ES2871249T3 - Sistema de electrolización de agua de alto volumen y método de uso - Google Patents

Abstract

Un sistema de electrolización (10) para electrolizar una solución de salmuera de agua e iones de una sal alcalina para producir agua electrolizada ácida y agua electrolizada alcalina, comprendiendo el sistema: un recipiente (18) para contener la solución de salmuera que comprende cationes y aniones y que define un baño de salmuera (16); un cartucho electrolítico (11) dispuesto en dicho recipiente y sumergido en el baño de salmuera; un suministro de potencia de corriente continua; comprendiendo dicho cartucho electrolítico una célula catódica (14) y una célula anódica (15); caracterizado por: dicha célula catódica que incluye un par de electrodos catódicos (C1, C2) conectado al suministro eléctrico de corriente continua que carga negativamente los electrodos catódicos; un soporte de electrodo catódico (20) que soporta dichos electrodos catódicos en relación coplanar espaciada lateralmente uno al lado del otro en respectivas cámaras selladas entre sí; una membrana permeable a cationes (21) dispuesta sobre un lado de cada uno de dichos electrodos catódicos que define un espacio entre cada electrodo catódico y la membrana permeable a cationes a través de la cual los cationes de la solución de salmuera pueden entrar a través de la membrana permeable a cationes; cada uno de dichos espacios entre los electrodos catódicos y la membrana permeable a cationes que están en comunicación con una entrada de suministro de agua dulce (55) en un extremo de entrada del espacio y en comunicación con una salida de producto químico de limpieza (56) en un extremo de salida del espacio; dichos espacios entre dichos electrodos catódicos y la membrana permeable a cationes que están sellados entre sí y la solución de salmuera de manera que la única trayectoria para que la solución de salmuera entre en los espacios es a través de la membrana permeable a cationes; dicha célula anódica que incluye un par de electrodos anódicos (A1, A2) conectado al suministro eléctrico de corriente continua que carga positivamente los electrodos anódicos; un soporte de electrodo anódico (40) que soporta dichos electrodos anódicos en relación coplanar espaciada lateralmente uno al lado del otro en respectivas cámaras selladas entre sí; una membrana permeable a aniones (42) dispuesta sobre un lado de dichos electrodos anódicos que define un espacio entre cada electrodo anódico y la membrana permeable a aniones a través de la cual pueden entrar aniones de la solución de salmuera a través de la membrana permeable a aniones;

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de electrolización de agua de alto volumen y método de uso

Referencia cruzada a solicitud relacionada

Esta solicitud de patente reivindica el beneficio de la solicitud de patente provisional estadounidense n.° 62/174.791, presentada el 12 de junio de 2015.

Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a sistemas para producir soluciones electroquímicamente activadas (por ejemplo, agua electrolizada) para producir simultáneamente agua electrolizada alcalina y agua electrolizada ácida.

El documento US2011/259760 da a conocer un sistema de electrolización para electrolizar una solución de salmuera de agua y una sal alcalina para producir agua electrolizada ácida y agua electrolizada alcalina. El sistema incluye una cámara interna para recibir la solución de salmuera y dos células electrolizadoras sumergidas en un baño de salmuera. Cada célula electrolizadora incluye un electrodo al menos una membrana permeable a iones soportada en relación con el electrodo para definir una comunicación espacial entre un suministro de agua dulce y una salida de producto químico en la que la salmuera entra solo a través de la membrana. Uno de los electrodos está acoplado a un suministro eléctrico de carga positiva y el otro a un suministro eléctrico de carga negativa.

El documento US2010/044241 da a conocer un método electroquímico para la producción de un producto oxidante a base de cloro, tal como hipoclorito de sodio. El método puede usarse potencialmente para producir hipoclorito de sodio a partir de agua de mar o soluciones salinas basadas en NaCl no ablandadas o de baja pureza. El método utiliza membranas cerámicas conductoras de cationes alcalinos tales como membranas basadas en material de tipo Na-SICON y membranas de polímero orgánico en células electroquímicas para producir hipoclorito de sodio. Generalmente, la célula electroquímica incluye tres compartimentos y el primer compartimento contiene un anolito que tiene un pH básico.

El documento WO2010/093716 da a conocer un sistema de producción alcalino que comprende una unidad electroquímica que comprende un ánodo oxidante de hidrógeno, un compartimento catódico que comprende un cátodo y un sistema de administración de hidrógeno configurado para administrar gas hidrógeno al ánodo, en el que la unidad está conectada operativamente a un sistema de captura de carbono configurado para capturar dióxido de carbono con el electrolito catódico; y métodos del mismo. En otra realización, un sistema que comprende un ánodo oxidante de hidrógeno en comunicación con un electrolito catódico que comprende ion bicarbonato; y un sistema de administración de hidrógeno configurado para administrar gas hidrógeno al ánodo y métodos del mismo.

Antecedentes de la invención

Se conocen sistemas que electrolizan especies iónicas que contienen agua (por ejemplo, sales alcalinas) para producir agua electrolizada ácida y agua electrolizada alcalina. El agua electrolizada ácida puede ser un agente de esterilización fuerte que se usa cada vez más en una variedad de aplicaciones de higienización, incluyendo en las industrias médicas, agrícolas y de procesamiento de alimentos y en otros entornos institucionales. El agua electrolizada básica o alcalina también tiene un efecto detergente y es útil en muchas aplicaciones de limpieza. El cloruro de sodio se usa comúnmente como la sal alcalina que se disuelve en el agua porque produce ácidos y bases que son respetuosos con el medioambiente, potentes y de bajo coste.

