ES2898233T3

ES2898233T3 - Dispositivo de desalinización y método de fabricación de dicho dispositivo

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Publication number: ES2898233T3
Application number: ES18733241T
Authority: ES
Inventors: Joydeep Dutta; Kunjali Karthik Laxman
Original assignee: Stockholm Water Tech AB
Current assignee: Stockholm Water Tech AB
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2022-03-04
Anticipated expiration: 2038-06-20
Also published as: CN110809564B; EP3642165B1; DK3642165T3; PL3642165T3; ZA201907870B; US12030795B2; HUE056280T2; US20200180982A1; SE540976C2; SE1750797A1; CN110809564A; EP3642165A1; WO2018234386A1; BR112019026501A2

Abstract

Un dispositivo de desionización capacitiva (10) que comprende un primer electrodo (2) y un segundo electrodo (3), el segundo electrodo (3) opuesto al primer electrodo (2), preferiblemente donde el primer electrodo (2) y el segundo electrodo (3) están separados entre sí por al menos un espaciador eléctricamente no conductor (4, 4') dispuesto entre el primer electrodo y el segundo electrodo, donde el dispositivo comprende además un tercer electrodo (7) entre el primer electrodo (2) y el segundo electrodo (3), el tercer electrodo (7) configurado para permitir un flujo sustancialmente sin restricciones de medios acuosos desde un primer lado del tercer electrodo que mira el primer electrodo (2) a un segundo lado del tercer electrodo que mira hacia el segundo electrodo (3), donde el tercer electrodo (7) está configurado para estar conectado eléctricamente a tierra, y el primer electrodo (2) y el segundo electrodo (3) están configurados para ser polarizables con cargas opuestas con respecto al tercer electrodo (7), y donde cada uno del primer electrodo (2), el segundo electrodo (2) y el tercer electrodo (7) está hecho de una sustancia químicamente inerte y material flexible.

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo de desalinización y método de fabricación de dicho dispositivo

Campo técnico

La presente divulgación se refiere en general a un dispositivo de desionización capacitiva para eliminar especies cargadas de medios acuosos, en particular un dispositivo de desalinización y un método de fabricación de dicho dispositivo.

Antecedentes

La necesidad de agua potable aumenta continuamente debido a factores tales como problemas medioambientales y crecimiento de la población. Como consecuencia, también está aumentando la necesidad de desalinización o desionización de agua, como agua de mar o agua salobre. Existen varias técnicas para la desionización del agua, que incluyen, por ejemplo, la destilación, la ósmosis inversa y la electrodiálisis. Otro ejemplo de una técnica para la desionización del agua es la desionización capacitiva (CDI).

La CDI es una técnica bastante reciente y se usa principalmente para la electrosorción de sal de agua salobre u otras fuentes de agua que no son inmediatamente adecuadas para el consumo humano. En comparación con las técnicas mencionadas anteriormente, la CDI tiene la ventaja de ser una tecnología relativamente eficiente desde el punto de vista energético, especialmente para el agua que tiene una concentración de sal bastante moderada, como el agua salobre.

En la tecnología CDI, se pueden utilizar electrodos de carbón activado eléctricamente conductores para la electrosorción de iones. Una celda de CDI típica consta de dos electrodos colocados de manera opuesta separados por un espaciador no conductor a través del cual puede fluir el agua. Los electrodos se polarizan positiva y negativamente utilizando una fuente de alimentación de CC. Los iones de contracarga se atraen eléctricamente a los respectivos electrodos y se adsorben en ellos. De ese modo, los iones se eliminan del agua presente entre los electrodos. Por lo tanto, la eliminación de iones en una celda de CDI se realiza mediante electrosorción, donde para una superficie de electrodo dada, la capacidad de electrosorción está regulada principalmente por la magnitud y distribución del campo eléctrico generado en las superficies de los electrodos.

Se sabe previamente que las características del campo eléctrico pueden mejorarse revistiendo superficies de carbón activado con nanoestructuras de semiconductores polarizables. Esto puede conducir a una mejor capacidad de adsorción de iones. Sin embargo, el campo eléctrico también está influenciado por el potencial de distribución entre el ánodo y el cátodo de la celda CDI, conectados a los terminales positivo y de referencia/ tierra de la fuente de alimentación, respectivamente. Suponiendo una distribución igual del potencial, la fuerza y la dirección de los campos eléctricos generados en las superficies de los electrodos impulsa la simetría y mejora la eficiencia del proceso de eliminación de iones.

Sin embargo, es importante señalar que, contrariamente a la creencia popular, el potencial aplicado no se distribuye por igual entre el ánodo y el cátodo de la celda de CDI. En una celda de CDI convencional, el potencial en el cátodo (que está conectado a tierra) se hace referencia a la tierra del circuito y se rige por las condiciones de conexión a tierra localizadas, mientras que el potencial en el ánodo se hace referencia al del cátodo. Esto conduce a una distribución desigual de energía entre los electrodos de la celda, lo que a su vez puede dar lugar a características de eliminación de iones asimétricas y una disminución de la capacidad de desalinización y la eficiencia de carga del proceso.

Cohen, et al., En el artículo "Enhanced Charge Efficiency in Capacitive Deionization Achieved by Surface-Treated Electrodes and by Means of a Third Electrode", J. Phys. Chem. C 2011, 115, 19856-19863, informó intentos de mejorar la eficiencia de carga de los procesos de CDI mediante el uso de electrodos de fibra de carbono activado (ACF) con tratamiento superficial y por medio de un tercer electrodo auxiliar. Su celda de CDI comprendía un electrodo oxidado (que funcionaba como electrodo negativo) y un electrodo de carbón activado sin tratar (que funcionaba como electrodo positivo). Como tercer electrodo, se utilizó un electrodo de malla Ag/AgCI y se colocó entre los dos electrodos ACF. Antes de la aplicación de la diferencia de potencial entre los electrodos ACF, el electrodo positivo se polarizó negativamente con la ayuda del tercer electrodo. Se encontró que, a pesar del funcionamiento no simétrico de la celda de CDI, aumentó la eficiencia de carga del proceso de desalinización.

Leonard et al., En el artículo Synthesis and characterization of asymmetric electrochemical capacitive deionization materials using nanoporous silicon dioxide and magnesium doped aluminium oxide", Electrochimica Acta 54 (2009) 5286 5291 describe que el uso de nanopartículas de óxido aislante asimétricas ya que los materiales CDI aumentan las tasas de remoción debido a su pequeño tamaño y potenciales de superficie opuestos. En la celda de CDI, también se utilizó un tercer electrodo de referencia que consta de un electrodo de calomelanos saturado (SCE) con el fin de conocer el potencial electroquímico exacto aplicado.

El documento US 2013/0146463 A1 describe un aparato y un método para eliminar iones del agua. El aparato comprende una pila de al menos cinco electrodos en una carcasa, donde tres de los electrodos se denominan electrodos maestros y la diferencia de potencial eléctrico se aplica entre cada dos electrodos maestros adyacentes. Los otros dos electrodos de los al menos cinco electrodos se denominan electrodos flotantes y cada uno está situado entre al menos dos electrodos maestros adyacentes. Los electrodos flotantes están construidos para atraer iones del agua como resultado de la diferencia de potencial eléctrico entre los electrodos maestros. Los electrodos flotantes de acuerdo con este aparato estarán polarizados como consecuencia de la diferencia de potencial eléctrico aplicada entre los electrodos maestros y, por lo tanto, actuarán como un ánodo para un primer electrodo maestro y como un cátodo para un segundo electrodo maestro ubicado en el lado opuesto al primer electrodo maestro.

Durante el proceso de CDI, cada electrodo adsorbe contra-iones, pero también desorbe los co-iones. Esto da como resultado una menor eficiencia de carga, ya que parte de la energía se consume para la desorción no deseada. Por lo tanto, también ha habido intentos con CDI asistida por membrana selectiva de iones. El propósito de la misma es atrapar más eficazmente las especies iónicas para evitar la desorción no deseada de co-iones en las superficies de los electrodos, lo que incidentalmente conduce a una carga adicional disponible para la adsorción de contraiones. La presencia de membranas selectivas de iones puede mejorar la eficiencia de eliminación de iones de la celda de CDI. Sin embargo, también resulta en un coste considerablemente más alto del dispositivo, una resistencia al flujo de agua a purificar y al transporte de iones dentro del dispositivo.

Los documentos US 6,709,560 y US 2011/0042205 A1 describen ejemplos de tales dispositivos que buscan superar el problema de la desorción de co-iones de los electrodos.

La CDI no solo es adecuado para la desalinización de agua, sino que también se puede utilizar para otros tipos de purificación de agua. Por ejemplo, se puede usar CDI para ablandar el agua. En un proceso de este tipo, los iones a eliminar pueden, por ejemplo, proceder de los contaminantes CaCh, MgCh, CaCO3 y MgCO3.

El documento JP 2006305407 describe un tanque de tratamiento de agua para desnitrificación, donde dicho tanque comprende tres electrodos, de los cuales dos se alimentan con alta tensión alterna (10 a 50 V) y un tercero está conectado a tierra, eliminando los iones nitrato y/o nitrito por reducción electrolítica.

El documento US 2015/0064501 divulga sistemas bioelectroquímicos (BES) que tienen configuraciones con estructuras enrolladas en espiral y con estructuras de marco y placa que pueden usarse, por ejemplo, para la producción de energía o química y/o desalinización. Otro ejemplo de un CDI conocido de la técnica anterior se puede encontrar en Avraham Eran: "Limitation of Charge Efficiency in Capacitive Deionization", Journal of Electrochemical Society, 1 de enero de 2009, páginas 95-99.

Sin embargo, todavía existe la necesidad de mejorar aún más la capacidad de eliminación de iones en un proceso de CDI y de hacer disponible un dispositivo de desalinización robusto y eficiente.

Breve descripción de la invención

Un objeto de la presente invención es poner a disposición un dispositivo que pueda mejorar la eficiencia de la desionización capacitiva para la eliminación de especies cargadas de medios acuosos mientras se obtiene un proceso energéticamente eficiente.

