WO2015166127A1

WO2015166127A1 - Celda electroquímica de flujo para electrodos

Info

Publication number: WO2015166127A1
Application number: PCT/ES2015/070351
Authority: WO
Inventors: Santiago CAVANILLAS LÓPEZ; Angela DAGO BUSQUETS; Nuria SERRANO PLANA; Maria Cristina ARIÑO BLASCO; José Manuel DÍAZ CRUZ; Miguel ESTEBAN CORTADA; Rafael BERMÚDEZ JIMÉNEZ
Original assignee: Universitat de Barcelona UB; Universitat Politecnica de Catalunya UPC
Current assignee: Universitat de Barcelona UB; Universitat Politecnica de Catalunya UPC
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2015-11-05
Anticipated expiration: 2016-10-30
Also published as: ES2549676A1; ES2549676B1

Abstract

Tiene un primer elemento y un segundo elemento que, acoplados, forman una cavidad de análisis hermética, donde la celda tiene además: una base, medios de conexión que conectan el segundo elemento a la base, donde los medios de conexión permiten al primer elemento deslizarse entre el segundo elemento y la base, y una cuña que puede insertarse entre la base y el primer elemento, donde al menos parte de la superficie del primer elemento, o parte de la superficie de la base, tiene un ángulo de inclinación correspondiente al de la cuña tal que, cuando se inserta la cuña, el primer elemento se comprime contra el segundo elemento para conseguir un acoplamiento hermético. La invención es útil para cambiar los electrodos de modo simple, rápido y fiable, sin necesidad de herramientas.

Description

Celda electroquímica de flujo para electrodos

La presente invención se refiere al campo de las celdas electroquímicas de flujo. ESTADO DE LA TÉCNICA

En los últimos años, la calidad y el precio de los electrodos comerciales, especialmente de los electrodos intercambiables, han mejorado notablemente. Como consecuencia, su uso se está haciendo cada vez más común en una gran variedad de aplicaciones, como la detección electroquímica en sistemas de flujo, p.ej. cromatografía líquida y análisis por inyección en flujo. Por tanto existía una necesidad de nuevas celdas electroquímicas de flujo adecuadas para electrodos intercambiables que se satisfizo básicamente adaptando el diseño clásico de celdas de flujo, concebido para electrodos convencionales, a las características especiales de los electrodos intercambiables, especialmente para electrodos serigrafiados (screen printed).

Las celdas electroquímicas de flujo para electrodos intercambiables están formadas por un soporte para el electrodo y una tapa que se cierra contra el electrodo creando una cavidad para el análisis que aloja al menos parte del electrodo y donde se inyecta el fluido a analizar. En este contexto, los medios de cierre utilizados para fijar el soporte a la tapa tienen un efecto limitante en la utilización de la celda de flujo. Por una parte, la operación de apertura y cierre puede ser lenta, mientras que por otra parte, la fiabilidad de los medios de cierre impone un límite superior a la presión permitida en el interior de la celda de flujo.

Actualmente, existen básicamente dos tipos conocidos de medios de cierre. Los medios de cierre pueden consistir simplemente en uno o más tornillos pasando a través del soporte y de la tapa. Aunque estos medios de cierre son ciertamente fiables en cuanto a las presiones alcanzadas en el interior de la celda, las operaciones de apertura y cierre se hacen muy lentas y requieren el uso de al menos un destornillador. Un ejemplo de este tipo de celda de flujo se encuentra en el documento US 5,399,256.

En un segundo tipo conocido, los medios de cierre comprenden el soporte y la tapa unidos mediante una bisagra. Se pueden utilizar tornillos para asegurar la tapa cuando está en posición cerrada. Sin embargo, aparecen los mismos inconvenientes antes mencionados del tiempo requerido para cambiar los electrodos y la necesidad de utilizar una herramienta. También se conoce el uso de imanes. En este caso, las presiones en el interior de la celda de flujo son limitadas. Hay que hacer notar que si se excede el límite de presión de la celda de flujo se pueden producir fugas o incluso la apertura espontánea de la celda. Un ejemplo de esta tipo de celda de flujo es un producto comercial manufacturado por DropSens, concretamente los modelos: FLWCL, FLWCL-TEF, and FLWCL-PEEK.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

Los inventores se han dado cuenta de que todavía existe una necesidad de nuevas celdas de flujo con un sistema de cierre mejorado que no sea lento, que no requiera el uso de herramientas, y que sea capaz de resistir altas presiones en el interior de la celda.