Los sistemas de agua de electrolización disponibles comercialmente tienen una serie de inconvenientes. Los grandes usuarios comerciales de tales sistemas pueden requerir cantidades significativas de agua electrolizada a diario. Dado que la mayoría de los sistemas de electrolización disponibles son relativamente lentos en el procesamiento del agua alcalina y ácida electrolizada, producir grandes cantidades puede ser tedioso y llevar mucho tiempo, a veces dando como resultado un suministro inadecuado para las necesidades comerciales. Si bien puede lograrse una mayor producción aumentando el número de pares de células de electrolización según los diseños de células existentes, tal enfoque aumenta proporcionalmente el coste del sistema. Además, muchos usuarios comerciales requieren significativamente más limpiadores alcalinos que esterilizantes ácidos. Dado que ambos se electrolizan simultáneamente, para producir cantidades suficientes del limpiador, a menudo deben desecharse cantidades excesivas del esterilizante producido.

Los contenidos (por ejemplo, impurezas) de agua dirigida al sistema electrolizador puede afectar además la calidad del agua electrolizada alcalina y ácida procesada. En algunas condiciones, para lograr un pH óptimo del limpiador alcalino, el agua electrolizada ácida (el esterilizante) puede tener un pH tan bajo que el ácido sea inestable para un uso seguro o eficaz. Para corregir ese problema, el pH del limpiador alcalino puede verse afectado de manera no deseada.

Además, si las membranas permeables a iones de las células electrolíticas del sistema no se ensamblan y se mantienen en cierta relación espacial (por ejemplo, relación paralela) con respecto a las placas de electrodo, el proceso de electrolización puede alterarse nuevamente. De manera similar, si se aumenta la presión del líquido a través de la célula electrolizadora en un esfuerzo por aumentar la velocidad de procesamiento, la alineación de la membrana puede distorsionarse con el intercambio iónico inadecuado resultante. El aumento del caudal a través de la célula a presiones de líquido más altas puede limitar además el tiempo para un intercambio iónico adecuado. El aumento del suministro de potencia a las células de electrodo para aumentar la producción también puede afectar negativamente al pH de las aguas electrolizadas alcalinas o ácidas.

Objetos y sumario de la invención

Según la invención, se proporciona un sistema de electrolización según la reivindicación 1 de las reivindicaciones adjuntas.

Es un objeto de la presente invención proporcionar un sistema de electrolización que puede hacerse funcionar para producir de manera económica mayores cantidades de agua electrolizada dentro de los intervalos de pH prescritos para un uso óptimo.

Otro objeto es proporcionar un sistema de electrolización como se ha caracterizado anteriormente que tiene una construcción de célula electrolizadora que permite una mayor producción de agua electrolizada.

Un objeto adicional es proporcionar un sistema de electrolización del tipo mencionado anteriormente que puede hacerse funcionar para producir mayores cantidades de agua electrolizada alcalina que agua electrolizada ácida, según los requisitos de un usuario.

Otro objeto más es proporcionar un sistema de electrolización del tipo anterior que puede controlarse para producir agua electrolizada alcalina y agua electrolizada ácida con intervalos de pH para un uso óptimo a pesar de la dureza o blandura del agua de entrada al sistema.

Otro objeto más es proporcionar un sistema de electrolización de este tipo que incluye un sistema de acondicionamiento de agua (por ejemplo, ablandamiento, ósmosis inversa) para ablandar agua antes de la dirección a un electrolizador y en el que se utiliza toda la salida del ablandador para producir agua electrolizada alcalina y agua electrolizada ácida dentro de intervalos de pH óptimos.

Un objeto adicional más es proporcionar un sistema de electrolización del tipo mencionado anteriormente que es relativamente simple de diseñar y conduce por sí mismo a la fabricación económica.

Otros objetos y ventajas de la invención serán evidentes al leer la siguiente descripción detallada y al hacer referencia a los dibujos, en los que:

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una representación esquemática de un cartucho de célula de electrodo que incorpora la presente invención sumergido en un baño de salmuera;

la figura 2 es una perspectiva ampliada del cartucho de célula de electrolización ilustrado representado en la figura 1; la figura 3 es una perspectiva en despiece ordenado del cartucho de célula mostrado en la figura 2;

la figura 4 es una perspectiva de sección vertical parcial ampliada de un cartucho de célula ilustrado según la invención; la figura 5 es una sección parcial ampliada del cartucho de célula mostrado en la figura 4;

la figura 6 es un plano del lado interno del soporte de electrodo catódico del cartucho de célula ilustrativo;

la figura 7 es una perspectiva ampliada de uno de los electrodos catódicos del cartucho de célula ilustrativo;

la figura 8 es una perspectiva de la membrana de intercambio iónico de la célula catódica del cartucho de célula ilustrado;

la figura 9 es una perspectiva de la placa divisoria de centro central del cartucho de célula ilustrativo con elementos de sujeción representados esquemáticamente a través de aberturas de sujeción de la placa divisoria;

la figura 10 es una vista en alzado lateral del divisor mostrado en la figura 9;

la figura 11 es una perspectiva de un lado interno del soporte para la célula anódica del cartucho de célula ilustrado; la figura 12 es una perspectiva de uno de los electrodos anódicos de la célula anódica del cartucho de célula ilustrado;

la figura 13 es una perspectiva de la membrana de intercambio iónico de la célula anódica del cartucho de célula ilustrativo;

la figura 14 es una vista en alzado lateral del soporte anódico del cartucho de célula ilustrativo con una junta de sellado montada sobre el mismo;

la figura 15 es un diagrama de flujo de un sistema a modo de ejemplo;

la figura 16 es un diagrama eléctrico del sistema a modo de ejemplo de la figura 15;

la figura 17 es un diagrama de flujo de un sistema a modo de ejemplo adicional que incorpora ósmosis inversa; y

la figura 18 es un diagrama eléctrico del sistema a modo de ejemplo adicional de la figura 17.

