BRPI0616890A2

BRPI0616890A2 - aparelho de tratamento de fluido, e, métodos de tratamento de um fluido, de filtração de fluido em uma célula eletroquìmica, e de operação de uma célula eletroquìmica

Info

Publication number: BRPI0616890A2
Application number: BRPI0616890-6A
Authority: BR
Inventors: Eric David Nyberg; Christine Ellen Vogdes; James Crawford Holmes; Ashok Kumar Janah
Original assignee: Pionetics Corp
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2011-07-05
Also published as: TW200744958A; CN101316794B; US20070108056A1; KR101333243B1; US20140027288A1; CN105540763A; US8562803B2; EP1945577A1; US9090493B2; KR20080056284A; CN101316794A; WO2007044609A1; TWI460134B

Abstract

APARELHO DE TRATAMENTO DE FLUìDO, E, MéTODOS DE TRATAMENTO DE UM FLUìDO, DE FILTRAçãO DE FLUIDO EM UMA CéLULA ELETROQUìMICA, E DE OPERAçãO DE UMA CéLULA ELETROQUIMICA. Um aparelho de tratamento de fluido (100) para tratar um fluido compreende uma célula eletroquímica (102) tendo orificios para fluido (124, 125) para receber e liberar fluido, e uma passagem de fluido conectando os orificios com uma membrana de troca iónica divisora de água (110) exposta ao fluido na passagem. Primeiro e segundo eletrodos (106, 108) são posicionados ao redor da membrana (11). O aparelho compreende também um controlador (170) para controlar e operar um suprimento de energia (114) e sistema de válvula (118). O suprimento de energia (114) supre uma corrente aos primeiro e segundo eletrodos (106, 108) a uma densidade de corrente suficientemente alta para resultar em bacteriostase, desativação, ou uma redução nos microorganismos no fluido. O controlador (170) também pode operar um conjunto de células para deionizar fluido e regenerar as células.

Description

"APARELHO DE TRATAMENTO DE FLUIDO, E, MÉTODOS DETRATAMENTO DE UM FLUIDO, DE FILTRAÇÃO DE FLUIDO EMUMA CÉLULA ELETROQUÍMICA, E DE OPERAÇÃO DE UMACÉLULA ELETROQUÍMICA"

Referência cruzada

O presente pedido é uma continuação do pedido provisório US60/724.456, depositado em 6 de outubro de 2005, e pedido provisório US60/831.703, depositado em 17 de julho de 2006. ambos os quais aquiincorporados em sua inteireza pela referência.

Fundamentos

Modos de realização da presente invenção referem-se aotratamento de fluidos em células eletroquímicas para controlar níveis de íons,particulados, e microorganismos no fluido, e para regenerar células.

Aparelhos de tratamento de fluido compreendendo células detroca iônica eletroquímica podem ser usados para o tratamento de fluido para,por exemplo, trocar íons seletivamente presentes nos fluidos, removercontaminantes de água potável, reduzir sólidos dissolvidos totais (TDS), tratarfluidos de rejeito industrial ou perigosos e dessalinizar água salgada, entreoutros usos. Células de troca iônica eletroquímica têm membranas divisorasde água, de troca iônica entre eletrodos faceados em uma célula. Quando umacorrente é aplicada aos eletrodos por um suprimento de energia à célula, aágua é irreversivelmente dissociada em íons H+ e OH" no limite entre ascamadas de troca de cátion e anion das membranas, fazendo com que cátionse anions sejam trocados da corrente de fluido passando através da célula.Células eletroquímicas podem ser regeneradas sem usar produtos químicosperigosos simplesmente pela inversão do potencial elétrico aplicado enquantolavando a célula com um fluido. Além disso, para obter operação contínua,duas ou mais células eletroquímicas podem ser conectadas para permitirtratamento de fluido em uma CE enquanto outras células são regeneradas.Quando o potencial elétrico inverso é aplicado, as membranas sãoregeneradas sem o uso de produtos químicos. A célula tem também umaválvula para controlar o fluxo de fluidos durante processos de tratamento eregeneração.

Sistemas eletroquímicos podem ser usados para controlarseletivamente o nível de íons no fluido tratado, mas, tipicamente, nãoremovem sedimento e particulados da corrente de fluido. Os sólidostipicamente encontrados em fluidos como água de poço ou mesmo águatratada urbana, incluem particulados e sedimentos, como areia ou poeira.Agua urbana pode conter também chumbo ou outros íons de metal pesado quedevem ser removidos. Sistemas de rejeitos industriais também podem usarredução de matéria particulada. Adicionalmente à remoção de íons do fluido,é desejável também remover esses particulados da corrente de fluido. Fluidoscom alto teor de sólidos também podem entupir membranas limitando seu15 ciclo operacional e bloqueando orifícios das células eletroquímicas.

Outro problema é o fato de água dura de poços ou desuprimento de água urbana poder conter também compostos dissolvidos,como, por exemplo, compostos de cálcio, magnésio ou manganês, e sais debicarbonato ou sulfato. Estes sais podem se precipitar na célula e tubulaçãodurante ciclos do processo. Por exemplo, compostos de carbonato de cálciodissolvidos podem se precipitar e acumular sobre paredes, tubulações emembranas da célula exigindo substituições ou limpezas freqüentes destescomponentes. Acúmulo de crostas nos cartuchos, células ou tubulaçãoaumenta exigências de pressão de entrada de fluido e reduz velocidades defluxo através da célula. Compostos de cálcio dissolvidos que se precipitamdurante regeneração de membrana também entopem a membrana com crostasou particulados, reduzindo o desempenho da célula.

Nos processos de tratamento de fluido, é também desejávelreduzir o nível de microorganismos, como germes, micróbios e mesmo vírus,presentes na corrente de fluido tratada. Falha em desinfetar apropriadamenteágua potável pode ter conseqüências severas. Por exemplo, criptosporo, umcontaminante de água potável, causou doença em mais de 40.000 pessoas emMilwaukee, Wisconsin. Esses micróbios podem estar presentes no fluidooriginal antes do tratamento e/ou ser gerados presentemente e adicionados àcorrente de fluido durante o próprio processo de tratamento de fluido.Microorganismos presentes no fluido original podem ser removidos porbacteriólise convencional, desinfecção ou esterilização do fluido antes dotratamento de fluido por troca iônica. O crescimento microbiano geradodentro do aparelho de tratamento de fluido também pode ser reduzido pelalimpeza periódica do sistema de tratamento de fluido. Entretanto, essaslimpezas são muitas vezes ineficazes devido a só removerem os bio-resíduosorgânicos formados sobre as paredes internas dos sistemas de tratamento defluido, uma vez que muitas das superfícies internas dos componentes dessessistemas são de acesso difícil. Além disso, o esfregamento das superfíciesinternas do aparelho para remover completamente a película fortementeaderida pode resultar em arranhões aos quais bio-películas formadasposteriormente são ainda mais fortemente aderidas e, conseqüentemente, maisdifíceis de remover.

Processos de regeneração de membrana também podem ser deexecução demorada e usar fluido ou energia elétrica excessivos pararegeneração. Reduzir o tempo de regeneração de uma membrana permite quea célula seja usada por um maior número de ciclos de processo por unidade detempo. A minimização da energia necessária para regenerar membranas tantoreduz custos de energia como minimiza formação de crosta que é tipicamentepromovida por gradiente de te. Em aplicações de filtração de água, volumeexcessivo de fluido de rejeito durante regeneração adiciona ainda mais custosoperacionais. Em aplicações industriais, o fluido usado para regenerar asmembranas pode ser dispendioso e difícil de ser achado ou ser perigoso -particularmente em sistemas de filtração de produtos químicos e, assim, difícilde ser descartado sob aos regulamentos de proteção ambiental. Desse modo, édesejável otimizar processos de regeneração de membrana para reduzir tempo deregeneração, e consumo de energia e de fluido.