Los inventores proporcionan una nueva celda de flujo que soluciona algunos de los inconvenientes antes mencionados, utilizando medios de cierre basados en el uso de una cuña. Esta celda de flujo se cierra empujando la cuña por el interior de una cavidad especialmente diseñada para este fin, y se abre empujando la cuña en la dirección opuesta. La celda de flujo resultante se puede abrir y cerrar rápidamente sin que requiera el uso de ninguna herramienta y soporta presiones muy altas en el interior de la cavidad de análisis

Además, la presente invención cubre dos realizaciones principales. En una realización, la cuña ejerce una fuerza hacia arriba contra la superficie inferior del soporte inferior que a su vez forma la cavidad de análisis al ser comprimido contra una tapa superior situada encima. En una segunda realización, la cuña ejerce una fuerza hacia abajo sobre la superficie superior de una tapa superior que similarmente a su vez forma la cavidad de análisis al ser comprimida contra el soporte inferior. Para que la invención cubra ambas realizaciones, los términos "primer elemento" y "segundo elemento" se utilizan para hacer referencia a la tapa superior y al soporte inferior, aunque no necesariamente en este orden.

La celda electroquímica de flujo para electrodos, preferiblemente electrodos

intercambiables, de la presente invención comprende un primer elemento y un segundo elemento que, cuando se acoplan, forman una cavidad de análisis cerrada

herméticamente. Sin embargo, en vez de los medios de cierre conocidos de bisagra o tornillo, con objeto de conseguir un acoplamiento hermético entre el primer elemento y el segundo elemento, la celda de la invención comprende: a) Una base que proporciona una superficie para empotrar la cuña cuando ésta se inserta. Como se menciona anteriormente, la base puede situarse sobre la cuña (y por tanto también sobre el primer elemento y el segundo elemento) o debajo de la cuña (y por tanto también debajo del primer elemento y del segundo elemento). b) Medios de cierre que conectan el segundo elemento a la base, y que permiten al primer elemento deslizarse entre el segundo elemento y la base. Los medios de cierre pueden comprender, por ejemplo, guías fijadas al segundo elemento y a la base a lo largo de los cuales pueda deslizarse el primer elemento. En una realización preferida de la invención, los medios de cierre adoptan la forma de columnas huecas que pasan a través del primer elemento. c) Una cuña que puede insertarse entre la base y el primer elemento. La cuña es una pieza que presenta una superficie inclinada que ni es paralela ni perpendicular a sus otras superficies. Normalmente, la cuña es esencialmente un paralelepípedo con una de sus superficies ligeramente inclinada con respecto a la superficie opuesta.

Adicionalmente, al menos parte de la superficie del primer elemento que se encuentra enfrente a la cuña, o parte de la superficie de la base que se encuentra enfrente al elemento de cuña, tiene un ángulo de inclinación correspondiente al de la cuña. Es decir, el ángulo de inclinación de la superficie inclinada del elemento de cuña es similar al de la superficie inclinada del primer elemento o de la base de forma que este primer elemento o la base y el elemento de cuña son complementarios en el sentido de que ajustan entre sí.

En una celda de flujo con esta configuración, cuando se inserta la cuña entre la base y el primer elemento, el primer elemento se comprime firmemente contra el segundo elemento para conseguir un acoplamiento hermético.

