ES2590207T3

ES2590207T3 - Célula electrolítica equipada con pares de electrodos concéntricos

Info

Publication number: ES2590207T3
Application number: ES13723769.9T
Authority: ES
Inventors: Mariachiara Benedetto
Original assignee: Industrie de Nora SpA
Current assignee: Industrie de Nora SpA
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2016-11-18
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: BR112014031544A2; KR102132586B1; CA2870811C; PT2861784T; CN106011920B; EP2861784B1; CA2870811A1; EA029800B1; MX2014015530A; CN104379813A; ITMI20121048A1; EP2861784A1; US9222181B2; SG11201406927VA; PL2861784T3; AU2013279672A1; PE20150180A1; MX354201B; TWI574920B; IL235244B

Abstract

Una célula electrolítica monopolar delimitada por un cuerpo externo (100) de forma esferoidal o alargada con un par electródico externo (302, 402) y un par electródico interno (301, 401) dispuestos en su interior, estando dicho par electródico externo subdividido en un primer electrodo externo (302) y un segundo electrodo externo (402) de iguales dimensiones, separados en los bordes por medio de primeros elementos aislantes (101), estando dicho par electródico interno subdividido en un primer electrodo interno (401) y un segundo electrodo interno (301) de iguales dimensiones, separados en los bordes por medio de segundos elementos aislantes (101), estando dichos pares electródicos interno y externo dispuestos concéntricamente con las superficies de dicho primer electrodo externo (302) y dicho primer electrodo interno (401) y las superficies de dicho segundo electrodo externo (402) y dicho segundo electrodo interno (301) orientadas una hacia la otra para delimitar una separación (102), estando dicho primer electrodo externo (302) y dicho segundo electrodo interno (301) conectados a un polo (300) de la célula, estando dicho segundo electrodo externo (402) y dicho primer electrodo interno (401) conectados al polo opuesto (400) de la célula.

Description

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DESCRIPCION

Celula electrolltica equipada con pares de electrodos concentricos Campo de la invencion

La presente invencion se refiere a una celula electroqulmica de tipo monopolar y a un metodo para llevar a cabo los procesos electrollticos en la misma.