Outros problemas surgem no tratamento de fluido paraaplicações de água potável. Durante o ciclo de regeneração, a água é passadaatravés da célula para remover íons e carrear sólidos residuais. Entretanto,uma pequena porção da corrente de água de regeneração pode se tornaraprisionada na célula após o processo de regeneração ter terminado. Quando ousuário liga subseqüentemente a célula pela primeira vez, a célula descarregao fluido aprisionado residual que pode conter sedimentos, ser colorido ou terum gosto desagradável. O mesmo problema surge quando o orifício é fechadoquando a célula não está em uso, o que pode fazer com que o fluido residualna célula se torne ionizado com íons permeando para fora da célula e para aágua de célula estagnada, sendo perdido, desse modo, o benefício doprocesso. Além disso, variações na qualidade do fluido passando através dacélula podem afetar tanto o ciclo de tratamento como de regeneração. Acomposição iônica, dureza, pH, pressão e outras características da fonte deágua em suprimentos de água urbana varia freqüentemente durante o dia oude uma cidade para outra. Temperaturas ambientes mais elevadas de águapodem alterar as propriedades de tratamento e regeneração da água aquecidaou resfriada. Além disso, quando níveis normais de potência de eletrodo decélula são aplicados a correntes de fluido de entrada quente, o fluido de saídapode apresentar temperaturas excessivamente elevada. A variabilidade naquantidade de sais de cálcio duros na água de entrada também pode causarflutuações indesejáveis no tratamento e regeneração de fluido.

E desejável ter um aparelho de tratamento de fluidocompreendendo uma célula eletroquímica que possa tratar fluidos eficazmentepara controlar o nível de íons no fluido, remover sedimentos e particulados, etratar fluidos que variam no teor ou tipo de íon, dureza, pH, temperatura epressa. E também desejável ser capaz de regenerar membranas maisrapidamente, de modo completo, e com consumo reduzido de fluido edispêndio de energia elétrica. E ainda desejável desativar e impedirreprodução, remover, ou reduzir os níveis de microorganismos no fluido.

Desenhos

As características, aspectos e vantagens dos sistemas,aparelhos e métodos aqui descritos se tornarão melhor entendidos comrespeito à descrição a seguir, desenhos e reivindicações anexas, todos os quaisprovêem exemplos ilustrativos dos sistemas, aparelhos e métodos. Entretanto,deve ser entendido que cada uma das características aqui descritas pode serusada por ela mesma ou em qualquer combinação seletiva, não meramente nocontexto de nenhum dos desenhos particulares ou qualquer combinação decaracterísticas descrita, onde:

a fig. 1 é uma vista esquemática de um modo de realização deum aparelho de tratamento de fluido compreendendo uma célulaeletroquímica tendo eletrodos posicionados o redor das membranas;

a fig. 2A é uma vista em seção de topo esquemática da célulaeletroquímica da fig. 1 mostrando um cartucho tendo membranas comespaçadores integrais enrolados em espiral ao redor de um tubo de núcleo;

a fig. 2B é uma vista esquemática explodida em perspectiva deum modo de realização de uma célula eletroquímica tendo membranasenroladas ao redor de eletrodos tubulares que podem aplicar potencial nacélula para desativar microorganismos na corrente de fluido ao atravessar asmembranas;

a fig. 3A é uma vista explodida em perspectiva esquemática deum modo de realização de uma célula eletroquímica compreendendoeletrodos ao redor de uma membrana mostrando a aplicação de um campoelétrico perpendicular à membrana para obter uma queda de potencial elétricoatravés da membrana;

a fig. 3B é uma vista explodida em perspectiva esquemática deum modo de realização de uma célula eletroquímica compreendendomembranas e eletrodos circulares;

a fig. 3C é uma vista em seção esquemática de um modo derealização de uma célula eletroquímica compreendendo dois eletrodosinternos e dois eletrodos externos;

a fig. 3C1 é uma vista em seção esquemática de um eletrodoanodo dimensionalmente estável compreendendo um substrato eletricamentecondutor com um revestimento superficial, e tendo um revestimento isolanteparcial sobre porções adjacentes do eletrodo;

a fig. 4A é um bloco-diagrama esquemático de um controladorcompreendendo um módulo de controle e um suprimento e energia a eletrodopara operar a célula eletroquímica da fig. 1;

a fig. 4B é um diagrama de circuito de um suprimento devoltagem em CC apropriada para uso no suprimento de energia a da fig. 4A;

a fig. 5 é uma vista lateral de um sensor de fluxocompreendendo um sensor eletromagnético e um conjunto de turbina magnética;

a fig. 6 é um gráfico mostrando a contagem de placa debactéria heterotrófica versus o número de ciclos de célula eletroquímica paraa célula eletroquímica das figs. 2A e 2B;

a fig. 7 é um gráfico mostrando a redução logarítmica embactéria E. Coli em função de CC aplicada através da célula a uma vazão de0,25l/min através da célula (fig. 7A), e a uma vazão de 0,5l/min através dacélula (fig. 7B);

a fig. 9A é uma vista esquemática em seção transversal de umfiltro de sedimento;

a fig. 9B é uma vista esquemática em seção transversal de umfiltro por osmose inversa;

a fig. 10 é uma vista esquemática em seção transversal de umfiltro de carvão ativado;

a fig. IlA é uma vista esquemática em seção transversal deuma célula antimicrobiana com uma célula ultravioleta;

a fig. IlB é um diagrama esquemático de uma célulaantimicrobiana compreendendo uma célula de solução salina saturada e umaválvula de controle;

a fig. 12 é um bloco-diagrama esquemático de um modo derealização de um aparelho de tratamento de fluido compreendendo umapluralidade de células eletroquímicas;

a fig. 13 é uma vista lateral em seção de uma válvulamotorizada adequada para uso no sistema de válvula usado para regular ofluxo de fluido através do aparelho de tratamento de fluido;

a fig. 14 é uma vista lateral em seção de uma válvula solenóideadequada para uso no sistema de válvula;

a fig. 15 é uma vista esquemática de um modo de realização deum aparelho de tratamento de fluido tendo célula eletroquímica duplas esuprimento de energia duplo, um sistema de válvula solenóide e vários filtros;

a fig. 16 é uma vista esquemática de outro modo de realizaçãode um aparelho de tratamento de fluido tendo células eletroquímicas duplas,um único suprimento de energia, um sistema de válvula solenóide e váriosfiltros;

a fig. 17 é um gráfico dos volumes de fluido de jorro ecorrente suprida aos eletrodos ao longo do tempo;

a fig. 18 é um gráfico de um ciclo de regeneração de umacélula eletroquímica mostrando o tempo de rajada e corrente suprida aoseletrodos com o tempo decorrido no ciclo de regeneração;

a fig. 19 é fluxograma esquemático de um aparelho detratamento de fluido tendo um regulador de fluido e sensor de fluxo nocaminho de fluxo de um par de células eletroquímicas;

a fig. 20 pé um fluxograma esquemático de um aparelho detratamento de fluido tendo um restritor de fluxo no caminho de fluxo dascélulas eletroquímicas;

a fig. 21 é um gráfico de % de íons removida do fluidopassado através da célula para diferentes períodos de tempo de corrente dedeionização suprida aos eletrodos após o fluxo de fluido deionizado da célulater terminado;

a fig. 22 é um gráfico da condutividade da água tratada paraciclos do processo de deionização ocorridos em uma célula eletroquímicaquando (a) fluido compreendendo água dura é usado para regenerar a célula,(b) fluido compreendendo água suave é usado para regenerar a célula e (c)fluido compreendendo água deionizada é assada através da célula em umfluxo inverso através do orifício para fluido deionizado;

a fig. 23 é um gráfico da condutividade do fluido regeneradoou de rejeito produzido saído da célula ao longo do tempo quando correntesde regeneração diferentes são aplicadas aos eletrodos;

a fig. 24 é um gráfico da percentagem de sólidos dissolvidostotais (TDS) reduzida no fluido deionizado produzido para célulasregeneradas com os menores níveis de corrente de regeneração da fig. 23; e

a fig. 25 é um gráfico do nível de cloro total no fluidoproduzido medido em função do íon cloro presente no fluido de entrada evazão.