Esta nueva celda electroquímica de flujo puede soportar presiones muy altas, de hasta 1.000 bars, puesto que, cuando se cierra mediante la inserción de la cuña, toda la celda se convierte en un montaje sólido unido mediante las columnas, las cuales pueden conectarse con tornillos al segundo elemento y a la base. Además, esta celda de flujo se abre y se cierra muy rápidamente sin ayuda de ninguna herramienta. El usuario sólo necesita empujar o estirar manualmente la cuña.

El ángulo de inclinación de la cuña y la superficie superior de la base o la superficie inferior del primer elemento se selecciona teniendo en cuenta dos aspectos. Por una parte, el ángulo de inclinación debe ser suficientemente pequeño para impedir que el elemento de cuña se deslice fuera del montaje como consecuencia de las fuerzas generadas por la alta presión en el interior de la celda de flujo cuando ésta se utiliza. Por otra parte, el ángulo de inclinación debe ser suficientemente grande para conseguir una separación completa entre el segundo elemento y el primer elemento. Por lo tanto, el ángulo de inclinación del elemento de cuña y el de la parte correspondiente de la superficie del primer elemento situado enfrente del elemento de cuña o la parte de la superficie de la base situada enfrente de la cuña es preferiblemente entre 2^o y 6^o.

Con respecto al coeficiente de fricción entre la superficie de la cuña y la parte de la superficie del primer elemento situada enfrente a la cuña, o la parte de la superficie de la base situada enfrente a la cuña, debe estar preferiblemente entre 0.03 y 0.6, más preferiblemente entre 0.2 y 0.4.

En una realización preferida, la celda electroquímica de flujo de la invención comprende además una placa rigidizadora situada entre el primer elemento y la cuña. Esta placa rigidizadora ayuda a empujar el primer elemento ligeramente elástico contra el segundo elemento para conseguir una cavidad de análisis completamente hermética. La placa rigidizadora puede hacerse, por ejemplo, de acero inoxidable.

Es posible que el segundo elemento sea un soporte inferior y el primer elemento sea una tapa superior. En este caso, el soporte inferior debería estar conectado a la base, en cuyo caso debería situarse encima de la tapa superior y del soporte inferior y, de esta forma, la tapa superior podría deslizarse entre el soporte y la base hasta que se inserte la cuña. Esto es, las partes que forman esta realización de la invención deberían disponerse en el siguiente orden de arriba a abajo: base, cuña, tapa superior y base inferior.

En una realización preferida de la invención, el segundo elemento es una tapa superior y el primer elemento es un soporte inferior. Esto implica que la tapa superior está conectada a la base, que debe estar necesariamente situada debajo de la tapa superior y del soporte inferior, y también que el soporte puede deslizarse entre la tapa y la base hasta que se inserte la cuña. En otras palabras, en esta realización las partes que forman la celda de flujo se disponen en el siguiente orden de arriba a abajo: tapa superior, soporte inferior, cuña y base. Esta realización se describe más adelante en mayor detalle haciendo referencia a los dibujos adjuntos. En esta realización preferida, la tapa superior preferiblemente comprende un conducto de entrada y un conducto de salida, formando una cavidad de análisis entre 0^o y 90°, más preferiblemente entre 50° y 65°, con respecto a la superficie superior del soporte inferior.

En otra realización preferida, la superficie inferior de la tapa superior comprende una ranura cerrada, por ejemplo una ranura elíptica, para acoger una junta tórica que encierre la cavidad de análisis. Entonces, cuando la tapa superior se cierra contra la superficie superior del soporte inferior, la junta tórica se comprime firmemente contra la superficie mencionada para generar la cavidad de análisis. Para conseguir presiones de trabajo elevadas en el interior de la cavidad de análisis, la junta tórica puede tener una dureza de Shore entre 70 y 90. En cuanto al electrodo serigrafiado, puede acoplarse en la cavidad de análisis mediante un rebaje situado en la superficie superior del soporte inferior.

En una realización particular la tapa superior está hecha de un material rígido de alta resistencia química, como polieteretercetona o politetrafluoroetileno.