El objeto y otros se consiguen mediante un dispositivo de desionización capacitiva o un dispositivo de desalinización como se presenta en la presente divulgación y en las reivindicaciones adjuntas.

Según un primer aspecto, el dispositivo de desionización capacitiva comprende un primer electrodo y un segundo electrodo, el segundo electrodo opuesto al primer electrodo. El primer electrodo y el segundo electrodo están preferiblemente separados entre sí por al menos un espaciador eléctricamente no conductor dispuesto entre el primer electrodo y el segundo electrodo. El al menos un espaciador eléctricamente no conductor opcional está configurado para permitir el flujo de medios acuosos a través del espaciador. El dispositivo comprende además un tercer electrodo entre el primer electrodo y el segundo electrodo. El tercer electrodo está configurado para permitir un flujo sustancialmente libre y sin restricciones de medio acuoso desde un primer lado del tercer electrodo que mira/frente al primer electrodo, a un segundo lado del tercer electrodo que mira al segundo electrodo. Además, el tercer electrodo está configurado para estar conectado a tierra eléctricamente, y el primer electrodo y el segundo electrodo están configurados para ser polarizables con cargas opuestas con respecto al tercer electrodo.

El tercer electrodo está hecho preferiblemente de material químicamente inerte y flexible. El material químicamente inerte lo hace químicamente estable y la flexibilidad junto con el material lo hace físicamente estable cuando se enrolla en una estructura espiral/cilíndrica.

No se pretende que las especies cargadas que se eliminarán del medio acuoso sean absorbidas por el tercer electrodo. En cambio, el tercer electrodo en el dispositivo según la presente invención tiene el propósito de permitir un control y distribución de la energía sustancialmente por igual entre el primer electrodo y el segundo electrodo. Por lo tanto, durante el uso del dispositivo de desionización capacitiva, el tercer electrodo está conectado a tierra eléctricamente y el primer electrodo y el segundo electrodo están polarizados cada uno con cargas opuestas con referencia al tercer electrodo conectado a tierra. Esto asegura que el potencial se divide sustancialmente por igual entre el primer electrodo y el segundo electrodo. De ese modo, se habilita una capacidad de eliminación de aniones y cationes sustancialmente simétrica, lo que a su vez evita cambios no deseados en el pH y la química del medio acuoso.

Además, el tercer electrodo asegura que los campos eléctricos generados entre el primer y segundo electrodos converjan desde ambos lados en el tercer electrodo, mejorando así la distribución del campo entre el primer electrodo y el segundo electrodo. La distribución de campo mejorada se inclina hacia la utilización eficiente de la energía y la capacidad mejorada de eliminación de iones para el dispositivo de CDI.

El tercer electrodo comprende preferiblemente un borde periférico exterior circunferencial que tiene sustancialmente el mismo tamaño y forma circunferenciales que un borde periférico circunferencial del primer electrodo y/o un borde periférico circunferencial del segundo electrodo. Esto ayuda al tercer electrodo a distribuir las líneas de campo eléctrico de manera apropiada entre los electrodos.

El tercer electrodo tiene preferiblemente la configuración geométrica de un anillo, tal como un anillo circular, un anillo rectangular, un anillo cuadrado o un anillo octaédrico. De este modo, se garantiza, entre otras cosas, que el tercer electrodo no provoque ninguna división física para el flujo del medio acuoso en el dispositivo.

El tercer electrodo se dispone preferiblemente a distancias sustancialmente iguales del primer electrodo y el segundo electrodo. Esto tiene el efecto de, entre otras cosas, proporcionar capacidades de eliminación de aniones y cationes sustancialmente simétricas que, a su vez, evitan cambios no deseados en el pH y la química del agua.

El tercer electrodo está hecho preferiblemente de carbón o de un material a base de carbón, más preferiblemente una tela de carbón activado, una placa/lámina de grafito o una o más hojas de grafeno. Sin embargo, también se pueden usar otros materiales conductores, químicamente inertes, físicamente estables y flexibles.

El tercer electrodo está dispuesto preferiblemente en forma de un revestimiento sobre un espaciador eléctricamente no conductor, preferiblemente sobre un espaciador flexible eléctricamente no conductor. De esta forma se consigue una estructura compacta. Alternativamente, el tercer electrodo está impreso en el espaciador eléctricamente no conductor, preferiblemente en un espaciador flexible eléctricamente no conductor. Esto también hace posible lograr una estructura compacta y también hace posible disponer el material del electrodo en los patrones deseados, utilizando técnicas de impresión existentes.

Alternativamente, el tercer electrodo se puede incrustar en un espaciador monolítico eléctricamente no conductor que sea permeable a iones y fluidos; preferiblemente en un espaciador no conductor monolítico, flexible, permeable a iones y fluidos. El espaciador monolítico eléctricamente no conductor se dispone entonces preferiblemente en contacto directo con el primer electrodo en una primera superficie lateral del espaciador monolítico, y en contacto directo con el segundo electrodo en una segunda superficie lateral del espaciador monolítico.

Preferiblemente, el primer electrodo, el segundo electrodo y el tercer electrodo están dispuestos en forma de espiral alrededor de un eje longitudinal y/o central común de modo que el primer electrodo, el tercer electrodo y el segundo electrodo se repiten periódicamente a lo largo del radio en un plano perpendicular al eje longitudinal/central y forman conjuntamente una estructura sustancialmente cilíndrica. De ese modo, se puede lograr una superficie de electrodo más grande en el dispositivo de CDI mientras se sigue obteniendo un tamaño razonable del dispositivo. En tal estructura, se puede usar tela de carbón activado flexible como material de electrodo para el primer y segundo electrodos y, por ejemplo, se puede usar una lámina de grafito flexible como tercer electrodo. Ventajosamente, esta estructura cilíndrica/espiral también ayuda a concentrar las líneas del campo eléctrico dentro del dispositivo y conduce a una mejora adicional de la eficiencia de adsorción de iones.

La estructura sustancialmente cilíndrica se puede disponer además en una carcasa sustancialmente cilíndrica que comprende una entrada en una primera superficie de extremo de la carcasa y una salida en una segunda superficie de extremo de la carcasa. Preferiblemente, cada electrodo comprende al menos un colector de corriente que se extiende desde la carcasa a través de una de la primera superficie de extremo y la segunda superficie de extremo. De esta forma se consigue una construcción robusta del dispositivo.

La presente invención se refiere además a una disposición de desionización capacitiva que comprende una pluralidad de dispositivos de desionización capacitiva, donde al menos uno de la pluralidad de dispositivos de desionización capacitiva es un dispositivo de desionización capacitiva como se define generalmente anteriormente.

Otro aspecto se refiere a un método para fabricar un dispositivo de desionización capacitiva. El dispositivo es preferiblemente un dispositivo como se describió en general anteriormente. El método de fabricación de un dispositivo de desionización capacitiva comprende proporcionar un primer electrodo, disponer un tercer electrodo en un primer lado del primer electrodo y disponer un segundo electrodo en un segundo lado del tercer electrodo, donde el tercer electrodo está configurado para permitir un flujo libre y sin restricciones de medios acuosos desde una primera superficie lateral del tercer electrodo que mira hacia el primer electrodo a una segunda superficie lateral del tercer electrodo que mira al segundo electrodo, proporcionando una conexión a tierra al tercer electrodo, y conectando el primer electrodo y el segundo electrodo de manera que sean polarizables con cargas opuestas con respecto al tercer electrodo. En este método, se dispone un espaciador entre el primer lado del primer electrodo y el primer lado del tercer electrodo, y de manera similar, se dispone también un espaciador entre el segundo lado del tercer electrodo y el primer lado del segundo electrodo. Preferiblemente, cada uno del primer electrodo, el segundo electrodo y el tercer electrodo está hecho de un material conductor flexible y químicamente inerte. Mediante este método, se obtiene un dispositivo que puede mejorar la eficiencia de la desionización capacitiva para la eliminación de especies cargadas de medios acuosos mientras sigue funcionando de una manera energéticamente eficiente.

Preferiblemente, el método comprende además disponer al menos un espaciador eléctricamente no conductor entre el primer electrodo y el segundo electrodo. De esta forma, los tres electrodos pueden aislarse eléctricamente entre sí de una manera sencilla y robusta.

El método comprende preferiblemente disponer el primer electrodo, el tercer electrodo, el segundo electrodo y los espaciadores opcionales en una estructura en capas. Más preferiblemente, esta estructura en capas se pliega o enrolla de una manera eficaz, por ejemplo, de una manera que se asemeja a una torta enrollada suiza o una masa de hojaldre doblada.

Además, el método comprende preferiblemente además proporcionar el tercer electrodo como una tela de fibra de carbono, preferiblemente tela de carbón activado o una placa/lámina de grafito.

El método comprende preferiblemente además enrollar el primer electrodo, el tercer electrodo y el segundo electrodo en la estructura en capas en forma de espiral alrededor de un eje longitudinal y/o central común de modo que el primer electrodo, el tercer electrodo y el segundo electrodo se repiten periódicamente a lo largo un radio en un plano perpendicular al eje longitudinal/central a una estructura sustancialmente cilíndrica. Por lo tanto, se puede lograr de manera efectiva incluso una distribución de fluidos.

Además, el método comprende preferiblemente además disponer la estructura laminada sustancialmente cilíndrica en una carcasa sustancialmente cilíndrica que comprende una primera superficie de extremo y una segunda superficie de extremo, y disponer una entrada en la primera superficie de extremo de la carcasa y una salida en la segunda superficie de extremo de la carcasa, y disponer para cada electrodo al menos un colector de corriente que se extiende a través de la carcasa a través de al menos una de la primera superficie de extremo y la segunda superficie de extremo. De esta forma se obtiene una estructura compacta.

En una realización, el primer electrodo, el tercer electrodo y el segundo electrodo están dispuestos alrededor de una tubería perforada que tiene un extremo abierto y un extremo cerrado, sirviendo dicho extremo abierto de la tubería como entrada o salida para que los medios acuosos se sometan a procesos desionización capacitiva.

