MXPA06010074A - Celda para procesos electroquimicos - Google Patents

Abstract

Estádescrita una celda de distancia interelectródica finita para procesos electroquímicos con evolución de oxígeno que comprende un paquete deánodos planos sujetados a un bastidor y un paquete de cátodos planos intercalados a losánodos sujetados a un marco. El paquete catódico puede ser manejado separadamente o conjuntamente al paquete anódico por medio de un aparato de elevación. La celda es particularmenteútil en procesos de deposición electrolítica de metales y en procesos de ablandamiento de agua calcáreas por microelectrólisis.

Description

CELDA PARA PROCESOS ELECTROQUÍMICOS CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención es relativa a una celda indivisa para procesos electroquímicos con evolución anódica de oxígeno; en particular, la celda puede ser empleada en procesos de electrodeposición de metales o en tratamientos industriales de aguas, por ejemplo ablandamiento de agua potable.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Varios procesos de baja densidad de corriente (menor de 0.5-1 kA/m2) son conocidos en el campo de la electroquímica industrial, cuya reacción anódica conduce a la evolución de oxígeno; estos tipos de aplicaciones, al contrario de otros procesos electroquímicos comunes, en donde la utilización de elevadas densidades de corriente y/o la evolución de gases tóxicos y corrosivos tales como el cloro, han impuesto desde hace tiempo un desarrollo muy cuidadoso del relativo diseño de celda, se efectúan en cubas abiertas de formas genéricas, en donde se alojan electrodos simples manejados individualmente. Es este el caso por ejemplo de las deposiciones electrometalúrgicas a partir de baños obtenidos por ataque de minerales metálicos (electroextracción y similares) : en este caso, la escasa estabilidad dimensional de los ánodos de plomo normalmente utilizados para la evolución de oxígeno, además de aquella de los cátodos sobre los que crece el revestimiento metálico que constituye el producto deseado, lleva al desarrollo natural de celdas en donde la flexibilidad en el posicionamiento de los electrodos y en la regulación individual de la distancia interelectródica en las diferentes etapas del proceso representa un beneficio sensible. Sin embargo, especialmente la introducción de ánodos dimensionalmente estables de titanio activados con barnices electrocatalíticos en sustitución de los más difundidos ánodos de plomo vuelve ahora aconsejable una reconsideración de la geometría tradicional de la celda de electroextracción, que permita una mayor eficiencia y productividad de las celdas de deposición para una recuperación más rápida de los costos más elevados de estos ánodos de nueva generación. En particular, el mercado requiere un nuevo diseño de celda que permita sacar ventaja de la característica más favorable de los nuevos ánodos de titanio, es decir el menor voltaje de celda, para hacer su introducción más provechosa aun siendo el costo de inversión más alto. A las densidades de corriente particularmente reducidas que caracterizan este tipo de proceso (0.2-0.5 kA/m2), la tarea no es ciertamente fácil. Varios otros ejemplos de procesos electroquímicos con evolución de oxígeno a baja densidad de corriente que necesitan de diseños de celda novedosos pueden ser mencionados, especialmente en el ámbito de los tratamientos de aguas. Un ejemplo particularmente relevante es al ablandamiento de aguas calcáreas por microelectrólisis. La microelectrólisis de aguas calcáreas favorece la deposición catódica de carbonato de calcio y/o magnesio por desplazamiento local del equilibrio entre las especies iónicas carbonato y bicarbonato; la alcalinización local del cátodo que se origina a partir del proceso de electrólisis que, debido a la muy escasa conductividad, se efectúa a una densidad de corriente mínima (de todas maneras inferior a 20 A/m2 , y comúnmente inferior a 1 A/m2 ) causa la conversión local de los iones bicarbonato en carbonato, precipitando sobre la superficie catódica como carbonato de calcio y/o magnesio escasamente soluble. Este proceso, divulgado en la solicitud de patente FR 2 743 800, es un competidor muy fuerte de los tratamientos de ablandamiento químico (con sosa cáustica en presencia de arenas o con leche de cal) o físico (con resinas de intercambio iónico) , especialmente en el campo de las aguas para uso alimentar. El costo de este proceso es sin embargo muy elevado, debido a la escasa eficiencia de los reactores cilindricos corrientemente utilizados para este fin y descritos en la solicitud de patente francesa antes mencionada.