El soporte inferior está hecho de un material con una cierta elasticidad para mejorar el carácter hermético de la cavidad de análisis. Preferiblemente el material es químicamente resistente. Por ejemplo, el soporte puede hacerse de politetrafluoroetileno o de

polieteretercetona.

Preferiblemente la cuña es rígida y permite al usuario deslizaría manualmente para cerrar o abrir la celda de flujo. La cuña puede estar hecha p.ej. de politetrafluoroetileno o de polieteretercetona.

Preferiblemente la base es rígida y tiene un bajo coeficiente de rozamiento estático. Así p.ej. puede estar hecha de politetrafluoroetileno o de polieteretercetona.

A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Además, la palabra "comprende" incluye el caso "consiste en". Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención. Los signos numéricos relativos a los dibujos y colocados entre paréntesis en una reivindicación, son solamente para intentar aumentar la comprensión de la reivindicación, y no deben ser interpretados como limitantes del alcance de la protección de la reivindicación. Además, la presente invención cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares y preferidas aquí indicadas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Las FIG. 1a y 1 b muestran una vista superior de una celda de flujo según la invención y una sección a lo largo de la línea A-A'.

Las FIG. 2a y 2b muestran una vista superior y una sección a lo largo de la línea B-B' de la celda de flujo de la invención.

Las FIG. 3a-3c muestran una vista inferior, una sección a lo largo de la línea A-A' y una vista superior de la tapa según la invención.

Las FIG. 4a-4b muestran una vista superior y una sección a lo largo de la línea A-A' del soporte según la invención.

Las FIG. 5a-5c muestran una vista superior, una sección a lo largo de la línea A-A' y una sección a lo largo de la línea B-B' de la base según la invención.

Las FIG. 6a y 6b muestran una vista superior y una sección a lo largo de la línea A-A' de una cuña según la invención.

La FIG. 7 muestra una sección longitudinal correspondiente a una columna según la invención.

Las FIG. 8a y 8b muestran una vista superior y una sección a lo largo de la línea A-A' de una placa rigidizadora según la invención.

EXPOSICION DETALLADA DE MODOS DE REALIZACIÓN

La realización preferida que se muestra en las figuras y se describe más adelante corresponde a un caso en que el primer elemento es el soporte inferior y el segundo elemento es la tapa superior.

Una realización en la que el primer elemento sea la tapa superior y el segundo elemento sea el soporte inferior también está cubierta por las reivindicaciones adjuntas. En este caso, la base está situada encima de la cuña, la tapa superior y el soporte inferior, en este orden. Entonces los medios de cierre conectan la base con la tapa, y el soporte inferior puede deslizarse entre estas dos partes hasta la inserción del elemento de cuña.

Las FIG. 1 y 2 muestran una celda electroquímica de flujo 1 cerrada donde el primer elemento es el soporte inferior 2 y el segundo elemento es la tapa superior 3. En este ejemplo concreto, es la superficie superior de la base 4 la que está inclinada. También sucede que una placa rigidizadora 12 se incluye debajo del soporte 2.

En estas figuras, la cuña 6 se inserta completamente entre el soporte 2 y la base 4. La celda 1 comprende una tapa 3 con un conducto de entrada 9 y un conducto de salida 10 para introducir el fluido a analizar. En este ejemplo concreto, el conducto de entrada 9 forma un ángulo de 50° respecto a la superficie superior del soporte 2, mientras que el conducto de salida 10 forma un ángulo de 65° con respecto a la superficie superior del soporte 2. El fluido a analizar se impulsa entonces a través del conducto de entrada 9 y llega a la cavidad de análisis formada entre la superficie superior del soporte 2, la superficie inferior de la tapa 3 y la junta tórica 8 alojada en el interior de una ranura elíptica 7 tallada en la superficie inferior de la tapa 3. Estas características se describen en detalle en las FIG. 3a-3c, que muestran diferentes vistas de la tapa 3 según la invención.

