción que tienen lugar en las dos cámaras, se satura de iones de ácido hipocloroso, radicales de oxígeno de vida corta y una pequeña cantidad de ozono y bióxido de cloro a consecuencia de la migración de

iones que se produce desde la cámara electrolítica

exterior (anódica) , termina evacuándose en forma de

solución desinfectante a través del racar de salida

(11) •

s

Ejemplo 4

A fin de obtener y tratar agua potable, se

suministra agua de la cañeria a través del racar de

10

entrada (8), la cual, tras llegar a la cámara exterior

catódica, de salir por el racar de salida (9) y

recorrer el tubo de empalme (10) , termina llegando a la

cámara electrolítica interior. Esta agua que llega a l a

cámara electrolítica interna (anódica) , y bajo la

15

acción de los procesos de oxidación-reducción que se

producen en ambas cámaras, se descontamina y, tras

cambiar su potencial de oxidación-reducción, se evacúa

a través del tubo de empalme (ll) en forma de agua

limpia y potable.

20

Los ejemplos que acabamos de mostrar no agotan el

campo de aplicación de la invención que aquí se

declara , ya que, dependiendo de las soluciones

utilizadas y de la polaridad de l os electrodos , se

25

pueden obtener otras muchas soluciones electroactivadas

con propiedades ácidas o alcalinas, según la polaridad

con que se conecten los electr odos . Este dispositivo

que aquí se declara también se puede utilizar para

desinfectar el agua, modificar su potencial de

30

oxidación-reducción o ablandarla por intercambio

iónico , entre otras muchas utilidades y procedimientos .

Este dispositivo técnico, fabricado de acuerdo con

el procedimiento y el mecanismo técnico inventado, ha

35

sido experimentado siguiendo métodos bien conocidos . En

"

la tabla resultados

que sigue se exponen los indicadores obtenidos durante estos trabajos. y

5

Tabla

Denominación del indicador

Valor

Velocidad volumétrica de flujo, en cm3/s

12 140

Velocidad lineal de flujo, en cm/s

25 -64

Tiempo de tratamiento del agua, en s

0,3 -2

Intensidad de corrienteI en A

0, 5 -550

Tensión, en V

12 -120

Mineralización del agua, en gil

Cantidad específica de electricidad, en e/l

15,5 -150

Reserva de trabaio continuo, en h

20.000

Valor del indicador de iones de hidrógeno (pHI

2 11

Valor del potencial de oxidación-reducción, en mV

Desde (+ 9901 hasta (6001

Periodicidad de limpieza del dispositivo de sedimentos catódicos

Cada 480 960 horas de trabaio

Como se observa en la Figura 1 y se desprende de la descripción expuesta anteriormente, e l dispositivo 10 dispone de unos racores o empaquetaduras axiales para la admisión / evacuación (entrada / salida) del líquido tratado, lo que permite instalarlo y conectarlo directamente en la tubería general, sin emplear para ello adaptadores o empalmes adicionales ni derivaciones 15 acodadas . Estos racores (tubos de empalme} axiales funcionan al mismo tiempo como elementos de fijación, en cuanto se enroscan como tornillos a los cabezales de los electrodos interiores, ajustando los electrodos entre las tapas de protección. Las tapas se realizan de

20 manera idéntica a sus topes frontales. La ejecución material del electrodo interno, en forma de varilla y no tubular, incrementa la robustez del dispositivo al

mismo tiempo que su eficiencia, ya que permite que el líquido fluya directamente a través del electrodo y , consecuentemente, todo el volumen de fluido se ve sometido al tratamiento de forma completa.

Con este diseño y la construcción de canales en bisel o en oblicuo respecto al eje del dispositi vo , no se general zonas estancadas ni remolinos turbulentos en las zonas de entrada / salida de la cámara

10 electrolítica.

La utilización de juntas de tope frontales incrementa el hermetismo y simplifica el montaje del dispositivo .

Claims (2)

1. REIVINDICACIONES

   aEI~

   l. -. Dispositivo para el tratamiento electroquímico

   del agua o disoluciones acuosas, que contiene en su

   S

   dise~o estructural los siguientes elementos: unas tapas

   de protecci6n (l7, 16) ; un electrodo externo (4)

   tubular: en cuyo interior se emplaza de manera coaxial

   un electrodo interno (1) i una cavidad anular o circular

   dividida en una cámara interna (6) y una cámara externa

   10

   (7) por un d iafragma (5) coaxial semipermeable, estando

   ambas cámaras (6 , 7) provistas de un racar de entrada

   (101 y un racar de salida (11) , estando además los

   racares de entrada y sal ida (la, 11) de la cámaras (6,

   71 dise~ados axialmente y unidos al electrodo interno

   15

   (1) mediante unas j untas de rosca, que fi j an la

   posición de las tapas de protecci6n (17, 20 ); y la

   hermeticidad de las cámaras (6, 7) se consigue con la

   aplicación de abrazaderas (20) anulares comprimidas y

   compactas; caracterizado porque el e lectrodo interno

   20

   (1) está ejecutado en forma de varilla y en sus

   extremos dispone de canales axiales frontales (2,3) para

   la salida y/o entrada del líquido, estando estos

   canales axiales frontales (2,3) abiertos del lado del

   cabezal del electrodo interno (1) y comunicados con la

   2S

   cámara interna (6) a través de unos canal es (15), cuyos

   ejes están dispuestos en planos radial es.

2. 2.-. Dispositivo para el tratamiento electroquimico

   del agua o disoluciones acuosas, de acuerdo con la

   30

   pcimera reivindicación, caracterizado porque

   introducida o hundida en la cámara externa (7) se

   dispone una junta de extremo (21) en forma de disco con

   collarino

   35