Descrição

Modos de realização do presente sistema, aparelho e métodossão capazes de tratar um fluido para extrair, substituir ou adicionar íons aofluido, remover partículas e sedimentos, e desativar ou reduzir os níveis demicroorganismos no fluido. Embora exemplos de modos de realização doaparelho de tratamento de fluido sejam providos para ilustrar a invenção, elesnão devem ser suados para limitar O escopo da invenção. Por exemplo, oaparelho de tratamento de fluido pode incluir outro aparelho que não ascélulas eletroquímicas ou arranjos de células aqui descritos, como seriaaparente a alguém experiente na técnica. Além disso, em adição ao tratamentoda água, que está descrito como um modo de realização exemplificativo aqui,o aparelho de tratamento de fluido pode ser suado para tratar outros fluidos,como fluidos de solvente ou baseados em olé, lamas químicas e água derejeito. Desse modo, os modos de realização ilustrativos aqui descritos nãodevem ser usados para limitar o escopo da presente invenção.

Um exemplo de modo de realização de um aparelho 100 capazde tratar um fluido por troca iônica está mostrado na fig. 1. O aparelho 100compreende uma célula eletroquímica 102, que inclui um alojamento 104envolvendo pelo menos dois eletrodos 106, 108 e uma ou mais membranas detroca iônica 110, m como membranas de toca iônica de divisão de água. Umsuprimento de energia 114 é provido para eletrizar os eletrodos 106, 108 pelosuprimento de uma corrente ou voltagem aos eletrodos 106, 108. Um sistemade válvula 118 controla o suprimento de fluido de uma fonte de fluido 120para prover uma corrente de fluido afluente 124 à célula. O fluido tratado saida célula 102 como uma corrente de fluido tratado ou efluente 125 que podeser armazenado em um tanque de fluido tratado 128 e/ou liberado de umdispositivo de dispensar 128. Aparelhos de troca iônica eletroquímica estãodescritos na patente US 5.788.812, emitida para Nyberg ET AL, pedido depatente US 10/130.256, também de Nyberg ET AL., e pedido de patente US11/021.931, de Holmes ET AL., cedidos comunitariamente, todos aquiincorporados em sua integralidade pela referência.

Os eletrodos 106, 108 da célula 102 são fabricados demateriais eletricamente condutores, como metal ou liga metálica, que sãoresistentes à corrosão em ambientes químicos de pH alto ou baixo formadosdurante a polarização positiva e negativa dos eletrodos 106, 108, na operaçãoda célula 102. Eletrodos adequados 106, 108 podem ser fabricados demateriais resistentes à corrosão, como titânio ou nióbio, e podem ter umrevestimento externo de um metal nobre, como platina. A forma dos eletrodos106, 108 depende do projeto da célula eletroquímica 102 e da condutividadeda corrente de fluido 124 passando através da célula 102. Formas adequadasdos eletrodos 106, 108 incluem, por exemplo, arames, rolos e lâminas demalha de arame com furos. Os eletrodos 106, 108 são arranjados para proveruma queda de potencial elétrico através das membranas 110 quando daaplicação de uma corrente aos eletrodos 106, 108.

Em um modo de realização, mostrado nas figs. IB e 1C, acélula 102 compreende um cartucho 130 contendo um par de eletrodos 106,108 enrolados em arames sobre um tubo elevador central 109 no centro docartucho 130 e o enrolamento com arame externo ao cartucho adjacente àparede interna do alojamento 104. Os eletrodos são localizados ao redor deuma pilha de membranas divisoras de água enroladas em espiral 110 que sãolaminadas e enroladas em conjunto por um tubo formador de rede externa(não mostrado. Na célula 102c, a corrente de fluido 124 escoa ente ascamadas de membrana do exterior para o interior do alojamento, e para o topodo elevador 109, e sai pelo fundo da célula, ou o fluxo de fluido pode ocorrerna direção oposta. A diferença de potencial elétrico aplicada ente os doiseletrodos 106, 108, através da pilha de membranas enroladas em espiral 110.

Vantajosamente, o cartucho 130 provê uma alta densidade ou eficácia deacondicionamento de membranas empilhadas 110 entre os dois eletrodos 106,108 em uma menor área de projeção, a também permite fácil substituição oulimpeza de membranas pela mudança do cartucho 130.

Os eletrodos 106, 108 podem ter também outras formas, comoesferas concêntricas, placas paralelas, redes de arame tubular, discos, oumesmo formas cônicas, dependendo da aplicação. Por exemplo, a fig. 3Amostra uma célula de placa paralela 102a compreendendo um par de eletrodos106, 108 que são placas paralelas sobre cada lado de uma membrana divisóriade água 110. Em vez de uma membrana 110, uma pluralidade de membranasempilhadas llOtambém pode ser usada nesta célula. Na célula de placaparalela 102a, a corrente de fluido 124escoa perpendicular e através, ou, entreas suporte os das membranas 110. Como outro exemplo, uma célula de disco102b conforme mostrado na fig. 3B, compreende um par de eletrodos 106,108 compreendendo discas sobre cada lado de um empilhamento demembranas divisórias de água 110. Na célula de disco 102b, a corrente defluido 124 escoa através das membranas 110 e é assistida pela gravidade. Aqueda de potencial elétrico é aplicada entre os dois discos de eletrodos 106,108. As membranas 110 dão modeladas como discos circulares e tambémpodem ter separadores (não mostrados) entre eles.

Outra versão ainda da célula eletroquímica 101 compreendedois eletrodos internos 108a, b e/ou dois eletrodos externos 106a, b conformemostrado na fig. 3C. A célula tradicional 102 usa um único eletrodo interno108 e um único eletrodo externo 106 que são alternadamente operados comoo anodo e catodo, dependendo de se a célula está no modo de deionização ouregeneração. Entretanto, na versão de célula de eletrodo duplo, um primeiropar de eletrodos interno e externo 108a, 106a, respectivamente, são, cada um,compostos do mesmo primeiro matéria. O segundo par de eletrodos interno eexterno 108b, 106b, respectivamente, são, CAD um, compostos do mesmosegundo matéria que um material diferente do primeiro matéria. O suprimentode energia 114 da célula 102 aplica uma corrente para operar o primeiro parde eletrodos interno e externo 108a, 106a, exclusivamente como um anodo,(por exemplo, durante uma etapa de deionização), e o segundo par deeletrodos interno e externo 108b, 106b que são feitos de um materialdiferente, exclusivamente como um catodo (por exemplo, durante uma etapade regeneração). Em operação, o suprimento de energia 114 desconecta oeletrodo não utilizado de modo que ele flutue. Por exemplo, se uma correntetiver sido suprida ao eletrodo interno 108a e eletrodo externo 106a, o eletrodointerno 108b e eletrodo externo 106b seriam desconectados para reduzircorrentes parasitas entre os eletrodos.