Si bien la invención es susceptible de diversas modificaciones y construcciones alternativas, determinadas realizaciones ilustrativas de la misma se han mostrado en los dibujos y se describirán a continuación en detalle. Debe entenderse, sin embargo, que no hay intención de limitar la invención a las formas específicas dadas a conocer, pero por el contrario, la intención es cubrir todas las modificaciones, construcciones alternativas, y equivalentes que caen dentro del alcance de la invención como se define por las reivindicaciones adjuntas.

Descripción de las realizaciones preferidas

Haciendo referencia ahora más particularmente a las figuras 1-14, de los dibujos, se muestra un sistema de electrolización de alto volumen ilustrativo 10 según la invención que puede hacerse funcionar para electrolizar una solución de agua y sal (por ejemplo, sal inorgánica) para producir agua electrolizada alcalina o básica y agua electrolizada ácida. El sistema de electrolización 10 ilustrado comprende un cartucho 11 que contiene tanto células electrolíticas catódicas como anódicas 14, 15 respectivamente, sumergido en un baño de salmuera abierto 16 contenido dentro de un recipiente 18.

Según una característica importante de esta realización, la célula electrolizada catódica 14 está diseñada para producir una salida de alto volumen de agua electrolizada alcalina o básica mientras que la célula electrolizada anódica 15 se hace funcionar para producir una cantidad menor de agua electrolizada ácida consistente con las necesidades de un usuario. Para este fin, la célula electrolizadora catódica 14 ilustrada comprende un par de electrodos catódicos que pueden cargarse negativamente C1, C2, un soporte de electrodo 20 dentro del cual están montados los electrodos C1, C2, una membrana permeable de intercambio iónico catiónico o positiva 21, una junta de sellado 22, y una placa de soporte de membrana y divisoria 24 (figura 3).

Los electrodos catódicos C1, C2, en este caso, están montados en relación coplanar uno al lado del otro adyacentes a las respectivas cámaras 23 (figura 6) en el soporte de electrodo 20. Los electrodos C1, C2 en este caso están soportados con los bordes periféricos de sus lados adyacentes en relación lateralmente espaciada uno al lado del otro entre sí. Con el fin de aumentar el área superficial de los electrodos catódicos C1, C2 para intercambio iónico mejorado durante el funcionamiento del sistema, los electrodos C1, C2 comprenden cada uno un par de placas de malla de titanio 25 (figura 7) soportadas en relación paralela cercana una al lado de la otra. Las placas espaciadoras 26 están soldadas entre las dos placas de malla 25 de cada electrodo C1, C2 para crear una conexión tanto estructural como eléctrica entre las placas 26 mientras que se mantiene una separación constante. Cada uno de los electrodos C1, C2 tiene un pasador de conexión eléctrica respectivo 27 que sobresale hacia fuera desde una ubicación central del electrodo C1, C2 para la unión a un cable eléctrico respectivo y para proporcionar potencia a los electrodos, tal como se hará evidente. Cada pasador de conexión eléctrica 27 en este caso está soldado a una placa conectora respectiva 28 que a su vez está soldada a un lado exterior de la placa de malla 26 del electrodo catódico C1, C2 que se orienta hacia la pared interior de la cámara de soporte 23. Cada pasador 27 en este caso está roscado externamente para facilitar el acoplamiento a un cable de suministro eléctrico.

El soporte de electrodo 20 está diseñado para soportar los electrodos catódicos C1, C2 de manera que existe una cavidad o espacio 30 (figuras 1, 4 y 5) entre cada cátodo C1, C2 y una pared lateral interior del soporte de electrodo 20. Cualquiera o ambos cátodos C1, C2 está soportado por el pasador de conexión eléctrica respectivo 27. En algunas realizaciones, el soporte de electrodo 20 puede incorporar además resaltes rebajados 32 (figura 6) para soportar los extremos superior e inferior de los electrodos C1, C2 en relación separada predeterminada con la pared lateral interior del soporte de electrodo catódico 20. En tal posición, el pasador de conexión eléctrica 27 de cada electrodo sobresale a través de una abertura respectiva dispuesta centralmente dentro de una pared lateral adyacente del soporte con una junta tórica apropiada alrededor del pasador 27 para sellar la solución de salmuera desde la entrada al interior del cartucho 11. La junta 22 en este caso define ventanas rectangulares 22a que rodean los electrodos catódicos C1, C2 eficaz para sellar el perímetro de los electrodos C1, C2 entre sí y el baño de salmuera exterior, como será evidente.

La membrana de intercambio iónico positivo 21 (es decir, catión) puede hidratarse antes del ensamblaje y se mantiene en cierta relación espacial, para este caso, relación paralela, con respecto al electrodo catódico C1, C2 por la placa divisoria 24 que sirve para el doble propósito de capturar la membrana 21 de tal manera que no puede empujarse lejos de los electrodos C1, C2 debido a las presiones de célula internas y que proporciona además pasos de flujo para permitir que la salmuera del baño 16 circule tanto entre la célula catódica 14 como la célula anódica 15. La placa divisoria 24 en este caso, como se representa en las figuras 9 y 10, tiene una estructura de rejilla que define los pasos de flujo de líquido 35, 36 alrededor del perímetro y el área central de la placa divisoria 24, respectivamente.