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN Es un objetivo de la presente invención proporcionar una celda electroquímica para procesos con evolución de oxígeno a baja densidad de corriente que supere las limitaciones de la técnica anterior. En particular, es un objetivo de la presente invención proporcionar una celda electroquímica para procesos con evolución de oxígeno a baja densidad de corriente, por ejemplo electroextracción de metales o procesos de tratamiento de agua potable, que muestre características óptimas en términos de eficiencia eléctrica, productividad por superficie de planta, flexibilidad operativa y facilidad de manipulación y de mantenimiento . BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS - La figura 1 es una vista superior de la celda de la invención; - La figura 2 es una vista superior de un cátodo de la celda de la invención; - La figura 3 es una vista lateral de una primera forma de realización de la celda de la invención; - La figura 4 es una vista lateral de una segunda forma de realización de la celda de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Bajo un aspecto, la invención consiste en una celda electroquímica apropiada para ser atravesada por un flujo de electrolito ascendente, que comprende un paquete anódico y un paquete catódico recíprocamente intercalados. El paquete catódico consiste en una hilera de cátodos planos verticales, sujetados a un marco catódico, preferiblemente en dos puntos superiores; el paquete anódico consiste en una hilera de ánodos planos verticales preferiblemente sujetados en al menos dos puntos superiores y dos puntos inferiores a un bastidor anódico, a su vez empernado al marco catódico o sujetado amoviblemente a este último de forma diferente. El marco catódico es apropiado para ser manejado a través de un medio de elevación adecuado (por ejemplo una grúa o un puente grúa) para permitir el posicionamiento del entero paquete catódico en una única operación. Además, la posibilidad de sujetar amoviblemente el bastidor anódico al marco catódico vuelve posible manipular el solo paquete catódico o ambos paquetes al mismo tiempo. En una forma de realización preferida, los cátodos planos consisten en láminas de acero inoxidable o níquel. En una forma de realización particularmente preferida, los ánodos consisten en láminas de metal válvula, preferiblemente titanio, recubiertas con un revestimiento catalítico para la evolución de oxígeno. La celda de la invención puede ser delimitada por una cuba adecuada para contener los paquetes anódico y catódico, o or paredes laterales de contención, por ejemplo empernadas o sujetadas de otra forma al bastidor anódico. En este último caso, la celda no está provista de un fondo propio, y está posicionada sobre un tanque de colección apropiado, por ejemplo una tolva de fondo cónico, presente en el sitio. Esta solución es típicamente adecuada para plantas de tratamiento de aguas, por ejemplo para ablandamiento de aguas calcáreas, y en general en aquellos casos en donde se tiene que eliminar un producto catódico de tipo polvoriento, que se recoge ventajosamente en el fondo del tanque. En una forma de realización preferida, la celda de la invención comprende una barra colectora anódica y una barra colectora catódica, preferiblemente en la parte superior. La barra colectora catódica interesa preferiblemente la zona de sujeción de los cátodos al marco catódico. En una forma de realización preferida, el posicionamiento de los paquetes anódico y catódico según una geometría intercalada está facilitado por guías apropiadas de material aislante, preferiblemente guías plásticas sujetadas al bastidor anódico, en donde pueden fijarse los cátodos en la fase de ensamblaje. Bajo un ulterior aspecto, la invención es relativa a un proceso de electroextracción de metales efectuado por electrólisis en un baño que contiene los iones del metal que debe ser depositado en una celda electroquímica que comprende un paquete anódico y un paquete catódico, que respectivamente comprenden ánodos y cátodos verticales recíprocamente intercalados . Bajo un ulterior aspecto, la invención es relativa a un proceso de ablandamiento de aguas calcáreas por microelectrólisis en una celda electroquímica que comprende un paquete anódico y un paquete catódico, que respectivamente comprenden ánodos y cátodos verticales recíprocamente intercalados. La invención será descrita refiriéndose a las figuras anexas, proporcionadas a título meramente ejemplificativo y que no deben entenderse como una limitación de ésta. En la figura 1 está mostrada una vista superior de la celda de la invención, cuyo tanque de retención externo no está representado. La celda comprende un bastidor anódico (100) al que está sujetado un paquete anódico que consiste en una hilera de ánodos planos (101) , por ejemplo ánodos de titanio con un revestimiento catalítico para la evolución de oxígeno a base de óxidos de metales nobles, como es notorio en la técnica. Los ánodos (101) son preferiblemente