O primeiro par de eletrodos interno e externo 108a, 106a,operados como anodos, são ambos feitos de um material que reduz corrosãode um eletrodo anódico que, de outro modo, ocorreria pelo ataque químicopor íons particulares no fluido atraídos para um eletrodo de polaridadepositiva. Eletros anodos adequados 108a, 106b, são anodos dimensionalmenteestáveis, ou DSAs. Estes eletrodos anodos provêem uma vida global maislonga, menos manutenção, ou custos operacionais de célula mais baixos. Emuma versão, cada eletrodo anodo dimensionalmente estável 108a, 106acompreende um substrato eletricamente condutor 107a com um revestimentosuperficial 107b, conforme mostrado na fig. 2C1. O revestimento superficial107b pode ser uma imperfeição contendo solução de sólido contendo pelomenos um óxido de metal precioso e pelo menos um óxido metálico de"válvula". Nestas soluções de sólido substitutivas, um átomo intersticial demetal válvula, que é orientado na estrutura de rede cristalina de óxidometálico de válvula de rutilo característica, é substituído por um átomo demetal precioso. Esta estrutura tem propriedades condutores de eletricidade emcontraste com as misturas físicas dos dois óxidos, que poderia ser umisolador. As soluções de sólido substitutivas, em adição a serem eletricamentecondutoras, também podem ser catalisadoras ou eletrocatalisadoras. Metais deválvula adequados incluem titânio, tântalo, nióbio e zircônio, e o metalprecioso implantado pode incluir platina, rutênio, paládio, irídio, ródio eósmio. A relação molar de metal válvula para metal precioso varia,tipicamente, de 0:2 a cerca de 5:1, por exemplo, 2:1. O substratoeletricamente condutor 107a também é feito do metal válvula. Um exemplodesse eletrodo DAS compreende um substrato de titânio 107a tendo umrevestimento superficial 107b compreendendo uma solução de sólido dedióxido de titânio e dióxido de rutênio. O substrato de titânio 107a é resistenteà corrosão em um ambiente clorado que permite que a estrutura mantenha suatolerância dimensional durante sua vida, diferente, por exemplo, de anodosfeitos de grafite. Outro exemplo é eletrodo DAS que é resistente à erosão emambientes de íon de oxigênio, e é composto de um substrato de titânio 107atendo um revestimento 107b compreendendo múltiplas camadas de diferentesmetais ou uma camada de óxido metálico eletroquimicamente ativo. Oseletrodos interno e externo 108b, 106b, operados como catodos, também sãofeitos de um material resistente à erosão, o que aumenta sua vida útil comocatodos com uma polaridade negativa em um fluido iônico. Materiaisresistentes à erosão adequados para os eletrodos catodos 108b, 106b incluemcarbono e aço inox.

Os eletrodos duplos interno e externo 108a,b 106a,b, um adequado para uso como um catodo e o outro como um anodo, podem serposicionados adjacentemente, de modo a ficarem na mesma região gera dacélula 102. Em uma versão, os eletrodos duplos internos 106a, b têm, ambos,a mesma forma, tamanho e configuração, e os eletrodos duplos 108a, b sãotambém essencialmente os mesmos eletrodos duplos internos e externos108a,b, 106a,b. Em uma versão, ambos eletrodos catódicos interno e externo108b, 106b são feitos de aço inox e ambos os eletrodos anódicos interno eexterno 108a, 106a são eletrodos DAS feitos de dióxido de titânio e rutênio.

Em outra versão ainda, os eletrodos internos 108a,b sãoposicionados lado a lado e têm um revestimento isolante sobre porçõesadjacentes de cada um dos eletrodos internos, e os eletrodos externos 106a, btambém são posicionados lado a lado e tem um revestimento isolante 107csobre porções adjacentes de cada um dos eletrodos externos. O revestimentoisolante 107c pode ser um revestimento cerâmico, por exemplo, como plasmaóxido de alumínio ou dióxido de titânio borrifados. O revestimento 107c podeser fino, por exemplo, pode ter uma espessura menor do que 100 micra.

Com referência novamente às figs. 2A e 2B, o cartucho 130 éposicionado dentro do alojamento 104 da célula eletroquímica 102. Oalojamento 104 tem um orifício de entrada ou afluente 146 para introduzir umfluido de entrada em uma corrente de fluido afluente 124 à célula e umorifício de saída ou de deionização 148 para liberar um fluido de saída tratadoem uma corrente de fluido efluente 125. O cartucho 130 compreende umaparede interna tubular hidraulicamente prosa 134, como um tubo de rederígido, sobre o qual membranas 110 são laminadas, e tampas terminais 138a,bmontadas sobre cada extremidade da parede interna tubular 134. O cartucho130 pode ser desenhado para uma variedade de padrões de flux, por exemplo,fluxo de ponta a ponta (paralelo à parede interna tubular 134) ou fluxo dedentro para fora (fluxo radia para/de a parede interna tubular 134). A luvaexterna 142 da parede interna tubular 134 que contém a membrana laminada,e as tampas terminais 138a,b são desenhadas para prover uma passagem parao fluido 144 que provê o desejado padrão de flux substancialmente por toda asuperfície da membrana. Por exemplo, a corrente de fluido 124 para que acorrente de fluido 124 flua radialmente pra ou da parede interna tubular 134,através de ambas as superfícies interna e externa de cada membranatexturizada 110, as tampas terminais 138a,b vedam as extremidades dasmembranas enroladas em espiral 110 para impedir que o fluido seja desviadoda superfície da membrana 110 em seu trajeto do orifício 146 para o orifício148. AS membranas 110 também podem ser arranjadas no cartucho 130 paraprover uma passagem de fluido 144 do orifício 146 para o 148. A corrente defluido 124 flui além de ambas as camadas de troca de cátion e anion 150, 152de cada membrana 110 na passagem de fluido 144. De preferência, apassagem 144 forma um caminho unitário e contíguo que é conectadotranspassantemente em uma seqüência ininterrupta q estendendocontinuamente do orifício 146 até o orifício 148.Em uma versa, a membrana de troca iônica 110 é divisora deágua e é também conhecida como uma membrana bipolar, dupla ou laminar.A membrana de troca iônica divisora de água 110 compreende uma camadade troca de cátion 150 e uma camada de troca de anion 152, que são unidasem uma interface de membrana 156, conforme mostrado nas figs. 2A e 2B.Na versão mostrada, a camada de troca de cátion 150 faceia o primeiro oueletrodo externo 106 e a camada de troca de anion 152 faceia o segundo oueletrodo interno 108. Neste modo de realização, três membranas 110 sãoenroladas em espiral para formar um arranjo de fluxo paralelo, o que significa que o fluido pode fluir do orifício 146 para o orifício 148 em três passagensequivalentes 144 que se situam entre as membranas 110. Para qualquer padrãode fluxo, por exemplo, paralelo ou radial em relação à it 134, uma ou maismembranas 110 podem ser enroladas em um arranjo paralelo para variar aqueda de pressa através do cartucho 130 e o número de membranas 110 queestá sendo enrolado em um padrão de fluxo paralelo selecionado para prover aqueda de pressão desejada através da célula 102. Embora as membranas 11-sejam geralmente enroladas bem ajustadas uma contra a outra, por clareza deilustração as membranas 110 estão mostradas enroladas frouxamente comespaços ente elas.

A camada de troca de cátion 150 e a camada de troca de anion152 contêm materiais de troca de cátion e anion, respectivamente, tipicamenteem forma de sólidos ou géis contendo íons que são substituíveis por outrosíons que reagem quimicamente com íons específicos para remover os íons dacorrente de fluido 124. Por exemplo, materiais de troca de cátion e anion adequados podem incluir polímeros de ligação cruzada ou na ou estruturasinorgânicas como zeólitas. Materiais de toca de cátion trocam cátions semmudança permanente à estrutura do material, e podem incluir, por exemplo,grupos de ácidos. Materiais de troca de cátion adequados podem compreenderum ou mais grupos funcionais de ácidos capazes de trocar cátions como -COOM, -SO3M5 -PO3M2 e -C6H4OM, onde M é um cátion (por exemplo,hidrogênio, sódio, cálcio ou íon de cobre). Materiais de troca de cátiontambém incluem aqueles compreendendo grupos neutros ou ligantes queunem cátions através de coordenação em vez de ligações eletrostáticas ouiônicas (por exemplo, piridina, fosfeto e grupos de sulfetos), e gruposcompreendendo grupos de formação de complexos ou de quelatos porexemplo, aqueles derivados de ácido aminofosfórico, ácido aminocarboxílicoe um ácido hidroxâmico. Materiais de troca de anion trocam anions semmudança permanente à suas estruturas, e podem q, por exemplo, gruposbásicos. Outros materiais de troca de anion adequados podem compreenderum ou mais grupos funcionais básicos capazes de trocar anions como -NR3A,-NR2HA, -PR3A, -SR2A ou C5H5NHA (piridina), onde R é um alquil, anil ououtro grupo orgânico e A é um anion (por exemplo, hidróxido, carbonato,cloreto ou íon de sulfato).

