ES2634338T3 - Procedimiento y dispositivo para la desalinización de soluciones acuosas mediante electrodiálisis - Google Patents

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Abstract

Procedimiento para la desalinización de soluciones acuosas mediante electrodiálisis en una celda electroquímica (10), que comprende un primer electrodo (16) y un segundo electrodo (20), y presentando el segundo electrodo (20) una polaridad opuesta a la del primer electrodo, estando dispuestas entre el primer electrodo (16) y el segundo electrodo (20) dos membranas (22.3 y 22.4), produciéndose en el primer electrodo (16) un gas de electrólisis e iones, caracterizado por que el gas de electrólisis y los iones se transforman en el segundo electrodo (20), por que los aniones comprendidos en la solución acuosa migran a través de una primera membrana adicional (22.1) en dirección del primer electrodo (16) con polaridad positiva, y por que los cationes comprendidos en la solución acuosa migran a través de una segunda membrana adicional (22.2) en dirección del segundo electrodo (20) con polaridad negativa, y por que el segundo electrodo (20) consiste en espuma de níquel o en espuma de níquel platinada.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento y dispositivo para la desalinizacion de soluciones acuosas mediante electrodialisis
La invencion se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para la desalinizacion de soluciones acuosas mediante electrodialisis.
En la produccion industrial o durante la limpieza se usan soluciones acuosas como por ejemplo, acidos y soluciones alcalinas. Para poder desechar estas soluciones acuosas acidas o basicas, estas anteriormente han de neutralizarse. De esta manera se garantiza un tratamiento seguro y se cumplen con las directrices preceptivas legalmente para el vertido de liquidos a la canalizacion.
La neutralization de las soluciones acuosas acidas o basicas se produce habitualmente mediante la adicion de soluciones alcalinas o acidos, que presentan un correspondiente valor de pH, de manera que resulta en este caso una mezcla con un valor de pH neutral en gran medida.
Los acidos o las soluciones alcalinas que se anaden se consumen en este caso y ya no estan a disposition para usos posteriores. Los acidos o las soluciones alcalinas que se anaden representan un importante factor de costes.
La solution neutral resultante presenta una alta concentration de sal y solo puede continuar utilizandose en determinadas condiciones, dado que debido a un retorno se acumula la carga de sal en el circuito, lo cual aumenta la conductividad de la solucion acuosa. Ello conlleva problemas, como por ejemplo, una corrosividad mayor de la solucion o depositos minerales en componentes de construction.
Hasta ahora, las soluciones neutralizadas se han desechado a traves de la red de aguas residuales y se pierden debido a ello para su procesamiento posterior.
Es conocido, separar o desunir con la ayuda de la electrodialisis la concentracion de sal de soluciones acuosas y llevarla a acidos y soluciones alcalinas. En este caso se pierde una parte de la energia electrica necesaria para la electrodialisis, ya que segun el estado de la tecnica resultan en los electrodos de una celda electroquimica gases de electrolisis.
Para la produccion de los gases de electrolisis se necesita una llamada sobretension en los electrodos. El gas de electrolisis escapa sin usarse de la celda o se convierte en energia por separado en una celda de combustible conectada posteriormente (vease para ello el documento US 2007/008 47 28 A1). Esta parte de la energia ya no esta a disposicion de la separation de la solucion salina. Debido a ello, el grado de eficiencia, y con ello la rentabilidad de las instalaciones de electrodialisis, son reducidos.
Del documento DE 42 31 028 A1 se conoce un procedimiento para la preparation de los liquidos acuosos resultantes durante el tratamiento de superficie de aguas residuales.
Del documento DE 43 10 365 C1 se conoce un procedimiento, en el cual se regeneran banos acidos acuosos de metales mediante electrodialisis. Se conoce ademas de ello del documento US 2012/279861 A, un procedimiento para la desalinizacion de agua salada, en el cual la solucion acuosa se somete a una electrodialisis. Algo correspondiente se desprende tambien de los documentos US 6,402,917 B, asi como US 3,893,901.