estructuras perforadas, tales como mallas o láminas expandidas. El bastidor (100) comprende también una serie de guías aislantes (102), por ejemplo hechas de material plástico, aptas para favorecer la correcta inserción de los cátodos en posición intercalada con los ánodos (101) . Superpuesto al paquete anódico, está mostrado un paquete catódico sujetado a un marco, del que están visibles las barras longitudinales superiores (200) y una barra transversal superior (201) . El número de barras longitudinales y transversales que componen el marco catódico puede de todas maneras variar según el tamaño total de la celda. Al marco catódico y en particular, según la forma de realización mostrada en la figura, a las barras longitudinales (200) , está sujetada una hilera de cátodos planos (203), que consisten por ejemplo en láminas macizas de acero inoxidable o níquel. Los puntos de sujeción de un cátodo (203) al marco catódico están representados como cruces (204) ; la figura muestra por lo tanto que cada cátodo está sujetado al marco catódico en dos puntos superiores, uno por cada barra longitudinal (200) . Un experto en la materia puede encontrar varias diferentes soluciones satisfactorias para sujetar el paquete catódico al marco respectivo, pero las soluciones que prevén al menos dos puntos superiores de sujeción y al menos dos puntos inferiores de sujeción son preferidas. El posicionamiento de los paquetes anódico y catódico tal como mostrado en la figura, sin diafragma interpuesto, determina una geometría de celda del tipo indiviso con distancia interpolar finita; la distancia interpolar, que determina una larga parte de la caída óhmica y por lo tanto de la penal resistiva del proceso electroquímico, puede ser mantenida a niveles extremadamente reducidos gracias al tipo de construcción que puede ser llevada a cabo con tolerancias muy estrictas. En el caso de los procesos de electrodeposición de metales, la distancia interpolar mínima está limitada por la necesidad de evitar que el producto que se acumula sobre el cátodo llegue a tocar el ánodo de enfrente aunque sea en forma ocasional, determinando fenómenos locales de cortocircuito. En el caso de procesos que producen depósitos catódicos no conductores, como en el caso de la microelectrólisis del agua, este vínculo es menos estrecho, y la distancia interpolar puede ser reducida a valores muy bajos (15-30 mm) . El bastidor anódico (100) y las barras longitudinales (200) del marco catódico están sujetados amoviblemente por medio de pernos (205) . Esto permite la inserción o extracción simultánea, a través de medios de elevación adecuados, de los dos paquetes electródicos, anódico y catódico. De igual manera, la remoción del perno (205) permite, por ejemplo, la manipulación del solo paquete catódico. Las ventajas de una similar flexibilidad operativa resultarán evidentes a un experto del ramo: el paquete catódico, por ejemplo, puede ser extraído como un conjunto único para recuperar el producto (mientras que la técnica anterior prevé la recuperación individual de cada cátodo) , sin embargo sin tener que manipular el más delicado paquete anódico. Alternativamente, la extracción del paquete catódico y su posicionamiento sobre un soporte diferente puede ser conveniente para efectuar una operación de mantenimiento de los ánodos que quedan posicionados en el tanque de retención y que resultan, después de la remoción del paquete catódico, fácilmente accesibles individualmente. Las barras longitudinales (200) pueden actuar al mismo tiempo como barras conductoras catódicas de la celda, o pueden estar directamente conectadas con una barra conductora externa, por ejemplo hecha de cobre. En una forma de realización preferida, una barra conductora anódica equivalente, conectada eléctricamente al bastidor anódico (100) , es igualmente presente en la parte superior de la celda, no representada. La figura 2 muestra un cátodo (203) en vista frontal, sujetado en dos puntos superiores a las barras longitudinales (200) del marco catódico. Las guías aislantes (102) son otra vez mostradas, sujetadas al bastidor anódico (100) favoreciendo su correcto posicionamiento y alineación respecto a los ánodos adyacentes (no representados) . La figura 3 muestra una primera forma de realización de la celda de la invención; los elementos comunes a las figuras precedentes están identificados por los mismos numerales de referencia. La estructura ilustrada, completamente abierta en todos lados, es apta para ser insertada en un tanque de retención externo de forma y tamaño adecuado. El núcleo de la celda, constituido por los paquetes electródicos, resulta ser de todas maneras una estructura fácil de remover del tanque que la delimita; el tanque de retención muchas veces es una instalación fija de la planta electroquímica relativa, mientras