La célula anódica 15, como la célula catódica 14, comprende un par de electrodos A1, A2, en este caso, que puede cargarse positivamente, un soporte de electrodo anódico 40, una junta 41, y una membrana permeable a aniones o negativa 42 colocada adyacente y soportada por un lado opuesto de la placa divisoria 24 opuesta a la membrana de cátodo 21. Los electrodos anódicos A1, A2 en este caso tienen un diseño de placa plana ininterrumpida, preferiblemente titanio recubierto (figura 12). Un pasador de conexión eléctrica similar a los electrodos catódicos de nuevo se suelda centralmente sobre el lado de cada uno de los electrodos A1, A2 para colocarse a través de una abertura respectiva en una pared lateral del soporte de electrodo anódico 40. Un anillo de sellado apropiado se dispone de nuevo alrededor del pasador de conexión eléctrica y la abertura de acceso en el soporte.

A diferencia de los electrodos catódicos C1, C2, los electrodos anódicos A1, A2 están montados inmediatamente adyacentes, en relación de contacto con la pared interior de un soporte anódico 40. Una junta 41, similar a la junta catódica 22, define ventanas para rodear y sellar los electrodos anódicos A1, A2 individualmente dentro del soporte 40. En determinadas realizaciones de los sistemas, electrodos anódicos A1, A2 están dimensionados para ocupar menos de todo el espacio de la cámara del soporte 40 en el que están ubicados, para definir un pasaje de flujo auxiliar 43 (figura 14) alrededor del perímetro exterior de los electrodos anódicos A1, A2 para permitir un flujo de líquido auxiliar con el fin de ayudar a estabilizar el pH de al menos el ácido, si no ambos productos. La utilización de un electrodo anódico más pequeño permite que el agua pase entre los electrodos anódicos A1, A2 y la membrana 42, pero también alrededor del perímetro de los electrodos anódicos A1, A2 (es decir, un “flujo de combinación”), permitiendo de ese modo un mayor flujo sin problemas de presión. Se cree que el flujo de combinación permite el mantenimiento de cierta relación espacial entre los electrodos anódicos A1, A2 y la membrana 42 mientras permiten más tiempo de permanencia para el fluido en la cámara, que a su vez se cree que aumenta el cloro activo libre en el ácido y logra un pH preferido del producto resultante.

Según una característica adicional del sistema electrolizador ilustrado 10, las células catódicas y anódicas 14, 15 están aseguradas entre sí para formar un cartucho singular 11 para un fácil montaje dentro del baño de salmuera 16 y un uso eficiente y fiable. Para este fin, los soportes de electrodo catódico y anódico 20, 40, las membranas 21, 42, las juntas de sellado 22, 41, y la placa divisoria 24 están formados con matrices rectangulares de aberturas de recepción de perno de montaje alineadas 45 que rodean los electrodos para recibir pernos de fijación 46, preferiblemente hechos de nylon u otro material no metálico y asegurados por tuercas de fijación de nylon 48 (figura 5). En estado ensamblado y durante el uso del cartucho 11, la placa divisoria central 24 mantendrá las membranas 21, 42 en relación paralela a las placas de electrodos C1, C2, A1, A2 para un procesamiento óptimo. “En relación paralela” puede usarse para describir la placa divisoria central y/o las placas de electrodo que son planas y paralelas, pero también puede usarse para describir la placa divisoria central y/o las placas de electrodo que tienen alguna curvatura (una o más placas divisorias centrales y/o placas de electrodo) pero están dispuestas de una manera que sería paralela en ausencia de la curvatura. Para este fin, las juntas 22, 41 y sus montajes están diseñados para garantizar que no impidan la alineación paralela de los componentes de cartucho. Las juntas 22, 41 están formadas de material deformable, tal como caucho de silicona, y cada uno tiene un grosor transversal mayor que la profundidad de las ranuras de recepción 50 en los soportes 20, 40 en las que están montados. Tras la fijación de los componentes de cartucho mediante los pernos de sujeción 46, las juntas 22, 41 se comprimen transversalmente completamente dentro de las ranuras de recepción 50. En tal condición comprimida, las juntas 22, 41 efectúan un sellado fiable alrededor de los electrodos ensamblados A1. A2, C1, C2, mientras que se garantiza que las juntas 22, 41 no presentan una superficie de asiento irregular que pudiera conducir a una alineación no paralela de los componentes de cartucho como resultado del apriete de los pernos de retención 46 con diferentes fuerzas. En la realización ilustrada, las ranuras de recepción pueden tener una profundidad de 0,508 mm (0,020 pulgadas) y las juntas tienen un espesor de 0,635 mm (0,025 pulgadas). Por lo tanto, los pernos 46 pueden asegurarse con un par de fuerzas predeterminado que garantiza tanto el contacto de sellado adecuado como la alineación de los componentes del conjunto, y particularmente la alineación de los electrodos A1, A2, C1, C2 y las membranas 21, 42.

Con el cartucho ensamblado 11 soportado dentro del baño de salmuera 16, se permite que la salmuera circule libremente a través de la placa divisoria 24 para un intercambio iónico eficiente a través de las membranas 21, 42 sobre cada lado de la placa divisoria 24. Un par de orificios de entrada de agua 55 (figura 6) que se comunica a través de un lado del soporte catódico 20 adyacente a una parte inferior del soporte 20 permite que las corrientes de flujo de agua progresen por separado a través de las cámaras que contienen individualmente los electrodos catódicos C1, C2. El soporte de electrodo 20 tiene de manera similar un par de orificios de salida 56 adyacentes a una parte superior del soporte a través de los cuales el agua alcalina electrolizada procesada sale de las cámaras que contienen el cátodo del soporte 20. Se apreciará que el paso de agua en tales direcciones ascendentes evita áreas estancadas y acumulación de gas dentro de las cámaras catódicas que pueden impedir un intercambio eficiente.