La presente invencion pone a disposicion un procedimiento y un dispositivo, que aumentan el grado de eficacia de la electrodialisis y garantizan de esta manera un mejor aprovechamiento de la energia electrica usada para ello. Una idea basica de la invencion, es transformar el gas de electrolisis producido en una celda electroquimica en un primer electrodo, directamente en un segundo electrodo de la celda electroquimica. En el caso de los gases de electrolisis producidos se trata normalmente de oxigeno elemental (O2) y de hidrogeno elemental (H2). Formandose el oxigeno en un electrodo positivo, el anodo, y el hidrogeno en un electrodo negativo, el catodo.
De esta manera resultan dos configuraciones del procedimiento segun la invencion:
en una primera configuration, resulta en el primer electrodo (anodo), el cual esta dispuesto en un primer espacio de electrodo de la celda electroquimica y al cual se suministra una solucion electrolitica basica, por ejemplo, sosa caustica, oxigeno segun la siguiente ecuacion:
2H2O => 02 + 4H+ + 4e- Ecuacion (1)
El oxigeno (02) se transporta junto con el electrolito acuoso, el cual se suministra al primer espacio de electrodo, a un segundo espacio de electrodo. Los iones producidos, en esta configuracion son protones (H+), acceden a traves de una pila de membranas, que separa el primer espacio de electrodos del segundo espacio de electrodos, al segundo espacio de electrodos.
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La pila de membranas se compone de una pluralidad de membranas de intercambio de iones y es adecuada para separar los componentes ionicos de la solucion acuosa a desalinizar y para clasificarlos en correspondencia con su carga.
En un segundo electrodo (catodo), que esta dispuesto en el segundo espacio de electrodo, se produce una reaccion electroquimica segun la siguiente ecuacion:
O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O Ecuacion (2)
De esta manera se transforman el gas de electrolisis (oxigeno) producido en el primer electrodo (anodo) y los iones (H+) en el segundo electrodo (catodo) en esencial completamente en agua (H2O).
Los valores de pH de la solucion electrolitica y los potenciales estandar de los agentes reactivos, son en el primer espacio de electrodo (espacio de anodo) y en el segundo espacio de electrodo (espacio de catodo) aproximadamente iguales.
La corriente continua a usar se suma a partir de los valores de sobretension anodica, sobretension catodica y la caida de tension a traves de la pila de membranas.
La energia electrica a usar es menor que en el caso de una combinacion de una celda de electrodialisis con una celda de combustible conectada posteriormente.
Para transformar en la medida de lo posible completamente en agua el oxigeno gaseoso contenido en el electrolito acuoso en el catodo (segundo electrodo), es necesario que el catodo tenga una superficie en la medida de lo posible grande.
El catodo esta fabricado por ejemplo, a partir de espuma de niquel o espuma de niquel platinada.
En una segunda configuracion, resulta en el primer electrodo (catodo), que esta dispuesto en el primer espacio de electrodo de la celda electroquimica y al cual se suministra una solucion electrolitica basica acuosa, por ejemplo, sosa caustica, hidrogeno segun la siguiente ecuacion:
2H2O + 2e- => H2 + 2OH- Ecuacion (3)
El hidrogeno (H2) se transporta junto con el electrolito acuoso, que se anade al primer espacio de electrodo, al segundo espacio de electrodo. Los iones producidos, en esta segunda configuracion iones de hidroxido (OH-), acceden a traves de la pila de membranas, que separa el primer espacio de electrodo del segundo espacio de electrodo, al segundo espacio de electrodo.
La pila de membranas se compone de una pluralidad de membranas de intercambio de iones y es adecuada para separar los componentes ionicos de la solucion acuosa a desalinizar y para clasificarlos segun su concentracion.