Antecedentes de la invencion

La invencion se refiere a una celula electrolltica monopolar apropiada para los procesos electroqulmicos llevados a cabo con una inversion periodica de la polaridad. La inversion periodica de la polaridad de las celulas electroqulmicas, por medio de la cual cada uno de los electrodos funciona alternativamente como anodo y como catodo durante intervalos de tiempo preestablecidos, es una medida conocida en la tecnica especialmente para evitar la formation de incrustaciones de diverso tipo sobre la superficie de uno de los electrodos, normalmente el catodo. Por ejemplo, lo anterior es el caso tlpico de celulas usadas para la electrolisis de salmuera alcalina diluida para producir cloro activo (es decir, una mezcla de hipoclorito y acido hipocloroso con posibles trazas de cloro libre disuelto y otras especies en equilibrio) en el anodo; especialmente en el caso de salmuera se obtiene a partir de agua corriente, que contiene carbonatos y otros aniones de comportamiento similar, el catodo se vuelve un sitio de deposition preferente de carbonatos y otras sales insolubles, lo cual se ve favorecido por una alcalinizacion inducida por el proceso. Dichos depositos afectan negativamente a la transmision real por el electrodo, cuya eficiencia electrica se puede degradar de forma irreversible en el tiempo. La inversion periodica de la direction de la corriente y de este modo la polaridad del electrodo hace que la superficie que funciona como catodo para un medio ciclo comience a funcionar como anodo tras la inversion, estando sometida a una acidification local que favorece la disolucion del precipitado que se ha formado con caracter previo. Otros procesos electrollticos, en ocasiones, objeto de inversion de corriente periodica son, por ejemplo, el tratamiento de aguas residuales que contienen sustancias organicas, que se degradan en el anodo al tiempo que tienden a formarse diversos tipos de deposito en el catodo, o la deposicion catodica de metales a partir de banos electrollticos con degradation anodica simultanea de las sustancias organicas, usada para el tratamiento de aguas en el que diversos tipos de especies estan presentes como impurezas. En tales casos, tambien el anodo con frecuencia esta sometido a deposicion de pellcula contaminante, consistiendo en este caso en residuos organicos que tienden a oligomerizar sobre la superficie del electrodo, y que, en ocasiones, se pueden retirar por medio de la action mecanica y qulmica del hidrogeno nativo en el posterior ciclo catodico. Con idea de conservar la regularidad de operation y mantener los parametros operativos de la constante de proceso deseada, los electrodos instalados en las celulas, destinados a funcionar alternativamente como anodo y catodo, ademas de estar separados a una distancia constante deben preferentemente ser del mismo tamano, de manera que sea posible mantener ambos con una corriente suministrada y con una tension de operacion constantes (excepto para el cambio de signo). Esto implica que el diseno de la celula para este tipo de procesos se limite principalmente a geometrlas de tipo plano, en otras palabras contemplando el uso de pares de electrodos con caras planas. No obstante, en muchos casos esto puede constituir una limitation no deseada, que implica ciertas consecuencias negativas. En muchos casos, de hecho, este tipo de procesos se lleva a cabo en unidades de tamano pequenas, tales como el caso de la production de cloro activo para desinfeccion de aguas para usar en el campo hospitalario, hotelero o domestico, o en la recuperation de metales preciosos en residuos de joyerla. Para dicho tipo de aplicaciones puede resultar importante limitar los volumenes tanto como resulte posible, seleccionando disenos de celulas de tipo concentrico coaxial, por ejemplo celulas cillndricas con una pared de catodo externa y un anodo central. Esto puede tener la ventaja, ademas de un mejor aprovechamiento del volumen disponible, de mejorar la transmision de corriente minimizando los efectos secundarios, que se sabe que son mas marcados en geometrlas planas y muy relevantes en el caso de areas totales de electrodo de pequeno tamano. Las celulas de tipo concentrico coaxial, tanto cillndricas como prismaticas, se caracterizan, no obstante, por tener un electrodo externo de tamano mas grande que el interno, haciendo que la operacion con corriente inversa periodica resulte mas diflcil. De hecho, manteniendo constante la intensidad de corriente entre un ciclo y el siguiente y, de este modo, la produccion de especies deseadas, la variation del area de electrodo correspondiente englobarla una variacion correspondiente de densidad de corriente y ademas de tension de proceso; por otra parte, se deberla decidir operar a tension constante, intensidad de corriente y ademas la tasa de produccion oscilarla entre dos valores correspondientes a las dos areas diferentes de electrodo, apenas de acuerdo con los requisitos normales de un proceso industrial.

El documento US 2009/205971 A1 describe un metodo y una celula electrolltica para producir hidrogeno y oxlgeno por medio de electrolisis de una solution acuosa en el que la celula electrolltica incluye un electrodo externo y un electrodo interno separado por medio de una pluralidad de electrodos intermedios.

Por tanto, se identifica la necesidad de proporcionar celulas electrollticas de geometrla de electrodo concentrica, con una separation entre electrodos constante y con un area de catodo identica al area de anodo.

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Sumario de la invencion

Se establecen diversos aspectos de la invencion en las reivindicaciones adjuntas.

En un aspecto, la invencion se refiere a una celula electrolltica monopolar delimitada por un alojamiento de cuerpo externo en su interior:

- un par de electrodos externos subdividido en dos electrodos, separados en los bordes por medio de elementos aislantes, destinado a operar de manera alternativa uno como catodo y el otro como anodo, y vice versa;

- un par de electrodos internos concentricos con el mismo, para delimitar el espacio entre los mismos, generalmente de anchura constante, tambien subdividido en dos electrodos, separados en los bordes por medio de elementos aislantes, destinados a operar alternativamente uno como catodo y el otro como anodo, y vice versa, estando dirigidos cada uno de los dos electrodos del par a uno de los dos electrodos del par externo;

- medio de conexion electrica de los electrodos del par externo y el correspondiente electrodo no orientado del par interno con uno de los polos de la celula;

- medio de conexion electrica de los electrodos restantes de los dos pares con el otro polo de la celula.