La tapa 3 también comprende cuatro orificios 13 que la atraviesan, situados cerca de las esquinas y diseñados para alojar los medios de cierre 5 que, en este ejemplo concreto, comprenden cuatro columnas cilindricas con una rosca interior, como muestra la FIG. 7. La tapa 3 tiene generalmente planta de forma cuadrada, con una superficie inferior plana y una superficie superior que contiene esencialmente una primera banda horizontal y dos bandas laterales inclinadas. La superficie inferior de la tapa 3 también comprende rebordes (o resaltes) 14, concebidos para encajar con los correspondientes rebordes del soporte 2.

El soporte 2 se muestra en detalle en las FIG. 4a y 4b. El soporte 2 también tiene generalmente planta de forma cuadrada con una superficie superior que es

esencialmente plana en el área donde se genera la cavidad de análisis, y también tiene rebordes 15 emparejados con rebordes 14 para asegurar una correcta posición de acoplamiento con la tapa 3. Adicionalmente el soporte 2 comprende un rebaje plano 1 1 , concebido para alojar un electrodo serigrafiado. Cuatro agujeros transversales 13 están situados cerca de las esquinas para alojar las columnas 5.

En este ejemplo, existe una placa rigidizadora 12 situada debajo de la superficie inferior del soporte 2. La placa rigidizadora 12, que se muestra en detalle en las FIG. 8a y 8b, tiene también generalmente planta de forma cuadrada y cuatro agujeros transversales 13 para alojar las columnas 5. La superficie superior de la placa rigidizadora 16 tiene rebordes 17 emparejados con los rebordes 17 dispuestos en la superficie inferior del soporte 2 para asegurar un correcto acoplamiento entre ellos. La superficie inferior de la placa rigidizadora 12 es plana.

La parte inferior de la celda 1 comprende la base 4 y la cuña 6. La base 4, que se muestra en detalle en las FIG. 5a-5c, tiene también esencialmente planta cuadrada y posee una superficie superior horizontal cubriendo dos bandas laterales 18 donde existen cuatro orificios transversales 13 para alojar las columnas 5. Entre estas dos bandas 18 se encuentra una banda central 19 situada a un nivel más bajo y con una superficie inclinada. En este ejemplo, el ángulo de inclinación de la superficie de la banda central 19 con respecto a la horizontal es de 4^o. Las FIG. 6a y 6b muestran el elemento de cuña 6. La cuña 6 es esencialmente una pieza paralalepípeda con una superficie superior inclinada de 4^o. La anchura y la longitud del elemento de la cuña 6 se corresponden naturalmente con la anchura y la longitud de la banda central 19 de la base 4. Sin embargo, la altura de la cuña 6 es mayor que la altura de la banda central 19. Por tanto, cuando la cuña 6 se inserta totalmente dentro de la banda central 19 de la base 4, su superficie superior alcanza un nivel más alto que las bandas laterales 18, como se muestra en la FIG. 1 a. Este efecto es el responsable de la abertura y del cierre de la celda 1 de la invención.

Una vez mostrados sus elementos, se describe el funcionamiento de la celda de flujo 1. En la posición cerrada que se muestra en las FIG. 1 and 2, la cuña 6 está totalmente insertada en la banda central 19 de la base 4. La superficie superior de la cuña 6 sobresale por encima de las bandas laterales 18. La superficie superior del elemento de cuña 6 siempre es horizontal debido a la correspondencia entre el ángulo de inclinación de la cuña 6 y el ángulo de inclinación de la superficie de la banda central 19. Por tanto, el efecto conseguido cuando se inserta la cuña 6 es que su superficie superior horizontal se eleva por encima de la altura de las bandas laterales 18 y esto empuja la superficie inferior de la placa rigidizadora 12 hacia arriba. Este empuje se transmite hacia arriba: la placa rigidizadora 12 empuja el soporte 2 y el soporte 2 empuja la tapa 3. Como las columnas 5 que pasan a través de la tapa 3, del soporte 2, de la placa de refuerzo 12 y de la base 4 permiten deslizarse al soporte 2 y a la placa rigidizadora 12 pero mantienen rígidamente la distancia entre la base 4 y la tapa 3, cuando se inserta la cuña 6, todo el conjunto se comprime en la forma de un bloque esencialmente sólido. En este estado la celda 1 puede soportar presiones muy elevadas en el interior de la cavidad de análisis.