Además, el método comprende preferiblemente además proporcionar el tercer electrodo de manera que un borde periférico exterior circunferencial del tercer electrodo coincida con un borde periférico circunferencial del primer electrodo y/o un borde periférico circunferencial del segundo electrodo. Esto ayuda al tercer electrodo a distribuir las líneas de campo eléctrico de manera apropiada entre los electrodos.

El tercer electrodo se dispone preferiblemente como un electrodo en forma de anillo, tal como un anillo circular, un anillo rectangular, un anillo cuadrado o un anillo octaédrico, por lo que se garantiza, entre otras cosas, que el tercer electrodo no provoca ninguna división física del medio acuoso en el dispositivo.

Preferiblemente, el método comprende además disponer el tercer electrodo a distancias sustancialmente iguales del primer electrodo y del segundo electrodo. De esta manera, se obtienen capacidades simétricas de eliminación de aniones y cationes que evitan cambios no deseados en el pH y la química del agua.

Además, el método comprende preferiblemente revestir el tercer electrodo sobre un espaciador eléctricamente no conductor, preferiblemente sobre un espaciador flexible eléctricamente no conductor. Alternativamente, el método preferiblemente comprende además incrustar el tercer electrodo en un espaciador monolítico eléctricamente no conductor, preferiblemente un espaciador monolítico flexible no conductor. En esta realización, que puede combinarse libremente con otras realizaciones descritas en el presente documento, el método comprende disponer el espaciador monolítico eléctricamente no conductor en contacto directo con el primer electrodo en una primera superficie lateral del espaciador monolítico y en contacto directo con el segundo electrodo en un segundo superficie lateral del espaciador monolítico.

Un tercer aspecto se refiere a un método de desionización de un medio acuoso que comprende el uso de un dispositivo de desionización capacitiva o una disposición de dichos dispositivos como se describe anteriormente para eliminar especies cargadas del medio acuoso.

Breve descripción de los dibujos

La invención y realizaciones de la misma se describirán ahora, a modo de ejemplos no limitativos, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 ilustra una vista en perspectiva en despiece de un dispositivo para desionización capacitiva según la técnica anterior.

La figura 2a ilustra una vista en perspectiva en despiece de un dispositivo para desionización capacitiva de acuerdo con una primera forma de realización ejemplificativa de la presente invención.

La figura 2b ilustra una vista en perspectiva en despiece de un dispositivo para desionización capacitiva según otra realización ejemplar de la presente invención.

La figura 3 ilustra esquemáticamente el campo eléctrico y el transporte de iones en un dispositivo de CDI según la presente invención durante el funcionamiento del mismo para la eliminación de especies cargadas de medios acuosos, ejemplificado aquí por iones de sodio y cloruro.

La figura 4a ilustra una vista en perspectiva de un dispositivo para desionización capacitiva de acuerdo con otra realización ejemplificativa adicional de la presente invención.

La figura 4b ilustra esquemáticamente una vista en sección transversal en el plano B-B del dispositivo para desionización capacitiva según la figura 4a.

La figura 5 ilustra esquemáticamente un ejemplo de un posible diagrama de circuito para una fuente de alimentación de CC con tres terminales y su conexión a la celda de CDI según la presente invención.

La figura 6a ilustra esquemáticamente una vista en sección transversal de un dispositivo para desionización capacitiva de acuerdo con otra realización ejemplar adicional de la presente invención que muestra una trayectoria de flujo que va desde el interior hacia el exterior.

La figura 6b ilustra esquemáticamente una vista en sección transversal de un dispositivo para desionización capacitiva de acuerdo con otra realización ejemplar adicional de la presente invención que muestra una trayectoria de flujo que va desde el exterior hacia el interior.

La figura 7 ilustra esquemáticamente una vista en perspectiva de una parte de un dispositivo para desionización capacitiva de acuerdo con otra realización ejemplificativa adicional de la presente invención.

La figura 8 ilustra esquemáticamente un uso ejemplar de un dispositivo para desionización capacitiva según una realización ejemplar de la presente invención.

La figura 9 ilustra curvas de conductividad obtenidas experimentalmente a lo largo del tiempo para un dispositivo de CDI según la técnica anterior en comparación con un dispositivo de CDI según una realización ejemplar de la presente invención.

La figura 10 ilustra las eficiencias de eliminación de aniones y cationes para un dispositivo de CDI de dos electrodos según la técnica anterior en comparación con un dispositivo de CDI de tres electrodos según una realización ejemplar de la presente invención.

La figura 11a ilustra una tubería perforada 100 que tiene un extremo abierto 101, opcionalmente con roscas 102, y un extremo sellado 103, así como múltiples orificios o perforaciones 104.

La figura 11b ilustra una realización en la que capas de lámina de grafito 111, tela de carbón activado 112 y un espaciador poroso de iones 113 se enrollan alrededor de una tubería perforada 100 como se muestra en el dibujo anterior, formando una unidad de CDI 120.

La figura 12 ilustra una sección transversal de una realización en la que varias unidades 120 que comprenden una tubería perforada y los electrodos de CDI enrollados en espiral se ensamblan entre sí dentro de un alojamiento o recinto, formando un casete 130. Preferiblemente, dicho casete tiene una entrada 131, un depósito de recolección 132 y una salida 133. El casete está dividido en dos partes por una placa 140 en la que se pueden unir las unidades 120, por ejemplo, insertando el extremo abierto 101 opcionalmente con roscas 102, en los orificios de dicha placa 140. Un flujo de izquierda a derecha, correspondiente al principio mostrado en la figura 6b, se indica con flechas. El flujo puede ser igualmente el opuesto, correspondiente al principio mostrado en la figura 6a.

Descripción detallada

La presente invención se describirá a continuación con referencia a los dibujos adjuntos y ciertas realizaciones ejemplificativas. Sin embargo, la invención no se limita a las realizaciones mostradas, sino que se puede variar dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas. Además, no se considerará que los dibujos estén necesariamente dibujados a escala, ya que algunas características pueden estar exageradas para ilustrar más claramente las características del dispositivo o los detalles de los mismos. Antes de que se describa la presente invención, debe entenderse que la terminología empleada en este documento se usa con el propósito de describir realizaciones particulares únicamente y no pretende ser limitante, ya que el alcance de la presente invención estará limitado solo por las reivindicaciones adjuntas y equivalentes de las mismas.

Debe observarse que, como se usa en esta descripción y las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares "un", "una" y "el/la" incluyen referentes plurales a menos que el contexto indique claramente lo contrario.

En la presente divulgación, se considerará que el término "área de superficie de electrodo" significa el área de la superficie geométrica de un electrodo en el plano del electrodo, independientemente de si el plano del electrodo es un plano planar o tiene otra configuración. como ondulado o cilíndrico. Esto contrasta con el término "área de superficie específica", que se considerará que significa el área de superficie total por unidad de masa.

Además, en la presente descripción se usa el término "eléctricamente no conductor". Debe reconocerse que todos los materiales tienen una cierta conductividad eléctrica incluso si es muy baja. Solo a modo de ejemplo, incluso un material considerado como aislante tendrá una cierta conductividad eléctrica. Por lo tanto, un material eléctricamente no conductor o un componente constituyente de material eléctricamente no conductor debe entenderse en la presente descripción como un material o componente constituyente que tiene una conductividad eléctrica tan baja que la conductividad eléctrica en el mismo es tan baja que habrá esencialmente no hay conductividad eléctrica en el mismo cuando el dispositivo de acuerdo con la presente invención se usa como se pretende durante el funcionamiento del mismo. En otras palabras, se considerará que eléctricamente no conductor significa una conductividad eléctrica insignificante cuando se usa según lo previsto.

La figura 1 ilustra una vista en perspectiva en despiece de un dispositivo 1 de desionización capacitiva según la técnica anterior. El dispositivo de CDI comprende un primer electrodo 2 y un segundo electrodo 3. Estos electrodos a veces se denominan "electrodos primarios" o "electrodos maestros". El primer y segundo electrodos son electrodos planos dispuestos opuestos, preferiblemente en paralelo entre sí. Los medios acuosos de los que deben eliminarse las especies cargadas deben fluir a través del volumen entre el primer electrodo y el segundo electrodo y, en general, también los volúmenes de los propios electrodos, ya que los electrodos son permeables a los medios acuosos.

El primer y segundo electrodos 2, 3 están normalmente separados por un primer espaciador 4 eléctricamente no conductor. El dispositivo comprende además opcionalmente más de un espaciador no conductor, como se ilustra en la figura 1 por un segundo espaciador eléctricamente no conductor 4'. El propósito del espaciador o espaciadores no conductores es principalmente evitar el riesgo de cortocircuito eléctrico entre el primer electrodo 2 y el segundo electrodo 3 durante el funcionamiento del dispositivo. Además, el espaciador o espaciadores no conductores facilitan el control de la distancia apropiada entre el primer y segundo electrodos 2, 3 para obtener de ese modo una distribución apropiada del campo eléctrico entre el primer electrodo y el segundo electrodo. El espaciador eléctricamente no conductor está dispuesto como un componente constituyente separado o, alternativamente, se aplica como un revestimiento o capa sobre la superficie de los electrodos. Los medios acuosos, como el agua a purificar, se conducen preferiblemente a través del o de los espaciadores no conductores. Normalmente, los electrodos 2, 3 están en contacto directo con el(los) espaciador/espaciadores.

El dispositivo 1 comprende además un primer colector de corriente 5 conectado al primer electrodo 2, y un segundo colector de corriente 6 conectado al segundo electrodo 3. En un dispositivo de CDI convencional, el cátodo generalmente está conectado a tierra y el ánodo está polarizado con respecto al cátodo. Los electrodos están conectados a través de los respectivos colectores de corriente a una fuente de alimentación de CC (no mostrada) para permitir la polarización de los electrodos.

Durante el funcionamiento del dispositivo de CDI, los aniones se atraen al electrodo positivo y se absorben en el electrodo positivo. Simultáneamente, los cationes son atraídos por el electrodo negativo y adsorbidos en él. De ese modo, los iones se eliminan del medio acuoso presente entre los electrodos.