que la estructura representada en figura 3 puede ser construida o sometida a reactivación catalítica y otros tipos de mantenimiento en un sitio totalmente independiente de la planta misma. En muchos casos, por ejemplo para aplicaciones electrometalúrgicas, tanques ya empleados con electrodos de la técnica anterior pueden ser reutilizados sustituyendo estos últimos con la estructura representada en la figura 3. En otros casos, el tanque de retención presente en el sitio puede ser una tolva, normalmente de fondo cónico, con paredes laterales de altura limitada. En este caso, la celda de la invención puede ser construida según la forma de realización mostrada en la figura 4, en donde unas paredes laterales (103), por ejemplo empernadas al bastidor anódico (100) , han sido agregadas a los elementos ilustrados en la figura 3. En la figura 4 están también mostrados otros elementos opcionales de la celda, tales como la boquilla de alimentación (300) y el colector de extracción (301), alimentado desde un rebosadero preferiblemente regulable (302) en la parte superior de la celda; los procesos electroquímicos para los cuales la celda es apropiada son en efecto preferiblemente ejecutados sobre un electrolito que circula desde el fondo hasta la superficie con un lento movimiento ascendente, ejerciendo una acción mecánica lo más posible limitada sobre el deposito catódico. El rebosadero regulable puede servir a controlar el movimiento interno del electrolito, para obtener una distribución lo más uniforme posible, como es notorio para los expertos en el ramo . En una forma de realización preferida, el colector de extracción (301) es obtenido al interior del mismo tubular que constituye la estructura de la celda. La celda de la invención es empleada en todo proceso común de electrodeposición primaria de metales; la distancia interelectródica limitada, con consecuente disminución del voltaje de celda, y la elevada productividad permitida por la alta superficie activa por unidad de volumen vuelve más atractiva en este caso la utilización de los electrodos de titanio activados con óxidos de metales nobles, más costosos que los ánodos de plomo tradicionales pero preferidos por razones de ahorro energético. La reducida penal resistiva puede también permitir efectuar el proceso a densidad de corriente más elevada con respecto a aquellas de la electroextracción tradicional de metales (por ejemplo, 500 A/m2 en lugar de 100 A/m2) . La geometría modular de los paquetes electródicos además permite una máxima flexibilidad operativa en términos de productividad por ciclo, ya que parejas de ánodos y cátodos pueden ser fácilmente excluidas del proceso o reintegradas en el mismo operando la celda con un número mayor o menor de electrodos, según las necesidades de la producción. La celda encuentra otra utilización natural en diferentes procesos de tratamiento de aguas, entre los cuales el ablandamiento de aguas calcáreas. En este caso, es particularmente importante que la celda sea alimentada con el agua que debe ser ablandada desde el fondo, manteniendo una lenta circulación hacia arriba (indicativamente, con tiempos de residencia de 10-15 minutos) para obtener el producto deseado (es decir agua ablandada, por ejemplo con un contenido de calcio y magnesio reducido del 90%) en la zona superior, preferiblemente a través de un rebosadero que alimenta el colector superior de descarga. Mediante condiciones de proceso controladas se puede evitar que el depósito catódico, que consiste en carbonato como divulgado en la mencionada solicitud de patente FR 2 743 800, se despegue de la superficie catódica contaminando otra vez el agua. Sin embargo, aunque esto ocurra, la circulación de agua con un lento movimiento ascendente hace que las escamas de depósito desprendidas se sedimenten en el fondo del tanque de retención, evitando de mezclarse con el producto . Las superficies catódicas pueden ser limpiadas periódicamente, por ejemplo por medios mecánicos tales como cepilladura, inducción de vibraciones y/o tratamiento con aire comprimido, después de haber relajado el vínculo (205) entre bastidor anódico (100) y marco catódico, levantando el solo paquete catódico. Como resulta evidente a un experto en la materia, la invención puede ser practicada aportando otras variaciones o modificaciones a los ejemplos alegados. La descripción anterior no se entenderá como limitante la invención, que puede ser practicada según diferentes formas de realización sin alejarse de sus objetivos, y cuyo alcance está unívocamente definido por las reivindicaciones anexas . En la descripción y en las reivindicaciones de la presente solicitud, la palabra "comprender" y sus variaciones tal como "comprende" y "comprendido" no tienen el objetivo de excluir la presencia de otros elementos o componentes accesorios .