Para abrir la celda 1 , el usuario sólo necesita empujar la cuña 6. La superficie superior de la cuña 6 desciende y la placa rigidizadora 12 y el soporte 2 se deslizan a lo largo de las columnas 5 hasta reposar en las bandas laterales 18. El usuario puede retirar fácilmente de la celda 1 el electrodo serigrafiado usado e introducir uno nuevo.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una celda (1) electroquímica de flujo para electrodos, que comprende un primer elemento (2) y un segundo elemento (3) que, cuando ambos se acoplan, forman una cavidad de análisis hermética; la celda (1) además comprende:

a) una base (4);

b) medios de conexión (5) que conectan el segundo elemento (3) a la base (4), de manera que los medios de conexión permiten al primer elemento (2) deslizarse entre el segundo elemento (3) y la base (4); y

c) una cuña (6) que puede insertarse entre la base (4) y el primer elemento (2);

donde al menos parte de la superficie del primer elemento (2) situada enfrente de la cuña (6), o parte de la superficie de la base (4) situada enfrente de la cuña (6), tiene un ángulo de inclinación correspondiente al de la cuña (6) tal que, cuando se inserta la cuña (6) entre la base (4) y el primer elemento (2), el primer elemento (2) se comprime contra el segundo elemento (3) para conseguir un acoplamiento hermético.

2. La celda según la reivindicación 1 , donde el ángulo de inclinación de la cuña (6) y de la parte correspondiente de la superficie del primer elemento (2) situada enfrente de la cuña (6), o de la parte de la superficie de la base (4) situada enfrente del elemento de cuña (6), está entre 2^o y 6^o.

3. La celda según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la superficie de la cuña (6) y la parte de la superficie del primer elemento (2) situada enfrente de la cuña (6), o la parte de la superficie de la base (4) situada enfrente de la cuña (6), tienen un coeficiente de rozamiento entre 0.03 y 0.6.

4. La celda según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una placa rigidizadora (12) situada entre el primer elemento (2) y la cuña (6).

5. La celda según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los medios de conexión (5) comprenden columnas huecas que atraviesan el primer elemento (2).

6. La celda según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el segundo elemento (3) es una tapa superior y el primer elemento (2) es un soporte inferior.

7. La celda según la reivindicación 6, donde la tapa superior (3) comprende un conducto de entrada (9) a la cavidad de análisis y un conducto de salida (10) de la cavidad de análisis, conductos que forman un ángulo entre 0^o y 90° con respecto a la superficie superior del soporte inferior (2).

8. La celda según cualquiera de las reivindicaciones 6-7, donde la superficie inferior de la tapa superior (3) comprende una ranura cerrada (7) para alojar una junta tórica (8) que delimita la cavidad de análisis.

9. La celda según la reivindicación 8, donde la ranura cerrada (7) es elíptica.

10. La celda según cualquiera de las reivindicaciones 6-9, donde la superficie superior del soporte inferior (2) comprende un rebaje (1 1) para alojar un electrodo en la cavidad de análisis.

1 1. La celda según cualquiera de las reivindicaciones 6-10, donde el soporte inferior (2) está hecho, o bien de politetrafluoroetileno, o bien de polieteretercetona.

12. La celda según cualquiera de las reivindicaciones 6-1 1 , donde la tapa superior (3) está hecha, o bien de politetrafluoroetileno, o bien de polieteretercetona.

13. La celda según cualquiera de las reivindicaciones 6-12, donde la base (4) está hecha, o bien de politetrafluoroetileno, o bien de polieteretercetona.

14. La celda según cualquiera de las reivindicaciones 6-13, donde el elemento de cuña (6) está hecho, o bien de politetrafluoroetileno, o bien de polieteretercetona.

15. La celda según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los electrodos son electrodos intercambiables.