En una realizacion, el cuerpo celular externo tiene una forma alargada y el par de electrodos tiene forma prismatica o cillndrica.

En otra realizacion, el cuerpo celular externo y los pares de electrodos tienen forma esferoidal.

En una celula construida de dicha manera, tanto el area anodica como el area catodica corresponden a la suma de las areas de la mitad del par de electrodos externo y la mitad del par de electrodos interno; invirtiendo la polaridad de los electrodos, los valores del area catodica y anodica permanecen sin modificacion alguna.

En una realizacion, tanto el cuerpo celular como los pares de electrodos tienen una forma cillndrica o prismatica. Puede resultar ventajoso por ejemplo acoplar un cuerpo celular cillndrico con los pares de electrodos tambien cillndricos, con el fin de minimizar el volumen celular no implicado en la reaccion de electrolisis. En una realizacion, los pares de electrodos concentricos son coaxiales con respecto al cuerpo celular. Esto tambien puede tener la ventaja de minimizar la tension de celula no implicada en la reaccion de hidrolisis. En una realizacion, todos los electrodos de la celula estan formados por titanio u otro metal de valvula revestido con una composition electrolltica que contiene uno o mas componentes seleccionados entre el grupo de platino tal como metal de platino u oxidos de platino, rutenio e iridio. En una realizacion, la composicion catalltica anterior, tambien contiene oxidos capaces de favorecer el desarrollo de pellculas compactas y protectoras, por ejemplo oxidos de titanio, tantalo, niobio o estano. En el contexto de la presente memoria descriptiva, el termino electrodo formado por titanio u otros metales de valvula se usa para designar un electrodo que se obtiene partiendo de un sustrato de titanio u otro metal de valvula (tal como por ejemplo niobio, tantalo o circonio) ya sea en forma pura o en diferentes aleaciones.

En una realizacion alternativa, todos los electrodos de la celula estan formados por diamante conductor, por ejemplo diamante impurificado con boro, ya sea en forma masiva o sobre un soporte de sustrato conductor apropiado, por ejemplo de niobio u otro metal de valvula.

Los materiales especificados tienen la ventaja de funcionar de manera optima para la gran mayorla de aplicaciones anodicas conocidas, implicando el desprendimiento de productos anodicos tales como cloro, oxlgeno, ozono o peroxidos, garantizando al mismo tiempo un funcionamiento correcto como catodos.

En una realizacion, la separation entre los dos pares de electrodos tiene generalmente una anchura constante que varla entre 1 y 20 mm, dependiendo de las necesidades de cada proceso, como resultara evidente para un experto en la tecnica.

Bajo otro aspecto, la invencion se refiere a un metodo de ejecucion de un proceso electrolltico que comprende alimentar un electrolito de proceso en el interior de la separacion de una celula electrolltica como se ha descrito anteriormente y proporcionar una corriente electrica continua a los polos de la celula, variando la direction de la corriente aplicada en intervalos de tiempo presentes, por ejemplo, cada 1-120 minutos. En una realizacion, el proceso electrolltico de acuerdo con la invencion consiste en la electrolisis de una solution salina con la production de cloro activo. En una realizacion alternativa, el proceso electrolltico de acuerdo con la invencion consiste en un tratamiento de aguas residuales con degradation de sustancias organicas. En una realizacion adicional, el proceso electrolltico de acuerdo con la invencion consiste en una recuperation de metal por medio de electrodeposicion catodica, con degradacion simultanea optima de especies organicas.

Algunas implementaciones que ejemplifican la invencion se describen ahora con referencia a los dibujos adjuntos, que tienen la unica finalidad de ilustrar la configuration reclproca de los diferentes elementos de forma relativa, con respecto a dichas implementaciones particulares de la invencion; en particular, los dibujos no necesariamente estan a escala.

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Breve descripcion de los dibujos

La Figura 1 muestra una vista desde arriba de una seccion de una celula de acuerdo con una realizacion de la invencion que comprende un cuerpo cilindrico y pares de electrodos con forma de prisma.