En cualquier dispositivo de CDI, los iones se atraen en respuesta a las líneas de campo eléctrico mediadas por potencial generadas en las superficies de los electrodos. Por lo tanto, la capacidad y eliminación de iones es proporcional a la distribución y la fuerza de las líneas de campo.

En contraste con la técnica anterior mostrada en la figura 1, el dispositivo según la presente invención comprende un tercer electrodo dispuesto entre los dos electrodos primarios, es decir, el primer electrodo y el segundo electrodo. El tercer electrodo está configurado para estar conectado a tierra eléctricamente y los dos electrodos primarios, es decir, el primer electrodo y el segundo electrodo, están configurados de manera que sean polarizables con cargas opuestas con respecto al tercer electrodo conectado a tierra. Esto asegura que el potencial se divida sustancialmente por igual entre los electrodos positivo y negativo, lo que permite capacidades simétricas de eliminación de aniones y cationes que previenen cambios no deseados en el pH y la química del agua.

Además, el tercer electrodo asegura que los campos eléctricos generados entre los electrodos primarios converjan desde ambos lados en el tercer electrodo central, mejorando así la distribución del campo entre los electrodos primarios. La distribución de campo mejorada conduce a una utilización eficiente de la energía y una capacidad mejorada de eliminación de iones para el dispositivo de CDI.

El tercer electrodo está configurado para permitir el libre flujo de medio acuoso desde un primer lado del tercer electrodo a un segundo lado del tercer electrodo. En la presente descripción, se considera que la primera superficie lateral del tercer electrodo significa el lado del tercer electrodo que mira hacia el primer electrodo. De manera correspondiente, en la presente descripción se considera que el segundo lado del tercer electrodo significa el lado del tercer electrodo que mira al segundo electrodo. En la presente divulgación, se considera que un flujo libre o sin restricciones de medio acuoso desde un primer lado a un segundo lado significa que el medio acuoso puede pasar a través del tercer electrodo sin ninguna caída de presión significativa.

Esto contrasta, por ejemplo, con el primer y segundo electrodos, a través de los cuales se deja pasar el medio acuoso, pero donde esto daría como resultado una caída de presión del medio acuoso desde un primer lado de los electrodos a un segundo lado del electrodos. En otras palabras, el tercer electrodo no está destinado a causar ninguna división física del flujo de agua entre los diferentes lados del tercer electrodo. Sin embargo, el tercer electrodo proporciona una división eléctrica del volumen entre el primer electrodo y el segundo electrodo.

Se prefiere que el tercer electrodo esté dispuesto a distancias iguales del primer electrodo y del segundo electrodo, es decir, a medio camino entre el primer electrodo y el segundo electrodo. Esto asegura que el potencial se dividirá equitativamente entre el primer electrodo y el segundo electrodo con respecto al tercer electrodo, y por lo tanto permite una adsorción esencialmente simétrica de especies de carga en los electrodos primarios. Sin embargo, cabe señalar que es posible una cierta tolerancia en cuanto a la posición del tercer electrodo con respecto al primer y segundo electrodos mientras se obtiene un resultado suficientemente bueno.

Por tanto, el tercer electrodo se dispone preferiblemente a una distancia que es del 40 al 60% de la distancia entre el primer electrodo y el segundo electrodo si se desea una eliminación simétrica de cationes y aniones. Cuando se habla de una distancia entre el primer electrodo y/o el segundo electrodo y el tercer electrodo, en la presente descripción se considerará que significa una distancia entre la superficie del primer electrodo y/o el segundo electrodo y un plano central del tercer electrodo, siendo el plano central del tercer electrodo paralelo a las superficies laterales del tercer electrodo.

Según un aspecto alternativo, el dispositivo de desionización capacitiva se usa en aplicaciones donde se desea una eliminación preferencial de aniones o cationes. Por lo tanto, dependiendo de la eliminación de iones deseada, la distancia del tercer electrodo con respecto al primer y segundo electrodos es flexible. En general, el tercer electrodo está dispuesto a una distancia que es del 10 al 90% de la distancia entre el primer electrodo y el segundo electrodo, mientras se mantiene una caída de presión y una permeabilidad al flujo de fluido aceptables. Por ejemplo, si el tercer electrodo está más cerca de la primera superficie del primer electrodo, entonces el campo eléctrico entre el primer y tercer electrodo es más fuerte que el tercer y segundo electrodo, lo que lleva a una eliminación de aniones preferencial si el primer electrodo es positivo y viceversa. Por tanto, el tercer electrodo puede proporcionar un medio para eliminar preferentemente especies cargadas positiva o negativamente sin modificación química del primer, segundo o tercer electrodos.

La figura 2a ilustra una vista en perspectiva en despiece de una primera realización ejemplar de un dispositivo de CDI 10 según la presente invención. El dispositivo de CDI 10 comprende un primer electrodo 2 y un segundo electrodo 3, con un respectivo colector de corriente 5, 6. Si bien los colectores de corriente 5, 6 se ilustran en la figura extendiéndose desde los electrodos sustancialmente perpendiculares al plano de los electrodos 2, 3, también es posible que los colectores de corriente se extiendan desde los electrodos sustancialmente en el mismo plano que los electrodos o en una dirección angular desde el plano de los electrodos. El primer y segundo electrodos 2, 3 son electrodos primarios destinados a la adsorción de especies iónicas a eliminar de los medios acuosos presentes en el volumen que comprende el volumen de los electrodos primarios y el volumen entre los electrodos primarios. Por tanto, la eliminación de especies iónicas se produce tanto del medio acuoso presente/que fluye dentro de los electrodos primarios como del medio acuoso presente/que fluye en el espacio entre los electrodos primarios.

En el dispositivo de CDI según la figura 2a, el primer y segundo electrodos 2, 3 son electrodos sustancialmente planos. Además, el primer y el segundo electrodos están preferiblemente dispuestos esencialmente paralelos para asegurar que el campo eléctrico sea igual desde un primer borde periférico de los respectivos electrodos a un segundo borde periférico de los electrodos. Si bien el primer y segundo electrodos se ilustran en la figura con un área de superficie de electrodo sustancialmente rectangular, también es posible que tengan un área de superficie de electrodo con cualquier otra configuración geométrica, como de forma cuadrada, circular, triangular, octaédrica, etc.

En contraste con el dispositivo de CDI 1 ilustrado en la figura 1, el dispositivo de CDI 10 como se ilustra en la figura 2a comprende un tercer electrodo 7 dispuesto entre el primer electrodo 2 y el segundo electrodo 3. El tercer electrodo 7 comprende un medio de conexión 8 que permite que el tercer electrodo esté conectado a tierra eléctricamente. El primer electrodo 2 y el segundo electrodo 3 están configurados para ser polarizables con cargas opuestas con respecto al tercer electrodo 7. Por lo tanto, el tercer electrodo 7 actúa como referencia durante el funcionamiento del dispositivo de CDI 10. Preferiblemente, el tercer electrodo está dispuesto a distancias iguales del primer electrodo y del segundo electrodo. Por lo tanto, el potencial se dividirá por igual entre el primer y el segundo electrodos, y la distribución de las líneas de fuerzas del campo eléctrico será igual entre los volúmenes a cada lado del tercer electrodo.

Como se muestra en la figura 2a, el tercer electrodo 7 tiene preferiblemente un borde periférico circunferencial 7a que tiene esencialmente el mismo tamaño y forma circunferenciales que el borde circunferencial periférico 2a del primer electrodo y el borde circunferencial periférico 3a del segundo electrodo. En otras palabras, la configuración geométrica exterior del tercer electrodo corresponde preferiblemente a la configuración geométrica exterior del primer electrodo 2 y la configuración geométrica exterior del segundo electrodo 3. Cuando el borde circunferencial del tercer borde sigue al borde circunferencial de los electrodos primarios, las líneas del campo eléctrico están mejor distribuidas y confinadas dentro del espacio entre el primer electrodo y el segundo electrodo. Esto es ventajoso en comparación con el caso en el que no hay un tercer electrodo presente o si el tercer electrodo se coloca fuera del volumen entre el primer y el segundo electrodos.

El tercer electrodo 7 tiene preferiblemente la configuración geométrica de un anillo sustancialmente plano, tal como un anillo rectangular como se ilustra en la figura 2a, y por lo tanto comprende una abertura central que permite el flujo libre de medios acuosos desde un primer lado 7b del tercer electrodo que mira al primer electrodo 2 hacia un segundo lado 7c del tercer electrodo que mira al segundo electrodo 3. Otras estructuras de anillo incluyen, entre otras, anillos circulares, anillos cuadrados, anillos octaédricos, etc. Además, también hay otras configuraciones geométricas posibles del tercer electrodo además de un anillo, como una estructura muy porosa, una estructura de malla o un una pluralidad de tiras de láminas interconectadas entre sí para formar conjuntamente el tercer electrodo. La figura 2b ilustra otra realización ejemplar que difiere de la realización ejemplar mostrada en la figura 2a simplemente en que el tercer electrodo 7 está dispuesto en forma de estructura de malla. Aunque el tercer electrodo puede tener diferentes configuraciones geométricas como se describió anteriormente, es importante sin embargo que el tercer electrodo no divida físicamente el flujo de medio acuoso entre los lados del tercer electrodo. Si el tercer electrodo dividiera físicamente el dispositivo de CDI, habría dos semiceldas físicas, cada una trabajando al unísono con un lado del tercer electrodo polarizado positivamente con respecto a un electrodo primario y el otro lado polarizado negativamente con respecto al otro electrodo primario. En tal caso, esto daría como resultado que cada mitad del dispositivo actuara como una celda de CDI individual.