Según otra característica importante de esta realización, las cavidades 30 (figuras 1, 4 y 5) definidas entre la pared interior del soporte de electrodo catódico 20 y los electrodos catódicos C1, C2 permiten un mayor flujo de fluido a través de la célula catódica 14 con un tiempo de permanencia en la célula para mejorar el intercambio iónico de la salmuera circulante. Esto se hace sin aumentar la separación crítica entre los electrodos catódicos C1, C2 y la membrana 21. En cambio, una parte del flujo de líquido desde las entradas 55 puede evitar los pequeños espacios libres entre los electrodos catódicos C1, C2 y la membrana 21, que de otro modo podrían provocar una mayor acumulación de presión, mayores tensiones sobre la membrana, y una mayor velocidad de flujo a través de la célula con un tiempo de permanencia insuficiente para un intercambio iónico adecuado. En determinadas realizaciones, las cavidades 30 tienen una profundidad D de al menos 2 veces la separación entre la membrana y los electrodos catódicos, incluyendo al menos 10 veces la separación entre la membrana y los electrodos catódicos. En determinadas realizaciones, las cavidades 30 tienen una profundidad D de aproximadamente 2 veces a aproximadamente 100 veces la separación entre la membrana y los electrodos catódicos, incluyendo de aproximadamente 10 veces a aproximadamente 50 veces la separación entre la membrana y los electrodos catódicos. En una realización típica, la separación entre la membrana y el electrodo catódico es 0,508 mm (0,02 pulgadas) y la profundidad de la cavidad es 12,7 mm (0,5 pulgadas).

Como se describe en el presente documento, cuando se sumerge en solución de salmuera del baño de salmuera abierto 16 y se dota de una fuente de agua dulce y se conecta a fuentes de alimentación de corriente continua, el cartucho 11 puede utilizarse para producir agua electrolizada ácida y agua electrolizada alcalina. Agua dulce (por ejemplo, agua ablandada) 130 entra en la célula electrolizada catódica 14 para ponerse en contacto con cada electrodo catódico C1, C2. Cuando se alimenta de potencia, se extraen iones positivos (por ejemplo, Na+) de la solución de salmuera del baño de salmuera abierto 16, a través de membranas de intercambio iónico catiónico 21, y en un flujo de agua dulce que entra en contacto con los electrodos catódicos C1, C2.

Se ha encontrado que el diseño único de la célula catódica 14 permite la producción alta de flujo de una concentración de catolito lista para usar. A partir de lo anterior, puede verse que el soporte catódico 20 es efectivo para retener los electrodos catódicos C1, C2 a una distancia apropiada de la membrana de intercambio iónico catiónico 21 para una eficiencia eléctrica y concentración de catolito óptimas. Las trayectorias de flujo dual alrededor de la membrana 21 permiten que el catolito altamente concentrado producido entre los electrodos catódicos y la membrana 21 se mezcle fácilmente con la corriente de solución que pasa detrás de los electrodos catódicos C1, C2. Esto diluye eficazmente el catolito a una concentración lista para usar internamente dentro de la célula catódica 14. Por lo tanto, el usuario nunca tiene acceso externo o exposición a la corriente de catolito concentrada entre los electrodos catódicos C1, C2 y la membrana 21. Las cavidades o cámaras relativamente más profundas 30 detrás de los electrodos catódicos C1, C2 también permiten un mayor flujo a través de las cavidades o cámaras 30 a una presión manejable mientras aumenta el tiempo de permanencia que la solución permanece en las cámaras para un flujo dado, lo que a su vez aumenta la concentración del catolito. Los orificios de salida 56 pueden diseñarse además para mantener la presión dentro de la célula catódica 14 a un nivel manejable.

El diseño del electrodo catódico de doble placa maximiza el área de superficie de contacto entre las superficies de electrodo y la corriente de agua de entrada, lo que aumenta adicionalmente la eficiencia de la producción de electrolito. El área de superficie de electrodo grande por cantidad dada de energía eléctrica aplicada y volumen de agua a su vez facilita la creación de una mayor concentración de catolito. Las superficies metálicas de placa catódica expandida permiten además que la corriente de agua de entrada se desplace en los espacios entre los electrodos catódicos C1, C2 y la membrana 21 y entre los electrodos C1, C2 y el soporte de electrodo 20. Esto permite que el catolito de alta concentración producido entre los electrodos catódicos C1, C2 y la membrana 21 se mezcle fácilmente con la corriente de solución que pasa detrás de las placas de electrodo, que diluye eficazmente el catolito a su estado listo para usar. El catolito de alta concentración pasa internamente en la célula catódica 14 por lo que, como se indica, el usuario nunca tiene acceso externo a la corriente de catolito altamente concentrado. Las superficies de electrodo metálico expandido también introducen turbulencias en las corrientes de solución que limitan la capacidad de las burbujas de gas hidrógeno para acumularse en las superficies de electrodo catódico. Esto aumenta efectivamente la eficiencia de la producción de catolito manteniendo el área de contacto máxima de la solución con los electrodos catódicos C1, C2. También elimina la capacidad de formarse grandes burbujas de gas que potencialmente provoquen aumentos de temperatura localizados y posible fallo prematuro de la célula catódica.