La Figura 2 muestra una vista desde arriba de una seccion de una celula de acuerdo con una realizacion de la invencion que comprende un cuerpo cilindrico y pares de electrodos con forma de cilindro.

Descripcion detallada de los dibujos

La Figura 1 muestra una vista desde arriba de una seccion de una realizacion de la invencion que consiste en una celula delimitada por un cuerpo cilindrico 100 en cuyo interior se alojan dos pares de electrodos con forma de paralelepipedo, concretamente un par interno que consiste en electrodos 301 y 401 separados en los bordes por medio de elementos aislantes 101 y un par externo coaxial con el par interno que consiste en electrodos 302 y 402, tambien separados en los bordes por medio de elementos aislantes equivalentes 101. Los elementos aislantes 101 mantienen a los electrodos en posicion fija, evitando su corto-circuito; ademas llevando a cabo estas funciones, los elementos 101 evitan que la corriente se concentre en los bordes de cara de cada par de electrodos. Por este motivo, los elementos 101 debe dimensionarse de manera apropiada; los inventores han descubierto que para la mayoria de las aplicaciones sometidas a ensayo, puede resultar ventajoso dimensionar los elementos 101 de manera que la distancia entre los bordes de cara de cada par de electrodos sea al menos igual a la anchura de la separacion 102. Los electrodos 301 y 402 miran el uno al otro, tal como los electrodos 302 y 401, para definir la separacion 102, generalmente de anchura constante excepto para las regiones de esquina. El electrodo del par interno 301 y el electrodo que no mira al mismo del par externo 302 estan conectados a un polo 300 de un suministro 200 de corriente continua proporcionado por el medio 201 para invertir la direction de la corriente en intervalos de tiempo preestablecidos; similarmente, el otro electrodo del par interno 401 y el electrodo que no mira al mismo del par externo 402 estan conectados al otro polo 400 de suministro 200 de corriente continua. Las regiones 103 y 104 de la separacion 102 exterior del cuerpo celular estan rellenas con material aislante, de manera que confinan la separacion 102 interior del electrolito del proceso que constituye la zona de reaction. La celula se puede alimentar a partir de una parte terminal del cuerpo cilindrico 100 con la salida sobre el punto opuesto y se puede operar opcionalmente en modo continuo, con un paso individual de electrolito, o en modo discontinuo.

La Figura 2 muestra una vista desde arriba de una seccion de una realizacion similar de la invencion, que difiere de la anterior en la forma cilindrica de los pares de electrones. Esto tiene la ventaja de mantener la anchura de la separacion 102 en un valor constante, eliminando las regiones de esquina ademas de maximizar la relation de superficie de electrodo activo con respecto al volumen total de celula.

Algunos de los resultados mas significativos obtenidos por los inventores se ilustran en el siguiente ejemplo, que no se pretende que limite el alcance de la invencion.

Ejemplo

Se alimento una salmuera preparada a partir de agua corriente que contenia 9 g/l de NaCl a la separacion 102 de una celula que corresponde a la realizacion de la Figura 1, equipada con un par de electrodos externo de 15 cm2 y un parte de electrodo interno de 7 cm2 de superficie total. La altura total de ambos pares de electrodos fue de 5 cm. Los electrodos de los dos pares consistieron en una lamina de titanio activada sobre el lado que orientado hacia la separacion con una mezcla de oxidos de rutenio, paladio y titanio como se sabe en la tecnica. El volumen total de la reaccion, que corresponde al volumen de la separacion, fue de 55 ml. Aplicando una corriente total de 2 A, que corresponde a densidades de corriente de 1,5 kA/m2 sobre el par de electrodos interno y 0,7 kA/m2 sobre el externo, e invirtiendo la direccion de la corriente cada 180 segundos, fue posible producir 3300 ppm de cloro activo con un rendimiento constante de un 48 % durante el transcurso de una serie de ciclos discontinuos de 15 minutos cada uno, observandose un aumento de pH desde la neutralidad inicial hasta un valor de 11,3.

La descripcion anterior no debe pretenderse como limitante de la invencion, que se puede usar de acuerdo con las realizaciones diferentes sin apartarse de su alcance, y cuyo alcance unicamente viene definido por las reivindicaciones adjuntas.