El área de superficie de electrodo del tercer electrodo 7 debe ser considerablemente más pequeña que el área de superficie de electrodo del primer electrodo y el área de superficie de electrodo del segundo electrodo para asegurar que el tercer electrodo permita un flujo libre de medios acuosos desde un lado a otro del tercer electrodo y para evitar el riesgo de que el tercer electrodo contribuya activamente a la adsorción de iones. Si el tercer electrodo tiene un área de superficie tan grande que contribuye activamente a la adsorción de iones, podría correr el riesgo de provocar una asimetría del electrodo, donde la adsorción de iones del dispositivo de CDI estará limitada por la capacidad del electrodo que tenga la capacidad de adsorción de superficie más baja ( en este caso el tercer electrodo). Preferiblemente, el área de superficie de electrodo del tercer electrodo es como máximo el 30%, preferiblemente como máximo el 25%, lo más preferiblemente como máximo el 20%, del área de superficie de electrodo de cada uno de los electrodos primarios. Además, el tercer electrodo tiene preferiblemente un área superficial específica que es menos del 5% del área superficial específica de cada uno de los electrodos primarios, más preferiblemente menos del 2% del área de superficie específica de cada uno de los electrodos primarios.

Además, de la misma manera que de acuerdo con la técnica anterior descrita con respecto a la figura 1, el dispositivo de CDI 10 como se ilustra en las figuras 2a y 2b, preferiblemente también comprende uno o más espaciadores 4, 4' dispuestos entre el primero y el segundos electrodos. El propósito de dicho espaciador o espaciadores es principalmente evitar el riesgo de cortocircuito eléctrico de los electrodos primarios entre sí y con el tercer electrodo durante el uso del dispositivo de CDI. El (los) espaciador(es) también tienen la ventaja de facilitar la disposición de los electrodos para asegurar la distancia adecuada prevista entre los electrodos.

Como se muestra en las figuras 2a y 2b, el dispositivo de CDI 10 comprende preferiblemente un espaciador eléctricamente no conductor 4, 4' en cada lado del tercer electrodo que mira hacia un electrodo primario. El espaciador o los espaciadores están preferiblemente en forma de un componente constituyente separado o, alternativamente, en forma de un revestimiento en la superficie de un electrodo primario que mira al electrodo primario opuesto. Alternativamente, también es posible que el tercer electrodo esté incrustado en un espaciador monolítico eléctricamente no conductor, dicho espaciador monolítico esté preferiblemente en contacto físico directo tanto con el primer electrodo como con el segundo electrodo. Alternativamente, el tercer electrodo constituye una capa de revestimiento sobre un espaciador eléctricamente no conductor, o el (los) espaciador(es) constituyen un revestimiento sobre la superficie del tercer electrodo. Cuando el espaciador o espaciadores tienen la forma de un revestimiento en uno o más del primer, segundo y tercer electrodos, el espaciador/espaciadores, por ejemplo, constituyen un material dieléctricamente polarizable. Los ejemplos de materiales polarizables dieléctricamente adecuados incluyen, pero no se limitan a, óxido de zinc, óxido de titanio, alúmina y zirconia.

La figura 3 ilustra esquemáticamente el campo eléctrico y el transporte de iones en el dispositivo de CDI durante el funcionamiento. El dispositivo de CDI se ilustra en una vista en sección transversal para facilitar la ilustración. El tercer electrodo 7 puede tener cualquiera de las configuraciones geométricas descritas anteriormente, pero en el dibujo se ha dibujado como una forma sólida para facilitar la ilustración. Además, como se puede ver en la figura 3, las dimensiones exteriores del tercer electrodo 7 están limitadas por las dimensiones exteriores de los electrodos primarios 2, 3 como se discutió previamente con referencia a las figuras 2a y 2b.

Como se ilustra en la figura 3, el tercer electrodo 7 proporciona al dispositivo de CDI dos semiceldas eléctricas 12, 13, una a cada lado del tercer electrodo 7 (sin causar ninguna división física del dispositivo como se describe anteriormente).

En la figura, el primer electrodo 2 está polarizado positivamente y el segundo electrodo 3 está polarizado negativamente con respecto al tercer electrodo 7. Sin embargo, es evidente que puede aplicarse lo contrario, es decir, que el primer electrodo 2 está polarizado negativamente y el segundo electrodo 3 está polarizado positivamente con respecto al tercer electrodo 7.

Las especies cargadas negativamente, en la figura 3 ejemplificadas por iones cloruro (Cl-), se atraen al primer electrodo polarizado positivamente 2.

De manera correspondiente, las especies cargadas positivamente, en la figura ejemplificada por iones de sodio (Na+), se atraen al segundo electrodo polarizado negativamente 3. Las líneas de campo eléctrico 12a en la primera media celda eléctrica 12 repelerán cationes, y las líneas de campo eléctrico 13a en la segunda mitad de celda eléctrica 13 repelerán aniones. La repulsión de co-iones es un efecto importante de la presente invención, ya que reduce significativamente los problemas asociados con la desorción de co-iones de los electrodos (anteriormente se había buscado superar mediante dispositivos de CDI asistidos por membrana).

La figura 4a ilustra una vista en perspectiva de otra realización ejemplar más del dispositivo de CDI según la presente invención. La figura 4b ilustra esquemáticamente una vista en sección transversal a lo largo del plano B-B de la figura 4a.

El dispositivo de CDI 20 de acuerdo con la realización ejemplar mostrada en las figuras 4a y 4b difiere del dispositivo de CDI 10 de la realización ejemplar como se describe con referencia a las figuras 2a y 2b (incluidas las modificaciones descritas) en que los electrodos se enrollan en una configuración cilíndrica y en espiral ilustrada en la figura 4b. Esto tiene el efecto de permitir que una mayor parte del área de superficie de electrodo interactúe con la corriente de medio acuoso dentro del dispositivo de CDI. Además, localiza las líneas del campo eléctrico para mejorar aún más la distribución del potencial.

El dispositivo de CDI 20 comprende una carcasa exterior 21 adaptada para confinar el medio acuoso dentro de la celda de CDI durante el proceso de desionización. La carcasa exterior 21 tiene, por ejemplo, una configuración cilíndrica de manera que comprende una primera superficie de extremo 21a, una superficie envolvente 21b y una segunda superficie de extremo (no mostrada) opuesta a la primera superficie de extremo 21a. La carcasa comprende una entrada 29 a través de la cual se introduce el medio acuoso en el dispositivo de CDI, y una salida 30 a través de la cual el medio acuoso sale del dispositivo de CDI después de la desionización. La entrada y la salida pueden ser concéntricas con el eje central del dispositivo de CDI, sin embargo, también son posibles otras configuraciones.

Como se muestra en la figura 4b, el primer electrodo 22, el tercer electrodo 27 y el segundo electrodo 23 están enrollados en espiral alrededor del eje central A. Por lo tanto, los electrodos se repiten periódicamente a lo largo del radio en un plano perpendicular al eje central. Cabe señalar que, aunque no se ilustra en la figura, el dispositivo de CDI 20 comprende preferiblemente espaciadores eléctricamente no conductores de la misma manera que se describe anteriormente con referencia a las figuras 2a y 2b. Además, el dispositivo de CDI comprende al menos otro espaciador eléctricamente no conductor dispuesto en el espacio 24 entre cada vuelta de los electrodos alrededor del eje central para evitar cortocircuitos eléctricos entre el primer electrodo y el segundo electrodo. Una forma de lograr esto es recubriendo la superficie de al menos uno del primer electrodo y el segundo electrodo opuesto al lado que mira al tercer electrodo con un material eléctricamente no conductor o colocando un material poroso eléctricamente no conductor en el espacio 24, cuyo material, sin embargo, es permeable a iones y medios acuosos.

Como se muestra en la figura 4a, el colector de corriente 25 del primer electrodo 22 se extiende a través de la carcasa 21 para permitir la conexión eléctrica a la fuente de CC. Asimismo, el colector de corriente 26 del segundo electrodo 23 y los medios de conexión 28 del tercer electrodo 27 se extienden a través de la carcasa 21 para proporcionar la conexión eléctrica. Los colectores de corriente 25, 26 y los medios de conexión 28 se extienden preferiblemente a través de una superficie lateral de la carcasa cilíndrica 21 como se muestra en la figura. Sin embargo, también son posibles otras configuraciones sin apartarse del alcance de la presente invención.

El esquema de potencia del dispositivo de CDI según la presente invención es diferente de un dispositivo de CDI tradicional ya que el tercer electrodo está conectado a tierra y los electrodos primarios polarizados con cargas opuestas con respecto al tercer electrodo. Sin embargo, de la misma manera que un dispositivo de CDI tradicional, la polarización podrá cambiarse de modo que el dispositivo de CDI pueda regenerarse.

La figura 5 ilustra un ejemplo de una conexión del dispositivo de CDI según la presente invención a una fuente de alimentación que comprende un transformador con toma de derivación central 51 y un circuito rectificador 52 con filtros para CC suave. La fuente de alimentación puede comprender un transformador 51 con toma de derivación central con tres terminales de salida. Un terminal, preferiblemente el terminal central, está conectado a tierra, mientras que los otros dos terminales de la fuente de alimentación están conectados a los dos electrodos primarios E1 y E2 de la celda de CDI. El potencial en los dos terminales se hace referencia desde el terminal central con conexión a tierra y es igual y opuesto entre sí. Los terminales iguales y opuestos están conectados a los dos electrodos primarios E1 y E2, donde un electrodo es negativo y el otro es positivo y el tercer electrodo central E3 está conectado al terminal conectado a tierra de la fuente de alimentación a través de un interruptor. Solo a modo de ejemplo, la fuente de alimentación de salida puede limitarse a una diferencia de potencial total de 1,6 VCC, dando 0,8 V al electrodo positivo en referencia al electrodo central y -0,8 V

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al electrodo negativo en referencia al electrodo central.

Durante la eliminación de iones o la desalinización, el interruptor P1 se cierra (dando al electrodo central de la celda de CDI el mismo potencial que la tierra del circuito), mientras que los interruptores P2 y P3 tienen sus cables 1 y 3 en corto. Esta configuración conduce a que la corriente para la adsorción aniónica (en el electrodo positivo) fluya desde el terminal positivo de la fuente de alimentación hacia el electrodo central de la celda de CDI (corriente de eliminación de aniones), a través del electrodo negativo hacia la tierra de la fuente de alimentación. De manera similar, la corriente para la adsorción de cationes (en el electrodo negativo) fluye desde el terminal de la fuente de alimentación con conexión a tierra al electrodo central de CDI (corriente de eliminación de cationes), al electrodo negativo de CDI y de regreso al terminal negativo de la fuente de alimentación. Por tanto, las direcciones de las corrientes de carga de aniones y cationes se invierten.