A seleção de materiais de troca de cátion e anion adequadospara uma membrana de troca iônica 110 depende da aplicação da membrana110. Por exemplo, na deionização de uma cor de solução baseada em água,uma membrana 110 compreendendo camadas de toca de cátion 150compreendendo -SO3M ou grupos de ácido carboxílico (-COOH), e umacamada de troca de anion 152 tendo grupos -NR3A, como trimetil (-NCH3) outrietil amônio (grupos de -N(C2H5)3), é um modo de realização preferido.

Essas membranas 110 incham prontamente na água, provendo, desse modo,menores resistências elétricas e maiores taxas de transporte de massa por umalarga faixa de pH. Materiais de toca de anion compreendendo grupos de basefraca ou de ácidos são preferidos quando for necessária regeneração de trocade íon particularmente eficaz. Por exemplo, -NR2HA reagirá com OH" emuma reação bastante favorável para formar -NR2, H2O, e expelir A". Comooutro exemplo, a para a remoção seletiva de íons de cálcio ou de cobre de umlíquido contendo outros íons, por exemplo, íon de sódio, grupos de troca deíon, como -COOM, ou um grupo de formação de quelatos, como ácidoaminocarboxílico, são preferidos. Estes grupos de ácidos fracos oferecem obenefício adicional de regeneração particularmente eficaz devido à reaçãofortemente favorável de -(COOM)nM com H+ para formar -C))H e expelirM+11, onde M é um íon metálico.

A membrana de troca iônica divisora de água 110 pode sertexturizada com um padrão de repetição de três formas tridimensionais, comoarranjos de picos e vales, cujos exemplos de modos de realização estãodescritos em "MEMBRANAS DE TROCA IÔNICA TEXTURIZADAS", deHawkins ET AL., pedido de patente US 10/900.256, depositado em 26 dejulho de 2004, aqui incorporado em sua integridade pela referência. Ascaracterísticas texturizadas podem ser um arranjo ordenado de sulcos e cristaslinearmente espaçados e paralelos a um caminho de fluxo do corrente defluido 124 passando através da célula. As características texturizadas têm,geralmente, dimensões da ordem de micra.

As membranas 110 podem ser enroladas e espiral com ou semos espaçadores 154 providos sobre a superfície externa da camada de troca decátion ou de anion 150, 152, respectivamente, separando esta da camadaadjacente, conforme mostrado nas figs. 2A e 2B. Os espaçadores 154 podem ser feitos de um material dielétrico fibroso, como um polímero, por exemplo,polietileno ou polipropileno, e têm uma espessura entre cerca de 0,01 e 5mm,ou, mais tipicamente, de cerca de 0,lmm. Os espaçadores 154 separam asmembranas texturizadas 110 uma da outra para permitir melhor escoamentodo fluido através das membranas 110. O cartucho 130 compreende diversasmembranas 110 com espaçadores 154 que são enrolados em espiral ao redorde uma parede interna tubular 134 que é tipicamente cilíndrica.

Um controlador 170 controla a operação do aparelho 100 esupre sinais de controle e energia aos vários componentes do aparelho 100.Em uma versão, o controlador 170 compreende um suprimento de energia 114e um módulo de controle 140, conforme mostrado na fig. 4A. O suprimentode energia 114 é capaz de gerar voltagens para despachar energia aoscomponentes do aparelho de toca 100. Os níveis de voltagem gerados pelosuprimento de energia 114 são selecionáveis para despachar energia para oscomponentes do aparelho 100 dependendo, por exemplo, dos requisitos doscomponentes, as condições operacionais do aparelho de troca iônica 100, ououtros fatores.O módulo de controle 140 é capaz de gerar e receber sinais einstruções para, individual ou coletivamente, operar os componentes doaparelho de troca iônica 100. O módulo de controle 140 compreende circuitoseletrônicos e código de programa para receber, avaliar e enviar sinais. Porexemplo, o módulo de controle 140 pode compreender (1) um chip de circuitointegrado programável ou uma CPU (não mostrada), (ii) uma memória (nãomostrada) como uma memória de acesso aleatório e memória armazenada,(iii) dispositivos periféricos de entrada e saída (não mostrados, como tecladose mostradores, e (iv) placas de interface de hardware (não mostradas)compreendendo placas de entrada e saída analógicas ou digitais e placas decomunicação. O módulo de controle 140 pode compreender tambéminstruções de código de programa armazenadas na memória e capazes decontrolar e monitorar a célula de troca iônica 102, suprimento de energia 114e outros componentes do aparelho de troca iônica 100. O código de programapode ser escrito em qualquer linguagem de programação convencional decomputador. Código de programa adequado é entrado em um único oumúltiplos arquivos usando um editor de texto convencional e armazenado ouconfigurado na memória. Se o texto de código entrado for em uma linguagemde alto nível, o código é compilado, e o código de compilador resultante é,então, lincado com um código-objeto de rotinas de biblioteca pré-compiladas.Para executar o código de objeto compilado, lincado, o usuário invoca ocódigo de objeto, fazendo com que a CPU leia e execute o código para efetuaras tarefas identificadas no programa.Em uma versão, o módulo de controle 140 compreende ummicrocontrolador 152. O microcontrolador 152 é, tipicamente, um dispositivoúnico integrado que compreender diversos dos componentes do módulo decontrole 140. Por exemplo, o microcontrolador 152 pode compreender umaCPU, memória, código de programa, circuitos de entrada e saída, e outroscircuitos que podem ser especializados ou adaptados a tarefas particulares. Omicrocontrolador 152 é vantajoso, devido a encapsular um grau relativamenteelevado de funcionalidade em um único componente programável. Umexemplo de microcontroladores disponíveis comercialmente adequados 152são série de microcontroladores 152 PICmicro®, como, por exemplo, oMicrocontrolador de 28/40-Pinos de 8 bit CMOS Flash PIC16F87X,disponibilizado por Microchip, localizada em Chandler, Arizona. Outroexemplo de um microcontrolador comercialmente disponível adequado é o68000, disponibilizado por Motorola Corp., Fênix, Arizona.

Em uma versão, o suprimento de energia 114 e uma porção domódulo de controle 140, como o microcontrolador 152, podem, em conjunto,formar um suprimento de energia controlado. O suprimento de energiacontrolado combina a geração de voltagem e corrente para despachar energiaaos componentes do aparelho de troca iônica 100 com a funcionalidade deprogramação e controle do microcontrolador 152. O suprimento de energiacontrolado também pode fazer parte de um controlador 170 tendo um módulode controle 140 e outros componentes além do microcontrolador 152.

O suprimento de energia de eletrodo 114 serve para converteruma fonte de CA 158 em uma saída de CC para carregar os eletrodos dacélula 106, 108 e ativar tratamento de fluido em uma célula de tratamentoeletroquímico 102. A magnitude da voltagem de CC aplicada ente oseletrodos 106, 108 afeta o transporte de massa iônica na célula 102, por meiodo que voltagens maiores correspondem a uma maior transporte de massaiônica, e menores voltagens correspondem a um menor transporte de massaiônica. DE modo a regular as propriedades do fluido tratado, o suprimento deenergia de eletrodo 114 tem que ser capaz de despachar uma voltagem de CCselecionável. Uma saída de voltagem de CC aceitável, por exemplo, é umavoltagem de CC pulsativa, tendo uma amplitude e uma oscilação. Em umaversão, a oscilação tem um valor entre 10% a cerca de 50% do valor de tempomédio da voltagem de CC durante um período de tempo predeterminado e osuprimento de energia 114 de eletrodo é capaz de gerar a voltagem de CC quetem um nível de voltagem tipicamente selecionável na faixa de cerca de OV acerca de 330V, ou de cerca de 30 volts a 300volts. A polaridade da voltagemaplicada aos eletrodos também afeta a operação, por meio do que umapolaridade corresponde a tratamento de fluido e uma polaridade inversacorresponde à regeneração de célula eletroquímica.