En un segundo electrodo (anodo), el cual esta dispuesto en el segundo espacio de electrodo, se produce una reaccion electroquimica segun la siguiente ecuacion:
H2 + 2OH- => 2H2O + 2e- Ecuacion (4)
De esta manera, el gas de electrolisis (hidrogeno) producido en el primer electrodo (catodo) y los iones (OH-) se transforman en el segundo electrodo (anodo) en esencial completamente en agua (H2O).
Los valores de pH de la solucion electrolitica y los potenciales estandar de los agentes reactivos son en el primer espacio de electrodo (espacio de catodo) y en el segundo espacio de electrodo (espacio de anodo) aproximadamente iguales.
La corriente continua a usar se suma a partir de los valores de sobretension anodica, sobretension catodica y la caida de tension a traves de la pila de membranas. La sobretension anodica y la sobretension catodica en los electrodos no son mayores a las que se darian en el caso de una celda de combustible separada.
La energia electrica a usar es menor que en el caso de una combinacion de una celda de electrodialisis con una celda de combustible conectada posteriormente.
Para transformar en la medida de lo posible completamente en agua el hidrogeno gaseoso contenido en el electrolito acuoso en el anodo (segundo electrodo), es necesario que el anodo tenga una superficie en la medida de lo posible grande.
El anodo esta fabricado por ejemplo a partir de espuma de niquel o espuma de niquel platinada.
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Se propone ademas de ello un dispositivo, el cual es adecuado, para llevar a cabo el procedimiento segun la invention en su primera o en su segunda configuration.
Otras caracteristicas, posibilidades de uso y ventajas de la invencion resultan de la siguiente description de ejemplos de realization de la invencion, que se representan en las figuras del dibujo. En este caso, todas las caracteristicas descritas o representadas conforman por si mismas o en cualquier combination el objeto de la invencion, independientemente de su resumen en las reivindicaciones o de su referencia, asi como independientemente de su formulation o representation en la descripcion o en el dibujo.
Muestran:
La figura 1 celda electroquimica para llevar a cabo una primera configuracion del procedimiento segun la invencion;
La figura 2 celda electroquimica para llevar a cabo una segunda configuracion del procedimiento segun la invencion;
Se usan para elementos y magnitudes equivalentes en su funcion en todas las figuras, tambien en diferentes formas de realizacion, las mismas referencias.
La figura 1 muestra en representacion esquematica una celda electroquimica 10. La celda electroquimica 10 comprende un primer espacio de electrodo 12 y un segundo espacio de electrodo 14. En el primer espacio de electrodo 14 hay dispuesto un primer electrodo 16. El primer electrodo 16 esta unido electricamente a traves de una fuente de corriente continua electrica 18 con un segundo electrodo 20.
El segundo electrodo 20 esta dispuesto en el segundo espacio de electrodo 14. El segundo espacio de electrodo 14 esta separado espacialmente del primer espacio de electrodo 12 por una pila de membranas 24, la cual comprende varias membranas 22. Los dos espacio de electrodo 12, 14 estan atravesados por una solution electrolitica acuosa. Para ello, se suministra la solucion electrolitica al primer espacio de electrodo 12, para transportarse desde alli al segundo espacio de electrodo 14.
Desde el segundo espacio de electrodo 14, se hace retornar la solucion electrolitica al primer espacio de electrodo 12. Una ramification 26 ofrece la posibilidad de reemplazar solucion electrolitica consumida.
Las membranas 22 en la pila de membranas 24 estan dispuestas con separation unas de otras, de manera que entre dos membranas adyacentes se configuran canales 28. Un canal central 28.1 esta configurado para ser cargado con una solucion acuosa a desalinizar, por ejemplo, con una solucion de cloruro de sodio.
Si la fuente de corriente continua 18 esta conmutada de tal manera, que el primer electrodo 16 presenta una polaridad positiva (anodo) y el segundo electrodo 20 una polaridad negativa (catodo), los aniones contenidos en la solucion acuosa, por ejemplo CI- pasan en la solucion acuosa desde el canal central 28.1 a traves de la membrana 22.1 en direction del primer electrodo 16 con polaridad positiva.