Durante la regeneración del electrodo, el interruptor P1 se abre (desconectando el electrodo central del potencial de tierra, mientras que los interruptores P2 y P3 tienen sus 2 y 3 conductores en corto. Esta configuración conduce a que la corriente para la desorción aniónica (en el electrodo positivo) fluya desde el electrodo positivo de la celda de CDI, a través del interruptor P2 y hacia el electrodo central de CDI en un bucle, eliminando los aniones adsorbidos y dando energía en el proceso. De manera similar, la corriente para la desorción de cationes (en el electrodo negativo) fluye desde el electrodo central de CDI, al interruptor P3 y al electrodo negativo de CDI en un bucle, eliminando los cationes adsorbidos y dando energía en el proceso. Por tanto, las direcciones de las corrientes de desorción de aniones y cationes son las mismas. La carga almacenada en el electrodo de la celda de CDI fluirá como corriente hasta que todos los iones retenidos por la superficie del electrodo cargado se eliminen en la solución.

Por tanto, como se explicó anteriormente, los dos electrodos primarios tendrán un potencial igual y opuesto con respecto al tercer electrodo. Sin embargo, si el tercer electrodo y el terminal de referencia del transformador se dejan abiertos/flotando, entonces eléctricamente ambos desarrollarán un alto potencial activo, aumentando así el potencial absoluto en los dos electrodos primarios. Si bien la celda de CDI en tal caso aún podría funcionar, será difícil determinar el potencial de referencia absoluto y puede cambiar el potencial de línea de base, lo que puede conducir a reacciones Faradaicas no deseadas en los dos electrodos primarios y pérdida de energía en el proceso.

Un método para fabricar un dispositivo de desionización capacitiva comprende preferiblemente los pasos de proporcionar un primer electrodo, disponer un tercer electrodo en un primer lado del primer electrodo y disponer un segundo electrodo en un segundo lado del tercer electrodo. El tercer electrodo está configurado para permitir el libre flujo de medio acuoso desde una primera superficie lateral del tercer electrodo que mira al primer electrodo a una segunda superficie lateral del tercer electrodo que mira al segundo electrodo. En este método se proporciona una conexión a tierra al tercer electrodo. El primer electrodo y el segundo electrodo están conectados de manera que sean polarizables con cargas opuestas con respecto al tercer electrodo.

Además, el método comprende preferiblemente disponer al menos un espaciador eléctricamente no conductor entre el primer electrodo y el segundo electrodo. Los espaciadores aíslan eléctricamente los electrodos entre sí. Preferiblemente, se permite que el fluido fluya a través de los espaciadores con una caída de presión insignificante. Como se muestra en las figuras 2 y 4b, el primer electrodo, el tercer electrodo, el segundo electrodo y los espaciadores opcionales están dispuestos en una estructura en capas. La estructura en capas se enrolla preferiblemente de una manera eficaz. El método comprende preferiblemente además enrollar el primer electrodo, el tercer electrodo y el segundo electrodo en la estructura en capas en forma de espiral alrededor de un eje longitudinal y/o central común de modo que el primer electrodo, el tercer electrodo y el segundo electrodo se repiten periódicamente a lo largo un radio en un plano perpendicular al eje longitudinal y/o central a una estructura sustancialmente cilíndrica. Esta estructura evita eficazmente la distribución desigual de fluidos en el dispositivo. Además, el método comprende preferiblemente además disponer la estructura laminada sustancialmente cilíndrica en una carcasa sustancialmente cilíndrica. Preferiblemente, la carcasa comprende además una primera superficie de extremo y una segunda superficie de extremo. Además, se puede disponer una entrada en la primera superficie de extremo de la carcasa y una salida en la segunda superficie de extremo de la carcasa de modo que para cada electrodo, al menos un colector de corriente se extienda a través de la carcasa a través de al menos uno de la primera superficie de extremo y la segunda superficie de extremo. De esta forma se obtiene una estructura compacta.

Además, el método comprende preferiblemente disponer el tercer electrodo de manera que un borde periférico exterior circunferencial del tercer electrodo coincida con un borde periférico circunferencial del primer electrodo y/o un borde periférico circunferencial del segundo electrodo. Esto ayuda al tercer electrodo a distribuir las líneas de campo eléctrico de manera apropiada entre los electrodos. El tercer electrodo puede disponerse como un electrodo en forma de anillo, como un anillo circular, un anillo rectangular, un anillo cuadrado o un anillo octaédrico, por lo que se garantiza, entre otras cosas, que el tercer electrodo no causa ninguna división física de los medios acuosos en el dispositivo. El tercer electrodo se dispone preferiblemente a distancias sustancialmente iguales del primer electrodo y del segundo electrodo. De esta manera, se obtienen capacidades simétricas de eliminación de aniones y cationes que evitan cambios no deseados en el pH y la química del agua.

Según una variante o realización, que puede combinarse libremente con las otras realizaciones, el método comprende revestir el tercer electrodo sobre un espaciador eléctricamente no conductor, preferiblemente sobre un espaciador flexible eléctricamente no conductor. Alternativamente, el método comprende incrustar el tercer electrodo en un espaciador monolítico eléctricamente no conductor, preferiblemente un espaciador monolítico flexible no conductor. En esta realización, el método comprende disponer el espaciador monolítico eléctricamente no conductor en contacto directo con el primer electrodo en una primera superficie lateral del espaciador monolítico y en contacto directo con el segundo electrodo en una segunda superficie lateral del espaciador monolítico.

La figura 6a ilustra una vista en sección transversal de un dispositivo de CDI 60 de acuerdo con otra realización ejemplificativa más de la presente invención. El dispositivo de c Di 60 se diferencia del dispositivo de CDI 20 como se ilustra en las figuras 4a y 4b en que la entrada está dispuesta en forma de tubo 65. El tubo 65 está dispuesto concéntricamente con el eje central (no mostrado) del dispositivo de CDI. Los electrodos 22, 23 y 27 están enrollados en espiral alrededor del eje central de la misma manera que se ha descrito anteriormente con respecto a las figuras 4a y 4b, y por consiguiente también enrollados en espiral alrededor del tubo 65. El tubo 65 comprende una primera parte 62 dispuesta en el interior de una carcasa 21, y una segunda parte 61 dispuesta para extenderse a través de la carcasa 21. La primera parte 62 comprende una pluralidad de perforaciones o agujeros pasantes 63 a lo largo de su extensión longitudinal. La segunda porción 61 del tubo 65 no comprende agujeros pasantes o perforaciones. Puede bombearse líquido al dispositivo de CDI a través de la segunda parte 61 del tubo 65. Por medio de las perforaciones o agujeros pasantes 63 en la segunda parte 62 del tubo distribuidos uniformemente en el dispositivo de CDI a lo largo del eje central del dispositivo de CDI, el líquido fluye radialmente fuera del tubo 65 a través de las perforaciones o agujeros pasantes 63 como lo demuestran las flechas. El líquido puede salir del dispositivo de CDI a través de una o más salidas (no mostradas) dispuestas en la carcasa 21, por ejemplo, en una superficie de extremo opuesta a la primera superficie de extremo 21a. Alternativamente, el líquido puede salir del dispositivo esencialmente radialmente a través de una o más salidas distribuidas uniformemente a lo largo de la extensión longitudinal del dispositivo de CDI (compárese también con el dispositivo 70 mostrado en la figura 6b).

La figura 6b ilustra una vista en sección transversal de un dispositivo de CDI 70 que es similar al dispositivo de CDI 60 mostrado en la figura 6a. Sin embargo, el flujo de líquido dentro del dispositivo de CDI 70 es en la dirección opuesta al flujo de líquido en el dispositivo de CDI 60, como se muestra mediante las flechas. El dispositivo de CDI 70 mostrado en la figura 6b preferiblemente comprende además una carcasa que tiene una pared de superficie envolvente 68 permeable a los líquidos destinada a proteger los componentes constituyentes del dispositivo de CDI pero que no está destinada a obstruir ningún flujo de líquido a través del mismo. De acuerdo con esta realización ejemplificativa, el líquido entrará a través de la pared de superficie envolvente 68, pasará los electrodos 22, 27 y 23, y luego fluirá a través de las perforaciones de los orificios pasantes 63 en la primera parte 62 del tubo 65, y luego saldrá el dispositivo de CDI a través de la segunda parte 61 del tubo 65.

El dispositivo de CDI de acuerdo con la presente invención también se puede lograr modificando cualquier unidad de desionización capacitiva de 2 electrodos tradicional introduciendo el tercer electrodo como se describió anteriormente y adaptando las conexiones eléctricas de manera que el tercer electrodo esté conectado a tierra y el primero y segundo Los electrodos están polarizados con cargas opuestas con respecto al tercer electrodo.

Los electrodos primero y segundo están hechos preferiblemente de material conductor eléctrico flexible, tal como tela de carbón activado que tiene un área de superficie específica de al menos 100 m2/g, preferiblemente al menos 200 m2/g, más preferiblemente al menos 400 m2/g o 600 m2/g, más preferiblemente al menos 800 m2/g y, por ejemplo, preferiblemente una superficie específica de aproximadamente 1000 m2/g.

El tercer electrodo puede estar hecho del mismo material que el primer y segundo electrodos, o puede estar hecho de otro material como se describe anteriormente. El (los) espaciador(es) eléctricamente no conductores pueden estar hechos de cualquier material previamente conocido utilizado para este propósito. El material de los espaciadores debe ser un material poroso aislante que permita un fácil transporte del fluido junto con las especies cargadas a eliminar. Además, los colectores de corriente pueden estar hechos de cualquier material previamente conocido para este propósito, por ejemplo grafito.