El diseño de célula anódico único permite el flujo especificado de anolito de concentración listo para usar a un pH preferiblemente entre 5 y 6. El soporte de electrodo anódico 40 está diseñado de nuevo para soportar los electrodos anódicos A1, A2 a la distancia apropiada de la membrana permeable a aniones o negativa 42 para una eficiencia eléctrica optimizada y concentración de anolito. El soporte de electrodo 40 en este caso crea una configuración de trayectoria de flujo doble diferente que facilita el anolito de alta concentración producido entre los electrodos anódicos A1, A2 y la membrana 42 para mezclarse fácilmente con la corriente de solución que pasa a través de los pasos auxiliares 43 alrededor de los perímetros exteriores de los electrodos anódicos A1, A2. Esta disposición de flujo doble se logra mediante el soporte de electrodo anódico que tiene cámaras más anchas que los electrodos (10,16 cm (4 pulgadas) de anchura de cámara v. 7,62 cm (3 pulgadas) de anchura de electrodo) de manera que las corrientes de flujo dual o auxiliar a través de los pasos auxiliares 43 diluye eficazmente el anolito a su concentración lista para usar internamente en la célula anódica. Por lo tanto, de nuevo, el usuario nunca tiene acceso externo a la corriente de anolito concentrado. La célula anódica 15 permite el control de pH de anolito mezclando fácilmente la corriente de pH bajo ubicada entre los electrodos anódicos A1, A2 y la membrana 42 con la corriente de pH más alto pasando alrededor del perímetro de los electrodos anódicos A1, A2. Por lo tanto, el usuario no tiene acceso externo a una corriente de anolito que no esté entre el intervalo de pH preferido de 5 y 6. Las corrientes de flujo auxiliares disminuyen aún más la presión dentro de la célula anódica 15 aumentando el área de sección transversal de la corriente de flujo sin afectar la membrana crítica y la separación de electrodo anódico.

La figura 15 ilustra una realización a modo de ejemplo de un sistema que incluye caudales a modo de ejemplo. Las células catódicas y anódicas 14, 15 tienen electrodos catódicos y anódicos C1, C2, A1 y A2 como se describió anteriormente. Un suministro de agua blanda 130 alimenta los electrodos catódicos C1 y C2. El electrodo catódico C1 (es decir, un primer electrodo catódico) genera el producto 150 (es decir, agua electrolizada alcalina) en, por ejemplo, 6,06 litros/min (1,6 GPM) y el electrodo catódico C2 (es decir, un segundo electrodo catódico) genera una corriente de alimentación alcalina 160, que se dirige para alimentar los electrodos anódicos A1 y A2 (es decir, un primer electrodo anódico y un segundo electrodo anódico). En la realización ilustrada, los electrodos anódicos A1 y A2 generan, por ejemplo, un total de 2,27 litros/min (0,6 GPM) de producto 170 (agua electrolizada ácida), cuyo pH puede monitorizarse mediante, por ejemplo, sensor de pH 175.

En determinadas realizaciones, los electrodos catódicos C1, C2 pueden hacerse funcionar en un modo de “corriente escalonada”, que se representa en las figuras 15 y 16, particularmente la figura 16, que ilustra un esquema eléctrico a modo de ejemplo para la realización de la figura 15. Por ejemplo, el electrodo catódico C1 puede hacerse funcionar a un caudal de agua y corriente eléctrica mayores que el electrodo catódico C2, lo que puede hacerse para impulsar una mayor producción de producto 150 (es decir, agua electrolizada alcalina). En determinadas realizaciones, el electrodo catódico C1 se hace funcionar a una corriente de aproximadamente 2 a aproximadamente 5 veces mayor que el electrodo catódico C2. Como se ilustra en la figura 16, un ejemplo de corriente escalonada es el siguiente: el electrodo catódico C1 se hace funcionar a -25 A, mientras que el electrodo catódico C2 se hace funcionar a -10 A, pasando la corriente positiva correspondiente a un(os) electrodo(s) anódico(s) apropiado(s). Otra función del modo de “corriente escalonada” es aliviar la corriente total colocada sobre un electrodo anódico. La reducción y/o el equilibrio de corriente a través de dos ánodos permite el control del pH del agua electrolizada alcalina y/o el agua electrolizada ácida. En determinadas realizaciones que utilizan el modo de corriente escalonada, al menos tres fuentes de alimentación (por ejemplo, PS 1, PS 2 y PS 3) están conectadas a los electrodos catódicos y anódicos C1, C2, A1, A2.

En las realizaciones ilustradas, ilustradas en las figuras 15 y 16, el producto del electrodo catódico C1 150 es agua electrolizada alcalina y sale del sistema. El producto 150 y puede utilizarse como, por ejemplo, limpiador alcalino. En determinadas realizaciones, el sistema 10 se hace funcionar para producir un producto de electrodo catódico C1 (es decir, el producto 150) que tiene un pH de aproximadamente 10 a aproximadamente 13, incluyendo un pH de aproximadamente 11,5 a aproximadamente 12,5, y un producto de electrodo catódico C2 (es decir, la corriente de alimentación alcalina 160) que tiene un pH superior a 7, por ejemplo, de aproximadamente 8 a aproximadamente 12.

En las realizaciones ilustradas, ilustradas en las figuras 15-16, particularmente la figura 15, el producto de electrodo catódico C2 (es decir, la corriente de alimentación alcalina 160) se dirige para entrar en contacto con la superficie de electrodos anódicos A1, A2 de la célula de electrolizador anódico 15. El flujo de producto del electrodo catódico C2 puede dividirse de manera aproximadamente uniforme (por ejemplo, 1,14 litros/min (0,3 GPM)) entre los electrodos anódicos A1, A2, que se ilustra en la figura 15. Cuando se alimenta de potencia, la carga positiva de los electrodos anódicos A1, A2 atrae iones negativos (por ejemplo, Cl-) de la solución de salmuera del baño de salmuera abierto 16 (por ejemplo, la figura 1), a través de la membrana permeable al anión anódico 42 (por ejemplo, la figura 3), y al interior del flujo del producto del electrodo catódico C2, que forma agua electrolizada ácida (por ejemplo, el producto 170). La suma de las corrientes de los electrodos anódicos A1, A2 equilibra la corriente negativa suministrada a los electrodos catódicos C1, C2. Por ejemplo, si los electrodos catódicos C1, C2 se hacen funcionar a una corriente de suma de 35 A, luego los electrodos anódicos A1, A2 deben hacerse funcionar a una corriente de suma de 35 A, por ejemplo, a cada electrodo anódico se le pueden suministrar 17,5 A de corriente.