Los aniones son retenidos en un canal 28.2, el cual esta configurado entre la membrana 22.1 y la membrana 22.3, por la membrana 22.3, y se retiran desde alli con protones (H+) como acido, en este ejemplo de realizacion como acido clorhidrico.
Los cationes contenidos en la solucion acuosa, por ejemplo, Na+, migran por el contrario por la membrana 22.2 en direccion del segundo electrodo 20 con polaridad negativa. Los cationes son retenidos en un canal 28.3, el cual esta configurado entre la membrana 22.2 y la membrana 22.4, por la membrana 22.4, y se retiran desde alli junto con iones de hidroxido (OH-) como solucion alcalina, en este ejemplo de realizacion como sosa caustica.
Despues de que los iones contenidos en la solucion acuosa a desalinizar se han difundido a traves de las membranas 22 a canales adyacentes 28.2 o 28.3, puede retirarse del canal central 28.1 liquido desalinizado, en este caso por ejemplo, agua.
La tension electrica aplicada entre los electrodos 16, 20 provoca tambien, que en el primer electrodo positivo 16 se produzca la siguiente reaction electrolitica:
2H2O => O2 + 4H+ + 4e- Ecuacion (1)
Los protones H+ resultantes como iones migran a traves de la pila de membranas hacia el segundo electrodo negativo 20.
El oxigeno elemental (O2) producido como gas electrolitico se transporta junto con la solucion de limpieza desde la primera camara de electrodo 12 a la segunda camara de electrodo 14. De esta manera, en el segundo electrodo negativo 20 dispuesto alli, se da la siguiente reaccion:
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O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O Ecuacion (2)
El gas de electrolisis (oxigeno elemental, O2) se transforma en la segunda camara de electrodo 14 con el ion (proton, H+) producido en el primer electrodo positivo mediante la absorcion de electrones (e-), en agua (H2O).
Para que el gas de electrolisis contenido en la solucion de limpieza se transforme en la medida de lo posible completamente, se prefiere el uso de un segundo electrodo 20, que presente una superficie en lo posible grande.
Un material de electrodo concebible para el segundo electrodo 20 es la espuma de niquel, que puede estar provista tambien de platino.
Los valores de pH en el primer espacio de electrodo y en el segundo espacio de electrodo sin aproximadamente iguales.
La figura 2 muestra la celda electroquimica 10 de la figura 1. A diferencia de la figura 1, la fuente de tension continua 18 esta conmutada en este caso no obstante de tal manera, que el primer electrodo 16 presenta una polaridad negativa y el segundo electrodo 20 una polaridad positiva.
La tension electrica aplicada provoca que en el primer espacio de electrodo 14 en el primer electrodo con carga negativa, el agua del electrolito basico contenido en este, se disocie de la siguiente manera:
2H2O + 2e- => H2 + 2OH- Ecuacion (3)
Como gas de electrolisis resulta en el caso de la segunda configuracion del procedimiento segun la invention representada aqui, hidrogeno basico (H2), que se transporta junto con el electrolito acuoso a la segunda camara de electrodo. Los iones (iones de hidroxido, OH-) producidos en la primera camara de electrodo migran a traves de la pila de membranas hacia el segundo electrodo 20 positivo.
Propiciada por la solucion electrolitica basica, en el segundo electrodo positivo 20, se produce la siguiente reaction: H2 + 2OH- => 2H2O + 2e- Ecuacion (4)
El gas de electrolisis (hidrogeno elemental, H2) se transforma en la segunda camara de electrodo 14, junto con el ion (ion de hidroxido, OH-) producido en el primer electrodo negativo 16, mediante la entrega de electrones (e-), en agua (H2O).