A lo largo de la descripcion y las reivindicaciones de la presente solicitud, no se pretende que el termino “comprender” y sus variaciones tales como “comprendiendo” y “comprende” excluyan la presencia de otros elementos, componentes o etapas de proceso adicionales.

La discusion de los documentos, actos, materiales, dispositivos, articulos y similares se incluye en la presente memoria descriptiva unicamente con el fin de proporcionar un contexto para la presente invencion. No se sugiere o se representa que parte o la totalidad de estas materias formen parte de la base de la tecnica anterior o fueran el conocimiento general comun en el campo relevante para la presente invencion antes de la fecha de prioridad de cada revindication de la presente solicitud.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Una celula electrolltica monopolar delimitada por un cuerpo externo (100) de forma esferoidal o alargada con un par electrodico externo (302, 402) y un par electrodico interno (301, 401) dispuestos en su interior, estando dicho par electrodico externo subdividido en un primer electrodo externo (302) y un segundo electrodo externo (402) de iguales dimensiones, separados en los bordes por medio de primeros elementos aislantes (101), estando dicho par electrodico interno subdividido en un primer electrodo interno (401) y un segundo electrodo interno (301) de iguales dimensiones, separados en los bordes por medio de segundos elementos aislantes (101), estando dichos pares electrodicos interno y externo dispuestos concentricamente con las superficies de dicho primer electrodo externo (302) y dicho primer electrodo interno (401) y las superficies de dicho segundo electrodo externo (402) y dicho segundo electrodo interno (301) orientadas una hacia la otra para delimitar una separacion (102), estando dicho primer electrodo externo (302) y dicho segundo electrodo interno (301) conectados a un polo (300) de la celula, estando dicho segundo electrodo externo (402) y dicho primer electrodo interno (401) conectados al polo opuesto (400) de la celula.
2. La celula de acuerdo con la reivindicacion 1, en la que dichos pares electrodicos interno y externo son pares electrodicos de forma cillndrica o prismatica alojados en el interior de un cuerpo de forma alargada o pares electrodicos de forma esferoidal alojados en el interior de un cuerpo esferoidal.
3. La celula de acuerdo con la reivindicacion 2, en la que dicho par electrodico externo y dicho par electrodico interno son coaxiales con respecto al cuerpo externo de la celula.
4. La celula de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dichos primer y segundo electrodos externos y dichos primer y segundo electrodos internos estan formados por diamante conductor en forma masiva o sobre soporte o de titanio revestido con una composicion catalltica que contiene uno o mas elementos del grupo del platino.
5. La celula de acuerdo con la reivindicacion 4, en la que dicha composicion catalltica contiene al menos un componente seleccionado entre platino metalico, oxido de platino, oxido de rutenio y oxido de iridio y al menos un oxido de un elemento seleccionado entre titanio, tantalo, niobio y estano.
6. La celula de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en la que dicha separacion tiene una anchura constante que varla de 1 a 20 mm.
7. La celula de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dichos primero y segundo elementos aislantes estan dimensionados para que la distancia entre los bordes orientados de dicho primer electrodo externo y dicho segundo electrodo externo, y la distancia entre los bordes orientados de dicho primer electrodo interno y dicho segundo electrodo interno sean al menos iguales a la anchura de dicha separacion.
8. Un metodo de ejecucion de un proceso electrolltico en una celula de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende alimentar un electrolito de proceso al interior de dicha separacion y proporcionar corriente electrica continua a los polos de la celula, variando la direccion de dicha corriente continua en intervalos de tiempo prefijados.
9. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 8, en el que dicho proceso electrolltico esta seleccionado entre el grupo que consiste en electrolisis de soluciones salinas con produccion de cloro activo, degradacion de sustancias organicas por medio de electrolisis de aguas residuales y recuperacion de metales por medio de electrodeposicion catodica, con degradacion simultanea opcional de especies organicas.
10. El metodo de acuerdo con las reivindicaciones 8 o 9, en el que dichos intervalos de tiempo prefijados tienen una duracion de 1 a 120 minutos.