El dispositivo de CDI según la presente invención puede modificarse de muchas formas. Por ejemplo, los electrodos primarios pueden estar hechos de cualquier tipo de material previamente conocido para dispositivos de CDI siempre que los materiales de los mismos no se proporcionen específicamente para obtener una eliminación de iones asimétrica. Los electrodos primarios están hechos preferiblemente del mismo tipo de material. Si bien no es necesario, los electrodos primarios también podrían, si se desea, recubrirse con materiales específicos selectivamente permeables para permitir que solo un tipo de ion pase a través de cada electrodo primario, donde un material que solo permita aniones puede recubrirse/colocarse en la parte superior/delante del electrodo primario polarizado positivamente con respecto al tercer electrodo y un material que permite que solo cationes puede recubrirse/colocarse en la parte superior/delante del electrodo primario polarizado negativamente con respecto al tercer electrodo. En este caso, la primera superficie del tercer electrodo estaría en contacto con la primera superficie del material permitiendo el paso de los aniones y la segunda superficie del tercer electrodo estaría en contacto con la primera superficie del material permitiendo solo cationes.

Además, la fuente de alimentación de CC puede ser parte del dispositivo de desionización capacitiva como tal. Por ejemplo, el dispositivo de CDI puede comprender al menos una batería, celda solar, celda de combustible o similar. Alternativamente, la fuente de alimentación de CC puede ser un componente independiente, en cuyo caso el dispositivo de CDI está configurado para conectarse a la fuente de alimentación de CC independiente. Por ejemplo, la fuente de alimentación de CC puede ser al menos una batería, un generador o similar. Por ejemplo, en el caso de uso de baterías (o celdas solares), se pueden conectar dos baterías en serie, en donde el positivo y negativo de la primera batería y la segunda batería están en cortocircuito y se puede extender una conexión desde este punto hasta el tercer electrodo para que actúe como potencial de referencia, mientras que los otros dos terminales de la batería están conectados a los electrodos primarios polarizados positiva y negativamente.

Aunque no se muestra específicamente en todos los dibujos anteriores, el dispositivo de CDI preferiblemente también comprende una carcasa externa que sirve como cubierta protectora para los otros componentes constituyentes del dispositivo de CDI. La carcasa está, si se desea, configurado para asegurar que el medio acuoso esté confinado en el dispositivo de CDI durante la eliminación de las especies cargadas del mismo. La carcasa comprende preferiblemente al menos una entrada para que los medios acuosos entren en la carcasa de CDI. La entrada puede, si se desea, subdividirse adicionalmente en múltiples canales de entrada para crear un flujo uniforme del fluido dentro de los electrodos primarios del dispositivo de CDI.

La figura 7 ilustra un ejemplo de este tipo, donde la entrada 29 está dividida en una pluralidad de canales de entrada 29a, 29b, 29c que se extienden a través de la carcasa 21 en la superficie de extremo 21a del mismo. Naturalmente, el canal de entrada se puede dividir alternativamente, o además, en múltiples canales de entrada dentro de la carcasa 21.

En caso de que el dispositivo de CDI esté destinado a ser utilizado para uso por lotes, la entrada también posiblemente sirva como salida para el medio acuoso después de que la desionización capacitiva se haya completado en el grado previsto o, alternativamente, podría haber una salida separada de la entrada. Sin embargo, para la mayoría de las aplicaciones prácticas, la desionización capacitiva está destinada a un uso continuo y, por tanto, a un flujo continuo de medios acuosos a través del dispositivo y, por tanto, el dispositivo de CDI comprende preferiblemente una salida para los medios acuosos separada de la entrada. Naturalmente, el dispositivo de CDI puede comprender más de una salida si se desea.

El dispositivo de CDI de acuerdo con la presente invención es adecuado para su uso en aplicaciones en las que el líquido del que deben eliminarse las especies iónicas se introduce en el dispositivo de CDI. Sin embargo, como alternativa, el dispositivo se sumerge en el líquido del que se eliminarán las especies iónicas. Tal uso se ejemplifica en la figura 8, donde un dispositivo de CDI 80 está al menos parcialmente sumergido en un tanque 82 o cualquier otra forma de recipiente o receptáculo que contenga un líquido 81 del que se eliminarán las especies iónicas presentes. El dispositivo de CDI 80 preferiblemente tiene una configuración tal que los colectores de corriente 25, 26 y los medios de conexión 28 se extienden fuera del dispositivo de CDI en la misma dirección, como se muestra en la figura 8. Además, el dispositivo de CDI 80 tiene preferiblemente una carcasa 88 permeable a los líquidos a través de la cual el líquido puede entrar y salir del dispositivo de CDI 80.

En una realización, que se puede combinar libremente con los otros aspectos y realizaciones, el dispositivo de CDI es un dispositivo de CDI de "flujo continuo" donde el flujo general del medio acuoso es esencialmente paralelo al campo eléctrico entre el primer electrodo y el segundo electrodo. En tal caso, el medio acuoso pasa a través de al menos uno del primer electrodo y el segundo electrodo, preferiblemente a través del primer electrodo y el segundo electrodo.

Una realización se ilustra en la figura 11a y la figura 11b, donde se muestra una tubería perforada 100, teniendo dicha tubería un extremo abierto 101, opcionalmente con roscas 102, y un extremo sellado 103, así como múltiples orificios de perforaciones 104. Se puede formar una unidad de CDI 120 enrollando capas consecutivas de láminas de grafito 111, tela de carbón activado 112 y un espaciador poroso de iones 113 alrededor de dicha tubería perforada 100. Esta figura también ilustra indirectamente una realización de un método de fabricación de una unidad de CDI, donde el primer electrodo, el tercer electrodo y el segundo electrodo están dispuestos alrededor de una tubería perforada que tiene un extremo abierto y un extremo cerrado, sirviendo dicho extremo abierto de la tubería como entrada o salida para medios acuosos que se someten a desionización capacitiva.

Una pluralidad de tales unidades 120 que comprenden una tubería perforada y los electrodos de CDI enrollados en espiral se pueden ensamblar juntos dentro de una alojamiento o recinto, formando un casete 130 como se muestra en la figura 12. Preferiblemente, dicho casete tiene una entrada 131, un depósito de recolección 132 y una salida 133. El casete está dividido en dos partes por una placa 140 en la que se pueden unir las unidades 120, por ejemplo, insertando el extremo abierto 101 opcionalmente con roscas 102, en los orificios de dicha placa 140.

Estos casetes pueden disponerse en paralelo. Esto tiene la ventaja de permitir ajustar la capacidad, por ejemplo, haciendo funcionar uno o dos casetes. También permite al usuario regenerar un casete mientras el otro está activo, asegurando así un funcionamiento continuo. Se puede recurrir al uso de múltiples unidades, casetes de conjuntos en serie o en paralelo, así como en otras configuraciones para incrementar la capacidad, flexibilidad, seguridad o la redundancia en el sistema, y serán obvias para un experto en la materia.

Alternativamente, el dispositivo de CDI es un dispositivo de CDI de "flujo por" donde el flujo general del medio acuoso es perpendicular al campo eléctrico entre el primer electrodo y el segundo electrodo.

El dispositivo de acuerdo con la presente invención se utiliza preferiblemente para producir agua potable en áreas con escasez de energía y agua, o para producir agua potable en edificios públicos, hospitales, hoteles, etc. El dispositivo es

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particularmente adecuado para áreas remotas sin acceso a agua municipal, áreas donde el agua municipal es de mala calidad o desigual, o aplicaciones donde se desea una alta y uniforme calidad del agua. El dispositivo también es adecuado para su uso en el tratamiento de agua de lastre en embarcaciones/barcos. El dispositivo también se puede utilizar para ablandar agua para aplicaciones privadas, municipales o industriales.

Resultados experimentales

Ejemplo 1. Comparación del rendimiento de una CDI de dos y tres electrodos

La eficiencia de eliminación de iones de un dispositivo de CDI que comprende dos electrodos ACC primarios y un tercer electrodo central (en lo sucesivo denominado celda de tres electrodos) se comparó con la de un dispositivo de CDI que comprende solo dos electrodos ACC primarios, es decir, sin un tercer electrodo central (en adelante denominado celda de dos electrodos). El tercer electrodo central en la celda de tres electrodos estaba hecho de placa de grafito.

Los electrodos primarios tanto para la celda de dos electrodos como para la celda de tres electrodos tenían cada uno un área de superficie de electrodo de 9 cm2. El electrodo central, es decir, el tercer electrodo, en la celda de tres electrodos tenía la forma de un anillo que tenía un borde exterior circunferencial siguiendo los bordes exteriores circunferenciales de los electrodos primarios y que tenía un área de superficie de electrodo de 2 cm2. El tercer electrodo tenía una superficie específica igual al 0,5% (1,25 m2) de la superficie específica total de un solo electrodo primario (250 m2). Como afluente se utilizó agua desionizada con una adición de 1 g/L de NaCl y un caudal de afluente de 3 mL/min.

Para la celda de dos electrodos, el potencial de CC aplicado fue de 1,6 V CC entre los dos electrodos primarios. Para la celda de tres electrodos, el potencial de CC aplicado fue de 0,8 V CC entre el electrodo positivo y el tercer electrodo central, y de -0,8 V CC entre el electrodo negativo y el tercer electrodo central. Por tanto, la diferencia de potencial total entre los electrodos primarios de los dispositivos de CDI fue de 1,6 V CC tanto para la celda de dos electrodos como para la celda de tres electrodos. Ambas celdas usaron dos capas de material de celulosa como espaciador no conductor, en donde para la celda de tres electrodos, el tercer electrodo se insertó entre los dos espaciadores de celulosa para aislarlo eléctricamente de los dos electrodos primarios. Como el tercer electrodo tenía la forma de un anillo abierto y los dos electrodos primarios no estaban unidos a los colectores de corriente rígidos, la distancia del área activa (región que contribuye a la eliminación de iones) de los dos electrodos primarios (área abierta del anillo) es efectivamente similar para las celdas de dos y tres electrodos y su efecto sobre la eliminación de iones puede despreciarse.