Para que el gas de electrolisis contenido en la solucion de limpieza se transforme en la medida de lo posible completamente, es preferible usar un segundo electrodo, el cual presente una superficie en lo posible grande.
Un material de electrodo concebible para el segundo electrodo 20 es la espuma de niquel, que puede estar provista tambien de platino.
Los valores de pH en el primer espacio de electrodo y en el segundo espacio de electrodo son aproximadamente iguales.

Claims (7)

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    10
    15
    20
    25
    30
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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para la desalinizacion de soluciones acuosas mediante electrodialisis en una celda electroqmmica (10), que comprende un primer electrodo (16) y un segundo electrodo (20), y presentando el segundo electrodo (20) una polaridad opuesta a la del primer electrodo, estando dispuestas entre el primer electrodo (16) y el segundo electrodo (20) dos membranas (22.3 y 22.4), produciendose en el primer electrodo (16) un gas de electrolisis e iones, caracterizado por que el gas de electrolisis y los iones se transforman en el segundo electrodo (20), por que los aniones comprendidos en la solucion acuosa migran a traves de una primera membrana adicional (22.1) en direccion del primer electrodo (16) con polaridad positiva, y por que los cationes comprendidos en la solucion acuosa migran a traves de una segunda membrana adicional (22.2) en direccion del segundo electrodo (20) con polaridad negativa, y por que el segundo electrodo (20) consiste en espuma de niquel o en espuma de niquel platinada.
  2. 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el gas de electrolisis se transporta con una solucion electrolitica acuosa desde un primer espacio de electrodo (12) a un segundo espacio de electrodo (14).
  3. 3. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los iones producidos en el primer electrodo (16) acceden a traves de una pila de membranas (24) de la celda electrolitica (10) desde el primer espacio de electrodo (12) al segundo espacio de electrodo (14).
  4. 4. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el gas de electrolisis producido en el primer electrodo (16) comprende oxigeno elemental (O2) y los iones comprenden protones (H+).
  5. 5. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el gas de electrolisis producido en el primer electrodo (16) comprende hidrogeno elemental (H2) y los iones comprenden iones de hidroxido (OH-).
  6. 6. Dispositivo para la desalinizacion de soluciones acuosas mediante electrodialisis, segun un procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, que comprende una celda electroquimica (10), la cual presenta un primer espacio de electrodo (12) y un segundo espacio de electrodo (14), estando separado el primer espacio de electrodo (12) del segundo espacio de electrodo (14) por una pila de membranas (24) y estando dispuesto en el primer espacio de electrodo (12) un primer electrodo (16) y en el segundo espacio de electrodo (14) un segundo electrodo (20) y presentando los dos electrodos (16, 20) una polaridad opuesta correspondiente, caracterizado por que el dispositivo presenta medios que son adecuados para transportar una solucion electrolitica acuosa, la cual se suministra al primer espacio de electrodo (12), junto con el gas de electrolisis producido en el primer electrodo (16), del primer espacio de electrodo (12) al segundo espacio de electrodo (14), por que la pila de membranas (24) comprende cuatro membranas (22.1 a 22.4), por que una primera membrana (22.1) y una segunda membrana (22.2) delimitan un canal central (28.1), por que la tercera membrana (22.3) esta dispuesta entre la primera membrana
    (22.1) y el electrodo positivo (16), y por que la cuarta membrana (22.4) esta dispuesta entre la segunda membrana
    (22.2) y el electrodo negativo (20), y por que el segundo electrodo (20) consiste en espuma de niquel o en espuma de niquel platinada.
  7. 7. Dispositivo segun la reivindicacion 6, caracterizado por que presenta una pila de membranas (24), la cual es permeable a los iones que se producen en el primer electrodo (16).
ES13786277.7T 2012-11-15 2013-11-06 Procedimiento y dispositivo para la desalinización de soluciones acuosas mediante electrodiálisis Active ES2634338T3 (es)

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