El suministro del producto de electrodo catódico a los electrodos anódicos proporciona el beneficio de aumentar el pH del producto anódico (es decir, el agua electrolizada ácida) de manera que el producto anódico puede tener un pH óptimo, por ejemplo, de aproximadamente 4,5 a aproximadamente 6, incluyendo de aproximadamente 5,2 a aproximadamente 5,5.

Las figuras 17 y 18 ilustran una realización a modo de ejemplo adicional que incorpora ósmosis inversa (por ejemplo, la realización de ósmosis inversa), un suministro de agua pasa a través de un sistema de ablandamiento de agua, y que proporciona el suministro de agua blanda 130. El agua ablandada pasa a través de un sistema de ósmosis inversa 210. La corriente de producto 212 del sistema de ósmosis inversa 210 se suministra como agua de alimentación a la célula electrolizadora catódica 14 y que se pone en contacto con los electrodos catódicos C1, C2, cada uno de los cuales se hace funcionar para producir el producto 150 (es decir, agua electrolizada alcalina). A diferencia de las realizaciones de las figuras 15 y 16, en las realizaciones de las figuras 17 y 18, nada del agua electrolizada alcalina de las realizaciones de las figuras 17 y 18 se envía a la célula electrolizadora anódica 15 o se pone en contacto con los electrodos anódicos A1, A2. En determinadas realizaciones, agua ablandada de, por ejemplo, el suministro de agua blanda 130 y la corriente de retrolavado 214 del sistema de ósmosis inversa 210 se combinan (por ejemplo, a través de un dispositivo de mezcla 220) y se pone en contacto con los electrodos anódicos A1, A2, permitiendo de ese modo que el sistema de ósmosis inversa 210 funcione con esencialmente la máxima eficiencia en relación con el uso de agua. Cuando se utiliza, la configuración expuesta en este párrafo, figuras 17 y 18, puede hacerse funcionar con un número par de fuentes de alimentación (por ejemplo, dos: PS 1 y PS 2) porque los electrodos catódicos y anódicos C1, C2, A1, A2 pueden hacerse funcionar cada uno en el funcionamiento de corriente correspondiente (por ejemplo, C1 = 17,5 A, C2 = 17,5 A, A1 = 17,5 A, A2 = 17,5 A), a diferencia del funcionamiento de corriente escalonada descrito en el presente documento. Por lo tanto, la configuración eléctrica de la realización de ósmosis inversa puede ser simple en relación con las realizaciones de las figuras 15 y 16. Caudales mostrados en las figuras 15-18 se pretende que sean a modo de ejemplo en naturaleza y no deben interpretarse como limitantes.

A partir de lo anterior, puede verse que se proporciona un sistema de electrolización que puede hacerse funcionar para producir de manera económica mayores cantidades de aguas electrolizadas dentro de los intervalos de pH prescritos para un uso óptimo. El sistema comprende células electrolizadoras que tienen una construcción única que permite una mayor producción de agua electrolizada y que pueden hacerse funcionar para producir mayores cantidades de agua electrolizada alcalina que el agua electrolizada ácida según los requisitos de usuario. Las células pueden hacerse funcionar además con corrientes de entrada escalonadas y la redirección de agua electrolizada para un control óptimo de los niveles de pH de los productos electrolizados ácidos y alcalinos resultantes.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   Un sistema de electrolización (10) para electrolizar una solución de salmuera de agua e iones de una sal alcalina para producir agua electrolizada ácida y agua electrolizada alcalina, comprendiendo el sistema: un recipiente (18) para contener la solución de salmuera que comprende cationes y aniones y que define un baño de salmuera (16);

   un cartucho electrolítico (11) dispuesto en dicho recipiente y sumergido en el baño de salmuera;

   un suministro de potencia de corriente continua;

   comprendiendo dicho cartucho electrolítico una célula catódica (14) y una célula anódica (15); caracterizado por:

   dicha célula catódica que incluye un par de electrodos catódicos (C1, C2) conectado al suministro eléctrico de corriente continua que carga negativamente los electrodos catódicos;

   un soporte de electrodo catódico (20) que soporta dichos electrodos catódicos en relación coplanar espaciada lateralmente uno al lado del otro en respectivas cámaras selladas entre sí;

   una membrana permeable a cationes (21) dispuesta sobre un lado de cada uno de dichos electrodos catódicos que define un espacio entre cada electrodo catódico y la membrana permeable a cationes a través de la cual los cationes de la solución de salmuera pueden entrar a través de la membrana permeable a cationes;

   cada uno de dichos espacios entre los electrodos catódicos y la membrana permeable a cationes que están en comunicación con una entrada de suministro de agua dulce (55) en un extremo de entrada del espacio y en comunicación con una salida de producto químico de limpieza (56) en un extremo de salida del espacio; dichos espacios entre dichos electrodos catódicos y la membrana permeable a cationes que están sellados entre sí y la solución de salmuera de manera que la única trayectoria para que la solución de salmuera entre en los espacios es a través de la membrana permeable a cationes;