Se controló el cambio de conductividad del influente en la salida de la celda para medir la eficiencia de eliminación/adsorción de iones de los dispositivos de CDI. Simultáneamente, se registraron las corrientes de carga y descarga para calcular el consumo de energía durante el proceso de desalación y estimar el consumo de energía total por m3 (1000 litros) de agua desalada.

La figura 9 ilustra las curvas de conductividad obtenidas para la celda de dos electrodos y la celda de tres electrodos, respectivamente. La figura 10 ilustra las eficiencias de eliminación de aniones y cationes para la celda de dos electrodos y la celda de tres electrodos, respectivamente. La tabla 1 especifica la eficiencia de desalación, la capacidad de adsorción de sal y el consumo de energía obtenido.

Tabla 1. Eficiencia de desalinización, capacidad de adsorción de sal y consumo de energía para celda de dos electrodos y la celda de tres electrodos, respectivamente

A partir del resultado que se muestra en la figura 9 se puede ver que la eficiencia de desalinización de la celda de tres electrodos es mejor que la celda de dos electrodos en un 36%. La figura 10 sugiere que el aumento en la eficiencia de eliminación de sal para la celda de tres electrodos podría deberse a la eliminación simétrica de aniones y cationes, atribuida al potencial bien distribuido que conduce a campos eléctricos iguales y opuestos presentes entre los electrodos primarios y el tercer electrodo en las dos mitades eléctricas de la celda de CDI de tres electrodos. La repulsión simétrica de cationes del electrodo positivo y aniones del electrodo negativo con adsorción simultánea en los electrodos opuestos conduce a la eliminación eficiente de ambos iones del agua y una capacidad mejorada de eliminación de sal específica. En comparación, para la celda de dos electrodos, hay una repulsión de cationes del electrodo positivo de la celda de CDI que conduce a su eliminación, pero debido a que el otro electrodo (es decir, el electrodo negativo) tiene un potencial cercano a 0 V CC (conectado a fuente de alimentación negativa/tierra), no hay repulsión de aniones en solución, lo que limita su eficiencia como se ve en la figura 10. Los resultados también sugieren que la repulsión es un aspecto importante para la eliminación de iones y no puede pasarse por alto.

La eliminación simétrica de los iones de la corriente de alimentación de agua también reduce el consumo de energía para todo el proceso, como se ilustra en la Tabla 1. Simultáneamente, también fue evidente una mejora del 40% en la capacidad de adsorción de sal específica junto con una mejora del 37% en la eficiencia de carga y una reducción del 28% en kWh/m3 de agua desalada de la celda de tres electrodos en comparación con la celda de dos electrodos. La eficiencia de carga básicamente define la relación entre la entrada de carga en culombios a la celda y la carga culómbica equivalente de iones eliminados de la corriente de agua. Una eficiencia de carga del 100% significa que por cada entrada de electrón/hueco a la celda, se elimina un catión/anión de la celda.

Sin elaboración adicional, se cree que una persona experta en la técnica puede, usando la presente descripción, incluidos los ejemplos, utilizar la presente invención en su máxima extensión. Además, aunque la invención se ha descrito en el presente documento con respecto a sus realizaciones preferidas, que constituyen el mejor modo conocido actualmente por los inventores, debe entenderse que pueden realizarse varios cambios y modificaciones, como serían obvios para un experto en esta técnica realizarse sin apartarse del alcance de la invención que se establece en las reivindicaciones adjuntas. Por tanto, aunque en el presente documento se han descrito varios aspectos y formas de realización, los expertos en la técnica apreciarán otros aspectos y formas de realización. Los diversos aspectos y realizaciones divulgados en este documento tienen el propósito de ilustrar y no pretenden ser limitantes, con el verdadero alcance y espíritu que se indican en las siguientes reivindicaciones.

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Claims

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo de desionización capacitiva (10) que comprende un primer electrodo (2) y un segundo electrodo (3), el segundo electrodo

(3) opuesto al primer electrodo (2), preferiblemente donde el primer electrodo (2) y el segundo electrodo (3) están separados entre sí por al menos un espaciador eléctricamente no conductor (4, 4') dispuesto entre el primer electrodo y el segundo electrodo,

donde el dispositivo comprende además un tercer electrodo (7) entre el primer electrodo (2) y el segundo electrodo (3), el tercer electrodo (7) configurado para permitir un flujo sustancialmente sin restricciones de medios acuosos desde un primer lado del tercer electrodo que mira el primer electrodo (2) a un segundo lado del tercer electrodo que mira hacia el segundo electrodo (3), donde el tercer electrodo (7) está configurado para estar conectado eléctricamente a tierra, y el primer electrodo (2) y el segundo electrodo (3) están configurados para ser polarizables con cargas opuestas con respecto al tercer electrodo (7), y donde cada uno del primer electrodo (2), el segundo electrodo (2) y el tercer electrodo (7) está hecho de una sustancia químicamente inerte y material flexible.

2. El dispositivo según la reivindicación 1, donde el tercer electrodo (7) comprende un borde periférico exterior circunferencial que tiene sustancialmente el mismo tamaño y forma circunferenciales que un borde periférico circunferencial del primer electrodo y/o un borde periférico circunferencial del segundo electrodo.

3. El dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, donde el tercer electrodo (7) tiene una configuración geométrica de un anillo, tal como un anillo circular, un anillo rectangular, un anillo cuadrado o un anillo octaédrico.

4. El dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el tercer electrodo (7) está dispuesto a distancias sustancialmente iguales del primer electrodo y del segundo electrodo.

5. El dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el tercer electrodo (7) está hecho de carbón o de un material a base de carbón, preferiblemente una tela de carbón activado, una placa de grafito o una o más hojas de grafeno.

6. El dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el tercer electrodo (7) está dispuesto en forma de revestimiento sobre un espaciador eléctricamente no conductor, preferiblemente sobre un espaciador flexible eléctricamente no conductor.

7. El dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el tercer electrodo (7) está incrustado en un espaciador monolítico eléctricamente no conductor, preferiblemente en un espaciador monolítico flexible no conductor.

8. El dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el tercer electrodo (7) está impreso en un espaciador eléctricamente no conductor, preferiblemente en un espaciador flexible eléctricamente no conductor.

9. El dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el espaciador eléctricamente no conductor (4, 4') es un espaciador monolítico y está dispuesto en contacto directo con el primer electrodo (2) en una primera superficie lateral del espaciador monolítico, y está dispuesto en contacto directo con el segundo electrodo (3) en una segunda superficie lateral del espaciador monolítico.

10. El dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el primer electrodo (2), el segundo electrodo (3) y el tercer electrodo (7) están dispuestos en forma de espiral alrededor de un eje longitudinal y/o central común de manera que el primer electrodo (2), el tercer electrodo (7) y el segundo electrodo (3) se repiten periódicamente a lo largo del radio en un plano perpendicular al eje longitudinal y/o central y forman conjuntamente una estructura sustancialmente cilíndrica.

11. El dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una carcasa sustancialmente cilíndrica (21) donde está dispuesta la estructura sustancialmente cilíndrica, una entrada (29) en una primera superficie de extremo de la carcasa y una salida (30) en una segunda superficie de extremo de la carcasa, y donde cada uno de los electrodos (2, 3) comprende al menos un colector de corriente (25, 26) que se extiende desde la carcasa (21) a través de una de la primera superficie de extremo y la segunda superficie de extremo.

12. 9. Un arreglo de desionización capacitiva que comprende una pluralidad de dispositivos de desionización capacitiva, donde al menos uno de la pluralidad de dispositivos de desionización capacitiva es un dispositivo de desionización capacitiva según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

13. Un método para fabricar un dispositivo de desionización capacitiva, el método comprende proporcionar un primer electrodo (2), disponer un tercer electrodo (7) en un primer lado del primer electrodo (2) y disponer un segundo electrodo (3) en un segundo lado del tercer electrodo (7), donde el tercer electrodo (7) está configurado para permitir el flujo libre de medios acuosos desde una primera superficie lateral del tercer electrodo (7) que mira al primer electrodo (2) a una segunda superficie lateral del tercer electrodo (7) que mira al segundo electrodo, electrodo (3), que proporciona una conexión a tierra al tercer electrodo (7) y conectar el primer electrodo (2) y el segundo electrodo (3) de manera que sean polarizables con cargas opuestas con respecto al tercer electrodo (7), y donde cada uno del primer electrodo (2), el segundo electrodo (3) y el tercer electrodo (7) está hecho de un material químicamente inerte y flexible.

14. El método según la reivindicación 13, que comprende además hacer rodar el primer electrodo (2), el tercer electrodo (7) y el segundo electrodo (3) en forma de espiral alrededor de un eje longitudinal y/o central común de modo que el primer electrodo (2), el tercer electrodo (7) y el segundo electrodo (3) se repiten periódicamente a lo largo de un radio en un plano perpendicular al eje longitudinal y/o central y forman conjuntamente una estructura sustancialmente cilíndrica.

15. El método según la reivindicación 14, que comprende además disponer la estructura rolada sustancialmente cilíndrica en una carcasa sustancialmente cilíndrica (21) que comprende una primera superficie de extremo y una segunda superficie de extremo, y disponer una entrada (29) en la primera superficie de extremo de la carcasa y una salida (30) en la segunda superficie de extremo de la carcasa (21), y disponer para cada electrodo (2, 3) al menos un colector de corriente (25, 26) que se extiende a través de la carcasa (21) a través de al menos una de los primera superficie de extremo y la segunda superficie de extremo.

16. El método de acuerdo con la reivindicación 13 o 14, donde el primer electrodo (2), el tercer electrodo (7) y el segundo electrodo (3) están dispuestos alrededor de una tubería perforada que tiene un extremo abierto y un extremo cerrado, sirviendo dicho extremo abierto de la tubería como entrada o salida para medios acuosos que se someten a desionización capacitiva.

17. Un método de desionización de un medio acuoso que comprende el uso de un dispositivo de desionización capacitiva de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11 o un arreglo de acuerdo con la reivindicación 12 para eliminar especies cargadas del medio acuoso.