Claims (14)

1. NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiéndose descrito el presente invento se considera como una novedad, y por lo tanto, se reclama como prioridad en las siguientes : REIVINDICACIONES 1. Celda indivisa de distancia interpolar finita para procesos electroquímicos con evolución anódica de oxígeno, que comprende un paquete anódico constituido por ánodos planos verticales sujetados a un bastidor anódico y un paquete catódico constituido por cátodos planos verticales sujetados a un marco catódico e intercalados a dichos ánodos, dicho bastidor anódico y dicho marco catódico provistos de medios para la sujeción recíproca de manera amovible permitiendo alternativamente la extracción individual de dicho paquete catódico o la extracción simultánea de dicho paquete anódico y dicho paquete catódico .
2. 2. La celda de la reivindicación 1 que además comprende un colector inferior de alimentación y un colector superior de descarga del electrolito alimentado a través de un rebosadero opcionalmente regulable.
3. 3. La celda de la reivindicación 1 o 2 que comprende una barra conductora anódica sujetada a la parte superior de dicho bastidor anódico.
4. 4. La celda de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde dichos ánodos comprenden un substrato de titanio o metal válvula y un revestimiento catalítico para evolución de oxígeno a base de óxidos de metales nobles .
5. 5. La celda de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde dichos ánodos están sujetados a dicho bastidor anódico en al menos cuatro puntos, dos puntos superiores y dos puntos inferiores .
6. 6. La celda de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde dicho bastidor anódico comprende guías aislantes opcionalmente de material plástico para alinear dichos cátodos en posición intercalada respecto a dichos ánodos .
7. 7. La celda de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde dichos cátodos planos son en forma de lámina de acero inoxidable o níquel .
8. 8. La celda de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde dichos cátodos planos están sujetados a dicho marco catódico en al menos dos puntos superiores en conexión eléctrica con una barra conductora catódica.
9. 9. La celda de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores que además comprende un tanque de retención externo .
10. 10. La celda de una cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 8 que además comprende paredes laterales de contención sujetadas a dicho bastidor anódico.
11. 11. Un proceso de electroextracción de metal que comprende la electrólisis de un baño de deposición por medio de la celda de una cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 10.
12. 12. Un proceso de ablandamiento de aguas que comprende la microelectrólisis de aguas que contienen carbonato de calcio y/o magnesio alimentadas desde el fondo en la celda de una cualguiera de las reivindicaciones de 1 a 10, con deposición de dicho carbonato de calcio y/o magnesio sobre dichos cátodos planos y extracción del agua ablandada desde la parte superior.
13. 13. El proceso de la reivindicación 12 que comprende la extracción periódica de dicho paquete catódico y la sucesiva eliminación de dicho carbonato de calcio y/o magnesio depositado sobre dichos cátodos planos.
14. 14. El proceso de la reivindicación 13 en donde dicha eliminación de carbonato de calcio y/o magnesio es efectuada con medios mecánicos .