De modo a apresentar estas características, o suprimento deenergia 114 tem que compreender certos elementos, ou seja: um suprimentode voltagem de CC 164 capaz de retificar e multiplicar a voltagem de entradade CA, um seletor de nível de voltagem 165 com circuito de temporização,um detector de corrente 232, um seletor de polaridade 218, e tem que sercontrolado por um controlador 170 capaz de interpretar informação de sensore produzir sinais de comando apropriados para os seletores de nível devoltagem 185 e de polaridade 216.

Um modo de realização de um sensor de suprimento devoltagem de CC 160 apropriado para uso no suprimento de energia 114 da fig.4A está mostrado na fig. 4B. O sensor de suprimento de voltagem de CC 160compreende um retificador 168 e um multiplexador 172. O retificador 168 compreende um circuito paralelo de avanço no sentido do relógio deelementos de circuito controlador de porta que são oticamente acoplados a umcircuito de sinal de temporização. Os elementos de controle de circuito deporta são SCRs 176a,b. Uma possível vantagem de SCRs sobre diodosnormais de Schockley é sua propriedade de travamento, que permite que osmesmos sejam desligados até serem ligados pelo suprimento de uma voltagemà porta do SCR 176. Os SCRs 176a,b são ligados em resposta a um pulso dedisparo e permitem que corrente passe para sua direção avante sobre a porçãoda forma de onda de CA que ocorre após os SCRs 176 serem ligados. OsSCRs 176 continuarão a passar corrente após a voltagem da porta serremovida e até que a voltagem de CA aplicada caia abaixo de seu valor delimiar de condução e, depois, serão ligados novamente.

O seletor de nível de voltagem 165 compreende um circuito detemporização que escolhe o pulso de disparo para ter uma duração suficientepara permitir que o SCR 176 de condução seja ativado. O circuito paralelo desentido do relógio avante compreende eficazmente dois retificadores 168arranjados em orientações opostas, e, assim, o sinal de voltagem de saídacompreende pulsos positivos e negativos. Ou seja, cada elemento deretificador, ou seja, cada SCR, produz pelo menos parte de uma voltagemretificada de meia onda tendo uma polaridade que opões uma polaridade dapelo menos pare da voltagem retificada de meia onda produzida pelo outroelemento de retificador, por exemplo, o outro SCR. No modo de realizaçãomostrado, os SCRs 176a,b podem ser suados para modular a quantidade deenergia despachada para o multiplicador de voltagem e, assim, a energia e avoltagem disponíveis do suprimento de energia 114.

A saída do retificador 168 serve como uma entrada para omultiplicador de voltagem 172, que retifica e multiplica a entrada. Omultiplicador 172 compreende dois diodos 208a, b que estão conectados àsaída do retificador 168, um capaz de passar corrente a partir da saída e ooutro capaz de passar corrente para dentro da saída. Os terminais dos diodos208a, b são conectados a dois capacitores 212a, b, e os terminais doscapacitores 212a, b são conectados ao pino neutro 171 da entrada da C. Α.. Avoltagem de saída é tomada para incluir ambos os capacitores 212a, b entreseus pinos. Quando o sinal de entrada é um pulso de voltagem positivo, acorrente flui através do diodo 208a à frente, para dentro do capacitor 212a epara fora do pino neutro 171 da entrada de C. A., carregando, o capacitor212a. Quando o sinal de entrada é um pulso de voltagem negativo, a correnteflui através do diodo reverso 208b, para fora do capacitor 212b, e para fora do pino neutro 171, carregando desse modo o capacitor 212b. Se a potênciadisponível ao circuito é mais alta do que sua potência de saída, os capacitores212a, b serão carregados para dar uma voltagem combinada de saída duasvezes o valor da voltagem do sinal de entrada cortado da C. A. Casonecessário, a voltagem de saída de pode ser mais intensificada aplicando-se a saída do multiplicador de voltagem a outro par de capacitores, entretanto, acorrente disponível é limitada pela entrada de potência pelo retificador.

Em uma versão, o detector de corrente 232 compreende umresistor na linha de saída D.C. que, quando a corrente é passada através dele,tem uma voltagem que é oticamente acoplada a um fototransistor (nãomostrado). O fototransistor passa voltagem quando luz é aplicada e produzum sinal de voltagem que é relacionado à corrente fluindo entre os terminaisdos eletrodos 106, 108. Este sinal é enviado ao controlador 170, que é capazde interpretar a entrada e de sinalizar o circuito de temporização do seletor donível de voltagem 165 para controlar a corrente fornecida à célula 102.

A temporização do disparo do pulso fornecido ao retificador168 afeta a voltagem de saída da fonte de alimentação DC e é fornecido peloseletor de nível de voltagem 165. Em uma versão da fonte de energia 114, oseletor de nível de voltagem 165 compreende um detector de cruzamento zero(não mostrado), uma rede de capacitor & resistor comutado (não mostrada) eum temporizador (não mostrado). O detector de cruzamento zero estáconectado à fonte de C. A. e produz um pulso cada vez que ele vê a fonte daC.A. passar por zero volt. O circuito de capacitor e resistor define umaconstante de tempo RC, e tem uma resistência que é ajustável pelocontrolador 170, tornando a constante de tempo ajustável. O temporizador lê ecombina a saída pulsada do detector de cruzamento zero com a constante detempo do circuito de capacitor e resistor dentro de uma saída de disparo depulso eficazmente cronometrada. Um chip geralmente disponível chamado555 é um chip de sincronismo apropriado.

Os sistemas de tratamento de fluidos 100 que têm duas células102a, b são mostrados na FIG. 12, exigem que o controlador 170 seja capazde sensorear e controlar a potência fornecida a ambas as células 102a, b.Quando uma fonte de alimentação 114 é usada para operar duas células 102a,b, as células 102a, b pode ser supridas com o mesmo valor de voltagem.Entretanto, o seletor de polaridade 216 permite que as células funcionem compolaridades opostas, isto é, uma célula no modo de tratamento enquanto aoutra célula está no modo de regeneração. Em um modo de realização, oseletor de polaridade 216 compreende um comutador de relê de duplo pólo edupla emissão.

Em um modo de realização, a carga sobre a fonte dealimentação 114 é diminuída, na operação de células múltiplas, provendo-seuma fonte de alimentação separada 114a, b para cada célula 102a, b. Emversões do sistema de tratamento de fluido 100 tendo mais de uma fonte dealimentação 114, o controlador 170 é configurado para controlarseparadamente as fontes de alimentação 114a, b.

Em um modo de realização, a longevidade do sistema 100pode ser aumentada provendo-se duas fontes de alimentação diferentes, umapara conduzir as células na direção à frente para o tratamento de fluido e umapara conduzir as células na direção inversa durante a regeneração. Alémdisso, desde que o fluido que sai da célula da regeneração é descartado, avoltagem da fonte de alimentação da regeneração não precisa ser controlada eajustada finamente. Assim, os parâmetros de projeto da fonte de alimentaçãoda regeneração são relaxados e uma fonte de alimentação DC mais barata,mais suja, pode ser fornecida para a regeneração.Sensores

O aparelho de troca iônica 100 compreende tipicamente um oumais sensores 160 para sensorear uma propriedade de um componente doaparelho 100, ou para detectar um evento ou medir uma propriedade. Ossensores 160 podem ser de tipos diferentes, tais como um sensor de fluxo,sensor da pressão, sensor de condutibilidade iônica ou um sensor detemperatura. O controlador 170 recebe sinais dos sensores 160 através dalinha 174 que conecta os sensores 160 ao controlador 170, e pode usar estessinais para gerar sinais de controle para a fonte de alimentação 114. Porexemplo, o microcontrolador 152 do controlador 170 pode igualmente gerar osinal de seleção de polaridade em resposta aos sinais oriundos do sensor 160.