   dicha célula anódica que incluye un par de electrodos anódicos (A1, A2) conectado al suministro eléctrico de corriente continua que carga positivamente los electrodos anódicos;

   un soporte de electrodo anódico (40) que soporta dichos electrodos anódicos en relación coplanar espaciada lateralmente uno al lado del otro en respectivas cámaras selladas entre sí;

   una membrana permeable a aniones (42) dispuesta sobre un lado de dichos electrodos anódicos que define un espacio entre cada electrodo anódico y la membrana permeable a aniones a través de la cual pueden entrar aniones de la solución de salmuera a través de la membrana permeable a aniones;

   cada uno de dichos espacios entre dichos electrodos anódicos y membrana permeable a aniones que están en comunicación con una entrada de suministro de agua dulce (55) en un extremo de entrada del espacio y en comunicación con una salida de producto químico de limpieza (56) en un extremo de salida del espacio; y

   dichos espacios entre dichos electrodos anódicos y la membrana permeable a aniones que están sellados entre sí y la solución de salmuera de manera que la única trayectoria para que la solución de salmuera entre en los espacios es a través de la membrana permeable a aniones.

   El sistema de electrolización según la reivindicación 1, que incluye un separador (24) entre dichas membranas permeables a aniones y cationes que separan las membranas permeables a aniones y permeables a cationes y que permiten el paso de la solución de salmuera desde dicho baño de salmuera a dichas membranas permeables a aniones y cationes, o en el que dichos electrodos catódicos tienen áreas superficiales mayores que dichos electrodos anódicos.

   El sistema de electrolización según la reivindicación 2, en el que dichos electrodos catódicos comprenden un par de placas de malla (25) fijadas entre sí en relación una al lado de la otra, y dichos electrodos anódicos comprenden cada uno una placa plana ininterrumpida.

   El sistema de electrolización según la reivindicación 3, en el que dichas placas de malla están conectadas estructural y eléctricamente entre sí por una placa espaciadora intermedia (26), y teniendo cada una de dichas placas de malla un terminal acoplado a la placa espadadora respectiva y que sobresale del alojamiento de cartucho.

   5. El sistema de electrolización según la reivindicación 2, en el que dicho separador soporta dichas membranas en relación paralela con respecto a dichos electrodos durante el flujo presurizado de líquido a través de los espacios entre dichas membranas y electrodos.

   6. El sistema de electrolización según la reivindicación 5, en el que dicho separador tiene pasos de líquido (35, 36) para permitir la circulación libre de solución de salmuera desde dicho baño de salmuera a dichas membranas de aniones y cationes para el intercambio iónico a través de las membranas en cada lado del separador.

   7. El sistema de electrolización según la reivindicación 6, en el que dicho separador es una única placa separadora dispuesta inmediatamente entre dichas membranas permeables a aniones y cationes.

   8. El sistema de electrolización según la reivindicación 1, en el que dicha membrana permeable a cationes es una única membrana dispuesta sobre un lado de dichos electrodos catódicos, y dicha membrana permeable a aniones es una única membrana dispuesta sobre un lado de dichos electrodos anódicos, o en el que dicho soporte de electrodo catódico forma una cavidad respectiva (30) con dichos electrodos catódicos que definen cada uno una trayectoria de flujo de líquido auxiliar en comunicación entre la entrada de suministro de agua dulce y la salida de producto químico de la célula catódica.

   9. El sistema de electrolización según la reivindicación 8, en el que dicho soporte de electrodo anódico define un paso de flujo de líquido auxiliar (43) alrededor de un perímetro exterior de los electrodos anódicos que se comunican entre la entrada de agua dulce y la salida de producto químico de la célula anódica.

   10. El sistema de electrolización según la reivindicación 8, en el que dichas cavidades tienen una profundidad de al menos 2 veces la separación entre la membrana permeable a cationes y los electrodos catódicos.

   11. El sistema de electrolización según la reivindicación 1, en el que dicha entrada de agua dulce de dichos espacios entre dichos electrodos catódicos y membrana permeable a cationes están en comunicación con una corriente de producto (212) de un sistema de ósmosis inversa (210), o con una corriente de retrolavado (214) de un sistema de ósmosis inversa (210).

   12. El sistema de electrolización según la reivindicación 1, en el que dichos extremos de entrada de los espacios entre dichos electrodos anódicos y dicha membrana permeable a aniones están en comunicación con un extremo de salida del segundo espacio entre el segundo electrodo catódico y la membrana permeable a cationes.

   13. El sistema de electrolización según la reivindicación 12, que incluye un soporte de electrodo catódico (20) que soporta dichos electrodos catódicos en relación lateralmente espaciada uno al lado del otro entre sí.

   14. El sistema de electrolización según la reivindicación 13, que incluye un separador (24) entre dichas membranas permeables a aniones y cationes que separan las membranas permeables a aniones y permeables a cationes y que permiten el paso de la solución de salmuera desde dicho baño de salmuera a dichas membranas permeables a aniones y cationes.

   15. El sistema de electrolización según la reivindicación 1, mediante el cual el suministro de potencia de corriente continua comprende un primer, un segundo y un tercer suministro de potencia directa (PS1, PS2, PS3) en el que uno de los cátodos está conectado a terminales negativos del primer y el tercer suministro de potencia de corriente continua (PS 1, PS 3), estando el otro de dichos electrodos catódicos conectado a un terminal negativo del segundo suministro de potencia de corriente continua (PS 2), y estando uno de dichos electrodos anódicos conectado al terminal positivo del primer suministro de potencia (PS1) y estando el otro de dichos electrodos anódicos conectado a los terminales positivos de las fuentes de alimentación segunda (PS2) y tercera (PS3).