Em outra versão, o controlador 170 pode usar uma combinação de sinais, taiscomo aqueles gerados pela fonte de alimentação 114 e o sensor 160, paragerar uma série de sinais de controle para a fonte de alimentação 114. Comoum exemplo, o controlador 170 pode gerar um sinal de seleção de tempoconstante e um sinal de seleção de polaridade que evolui no tempo emresposta às condições no aparelho 100 sensoreadas pelo sensor 160 e àscondições na fonte de alimentação 114 ou aparelho 100 comunicadas pelafonte de alimentação 114 ao controlador 170, por exemplo, comunicadas pelosinal de detecção de corrente.

Um sensor 160 compreendendo um sensor de fluxo de fluido204 pode ser posicionado ao longo da corrente de fluido 125. Em um modo derealização, um sensor de fluxo de fluido apropriado 204 compreende umaturbina 143 que é orientada para girar ou se mover de outra maneira com acorrente de fluido como mostrado na FIG. 5. Na versão mostrada, a turbina143 compreende um rotor 205 tendo uma lâmina em espiral que se enrola aoredor de um eixo que está suspenso entre dois rolamentos 207. O eixo 209 émantido em uma orientação fixa no tubo por braços (não mostrados) que seestendem a partir da parede interna do tubo e são conectados aos rolamentos207. A lâmina em espiral 206 pode ser pelo menos duas lâminas 206 que sãoconectadas integralmente ao rotor 205 ao longo de juntas arqueadas de modoque as lâminas 206 não sejam planas, mas se enrolem ao redor do corpo dorotor 205 e tenham um passo. Os rolamentos 207 são contornados em Uixictforma cônica para permitir que a corrente de fluxo seja defletida pelasuperfície externa do cone para ser direcionada em direção às lâminas emespiral 206 da turbina 143. A turbina 143 igualmente compreende um ímã 208que é embutido no rotor 205 e orientado de modo que uma linha juntando ospólos Norte e Sul do ímã se encontre aproximadamente perpendicular ao eixode rotação do rotor. A relação de rotação do rotor 205 e do imã 208 éproporcional à relação de rotação das lâminas 206 que é dependente do fluxode fluido através do tubo. Um sensor eletromagnético (não mostrado) éposicionado sobre, ou embutido na parede do tubo adjacente ao rotor 205 esensoreia a freqüência de oscilação do campo magnético do ímã da turbina. Osensor eletromagnético (não mostrado) produz um sinal de taxa de fluxocompreendendo uma voltagem para o controlador 170. A voltagem de saídado sensor 204 é uma função da freqüência rotativa e, por isto, é igualmenteuma função da taxa de fluxo de fluido através do tubo de saída 151. Umsensor apropriado é um sensor de Efeito Hall que produz uma voltagem queoscila com uma freqüência que corresponda à freqüência rotativa da turbina.Embora seja descrito um tipo de sensor de fluxo 204, deve-se notar que outrasconfigurações de sensores de fluxo são igualmente possíveis.

O controlador 170 usa o sinal da taxa de fluxo do sensor dofluxo de fluido 204 para determinar a taxa de fluxo de fluido que passaatravés dos tubos e das células 102a, b, e esta informação de taxa de fluxopode ter numerosas finalidades diferentes: Por exemplo, o controlador 170pode usar o nível do sinal da taxa de fluxo para controlar as fontes dealimentação 114a, b para ajustar a corrente elétrica aplicada aos eletrodos dascélulas 102a, B. Desta maneira, a corrente aplicada aos eletrodos pode serajustada para conseguir níveis mais elevados de desativação domicroorganismo, ou ajustar a potência da corrente aplicada aos eletrodos emrelação à taxa de fluxo através das células 102a, b.

Um sensor 160 que é um sensor da pressão pode igualmenteser provido para produzir um sinal de pressão ao controlador 170 que sejaproporcional à pressão do fluido no aparelho 100. No uso, quando a pressãono tubo de saída diminui, o controlador 170 pode ligar o funcionamento doaparelho de tratamento de fluido 100 para prover uma corrente de fluidotratado 125. Entretanto, quando a saída é fechada, a pressão se acumula nasaída e o controlador 170 pode desligar a operação da célula eletroquímica102.

O sensor 160 pode igualmente ser um sensor dacondutibilidade iônica que meça direta ou indiretamente a concentração deíons no fluido que está sendo tratado pelo aparelho de troca iônica 100. Osensor da condutibilidade iônica pode medir, por exemplo, a concentração,espécies, ou relações das concentrações de íons no fluido tratado. O sensor160 pode ser colocado em determinados pontos na corrente do fluido taiscomo, por exemplo, na entrada 146 ou na tomada 148 da célula eletroquímicade troca iônica 102, ou em uma combinação destas posições ou de outras. Osensor da condutibilidade iônica é igualmente útil para determinar e controlara concentração total de sólidos dissolvidos (TDS) na corrente do fluidotratado 125. Alternativamente, o sensor 160 da condutibilidade iônica podeser um sensor de íon específico que detecte uma espécies iônica particular,por exemplo, nitrato, arsênico ou chumbo. O sensor de íon específico podeser, por exemplo, ISE (eletrodo seletivo de íon). Geralmente, é preferidocolocar o sensor da condutibilidade iônica tão a montante quanto possívelpara obter-se a medida mais inicial. Neste modo de realização, quanto maiscedo a medida do sensor possa ser determinada, mais precisamente aconcentração iônica do fluido tratado pode ser controlada. O microcontrolador152 do controlador 170 pode gerar um sinal de seleção em tempo constanteque é relacionado a ambos os sinais a partir da fonte de alimentação 114, taiscomo o sinal de detecção de corrente, e um sinal a partir do sensor de íon bemcomo um sinal da concentração iônica. O controlador 170 pode igualmentecontrolar a fonte de alimentação 114 para controlar uma corrente elétricafornecida aos eletrodos 106, 108 da célula 102 em resposta a um sinal daconcentração iônica recebido de um sensor.

Um sensor 160 compreendendo um sensor de temperaturapode igualmente ser provido para sensorear a temperatura do fluido e gerarum sinal de temperatura. O sensor de temperatura mede uma temperatura dofluido dentro ou fora da célula 102 e gera um sinal de temperatura que contéminformação sobre a temperatura do fluido. O controlador 170 recebe o sinal detemperatura e ajusta o valor da corrente aplicada aos eletrodos 106, 108 emresposta ao sinal de temperatura, em qualquer um, ou em ambos os ciclos dedeionização e regeneração. Por exemplo, o controlador 170 pode instruir afonte de alimentação 114 para mudar o valor da corrente por etapas de, porexemplo, pelo menos, aproximadamente 20%. Em uma versão preferida, ovalor da corrente é mudado de, pelo menos, cerca de 20% para cada 10°C quea temperatura medida do fluido esteja acima ou abaixo da temperatura de25°C. Como um exemplo, em resposta a um sinal de medida de temperatura,o controlador 170 pode instruir a fonte de alimentação 114 para reduzir acorrente passada através da célula 102 de um primeiro nível para um segundonível que seja pelo menos cerca de 20% mais baixo do que o primeiro quandoa temperatura do fluido for, pelo menos, cerca de 10°C acima de 25°C(temperatura ambiente). Por exemplo, o controlador 170 pode ser programadopara reduzir a corrente do primeira para o segundo nível quando a temperaturafor pelo menos cerca de 45°C. A corrente pode igualmente ser reduzidacontinuamente pela detecção de uma temperatura do fluido que seja, pelomenos, cerca de 20°C mais alta do que a temperatura ambiente. Por exemplo,a corrente pode continuamente ser reduzida em decréscimos de miliampères,até o segundo nível de corrente desejado ser alcançado. Vantajosamente, estemétodo controla a temperatura do fluido tratado na célula 102 para assegurarque o fluido não seja aquecido a temperaturas excessivamente altas durante aueionização. Isto é particularmente útil nas aplicações de água para beberonde a saída de água quente pode ser indesejável.

Em uma versão alternativa, o controlador 170 ajusta a correntepassada através da célula 102 para manter uma temperatura de fluido pré-especificada. Por exemplo, esta versão pode ser útil quando é desejávelproduzir uma água mais morna ou mais refrigerada da célula 102. Ocontrolador 170 é programado para ajustar o nível de corrente aplicadoatravés da célula 102, por exemplo, aumentando ou diminuindo a corrente,para controlar a temperatura do fluido. O valor da corrente pode ser ajustadoem relação à temperatura medida na célula 102 e/ou à temperatura do fluidodesejada.

Um sensor de temperatura apropriado é um par termoelétricoposicionado ou no caminho do fluxo de fluido ou tocando o tubo de fluido. Opar termoelétrico pode ser um par termoelétrico tipo J ou Κ. O sensor detemperatura pode igualmente ser um termistor, tal como um construído doóxido de metal sinterizado em uma matriz de cerâmica que mude a resistênciaelétrica com a temperatura.

Desativação de microorganismos

Em uma versão da presente invenção, o controlador 170 enviaum sinal de controle à fonte de alimentação 114 para controlar a saída depotência para os eletrodos 106, 108. O controlador 170 é capaz de controlar afonte de alimentação 114 para aplicar através dos primeiros e segundoseletrodos 106, 108, da célula 102, corrente tendo uma densidade de correnteque seja suficientemente alta para desativar microorganismos na corrente defluido 124 que passa através da passagem de fluido 144 da célula 102. Parauma taxa de fluxo dada, se a corrente de desativação for demasiado baixa, osmicroorganismos presentes na célula 102 e o fluido de entrada retêm suacapacidade de multiplicar ou reproduzir após o fluido passar através da célula102, o que é indesejável. Entretanto, o processo de desativação não é apenasuma função da corrente passada através dos eletrodos 106, 108, mas tambémda densidade de corrente que passa através das membranas 110 da célula 102.Determinou-se que níveis baixos de densidade de corrente resultarão em, oudesativação insuficiente, ou nenhuma, dos microorganismos. Entretanto,níveis excessivamente altos de densidade de corrente não são desejáveisporque tais níveis levam ao consumo excessivo de corrente elétrica, e podemigualmente danificar as propriedades de troca iônica das membranas 110.

A bacteriostase dentro da célula 102 é conseguida quando osmicroorganismos, tais como bactérias, são desativados nas superfícies dentroda célula 102. Isto resulta nos níveis de microorganismos permanecerem osmesmos, ou até reduzirem-se em número, na célula, com o tempo. Pode-seobter bacteriostase sem reduzir os níveis de microorganismos ativos quando ofluido de entrada passa através da célula. Uma célula ou sistemabacteriostático não mostrará um aumento de bactérias na água que passaatravés dele por um intervalo de tempo, por exemplo, por muitas semanas oumeses. Uma célula, não-bacteriostática desenvolverá bactérias sobre suassuperfícies internas, que são então descartadas e adicionadas ao fluido quandoele passa através da célula. Com tempo, a concentração de bactérias aumentadentro da célula, resultando em um aumento dos níveis de bactérias na águatratada em um intervalo de tempo. Por isto, preferivelmente, uma corrente quetenha uma densidade de corrente suficientemente alta para resultar embacteriostase da célula 102, que é a desativação dos microorganismos sobre assuperfícies internas das células, é aplicada através dos primeiros e segundoseletrodos 106, 108 pela fonte de alimentação 114, que é controlada pelocontrolador 170. A densidade de corrente da corrente aplicada através dofluido é suficientemente alta para provocar bacteriostase de modo que, por umperíodo de tempo de uso, o fluido de saída da célula 102 compreende umnível de microorganismos que permanece constante ou é reduzido.

Adicionalmente é vantajoso desativar microorganismos naágua que entra, por exemplo, os níveis de bactérias ou de vírus, quando a águapassa através da célula 102. Neste exemplo, o primeiro nível de ummicroorganismo na entrada de fluido é reduzido a um segundo nível no fluidode saída que é, por exemplo, pelo menos cerca de 90% mais baixo do que oprimeiro nível, ou, até mesmo, pelo menos cerca de 99%, ou 99.99%, ou99.9999% mais baixo. Por exemplo, os primeiros e segundos níveis podemser níveis de bactérias de E. coli, vírus MS-2, ou outros microorganismos.

Um método comum de determinar o número bacteriano ativo éum método viável de contagem de placa. Neste método, uma amostra dofluido em que as bactérias ou outros microorganismos devem ser contados é diluída em uma solução que não prejudique o micróbio, e, contudo, nãosuporte seu crescimento de modo a não crescerem durante a análise. Porexemplo, um volume da amostra de fluido é diluído primeiramente 10 vezesno amortecedor e completamente misturado. Na maioria dos casos, umaporção de 0,1-1,0 ml desta primeira diluição é diluída então mais 10 vezes,dando uma diluição total de 100 vezes. Este processo é repetido até que umaconcentração que seja estimada em cerca de 1000 células bacterianas por mldo fluido seja alcançada. Na técnica placa de dispersão, as diluições maiselevadas tendo a densidade bacteriana mais baixa são, então, espalhadas comum bastão de vidro estéril dentro de um meio sólido, tal como o ágar para asbactérias heterotróficas, que suporta o crescimento destes micróbios. Oespalhamento do fluido sobre a placa deve embeber o ágar para impedir que oderramamento do fluido sobre a superfície provoque o desenvolvimentoconjunto de colônias. A necessidade de placas secas restringe tipicamente ovolume de dispersão a 0,1 ml ou menos. Um segundo método viável paracontar as bactérias é a técnica de derramamento na placa, que consiste emmisturar uma porção da diluição com ágar derretido e derramar a mistura emuma placa de petri. Em qualquer dos casos, a diluição da amostra é alta obastante para que células individuais sejam depositadas no ágar estasoriginando colônias. Contando-se cada colônia, o número total de unidades deformação de colônias (CFUs) na placa é determinado. Multiplicando estacontagem pela diluição total da solução, é possível encontrar o número totalde CFUs na amostra do fluido, que pode ser uma amostra do fluido de entradaou uma amostra do fluido de saída.

Em um exemplo, os primeiros e segundos níveis são definidoscomo unidades de formação de colônia por 100 ml de fluido. Em uma versão,o controlador 170 ajusta a densidade de corrente para obter um segundo nívelcompreendendo menos unidades de formação de colônias por 100 ml dofluido de saída do que o primeiro nível de unidades de formação de colôniaspor 100 ml do fluido de entrada. A densidade de corrente é suficientementealta para impedir substancialmente um aumento nas unidades de formação decolônias por 100 ml no fluido de saída. Como outro exemplo, o controlador170 controla a fonte de alimentação para aplicar aos primeiros e segundoseletrodos 106, 108, uma corrente tendo uma densidade de corrente que sejasuficientemente alta para prover um fluido de saída tendo um segundo nívelde unidades de formação de colônias por 100 ml que seja pelo menos cerca de90% mais baixo do que o primeiro nível de formação de unidades de colôniapor 100 ml do fluido de entrada.

Os primeiros e segundos níveis de microorganismos ativospodem igualmente ser definidos como contadores de placa das bactériasheterotróficas. Embora as bactérias possam ser heterotróficas, que sealimentam de carbono, elas pode igualmente ser de outros tipos, tais como asque se alimentam de enxofre. Contagens de placa de bactérias heterotróficassão usadas para contar as bactérias ativas que se alimentam de carbono.Quando o fluido de entrada compreende um primeiro nível demicroorganismo compreendendo uma contagem de placa de bactériasheterotróficas de, pelo menos, cerca de 500 Cfu/ml, o controlador 170 ajusta adensidade de corrente suficientemente alta para prover um fluido de saídatendo uma contagem de placa de bactérias heterotróficas menor do que cercade 450 Cfu/ml. O controlador 170 pode igualmente controlar a fonte dealimentação 114 para aplicar aos primeiros e segundos eletrodos 106, 108,uma corrente tendo densidade de corrente suficientemente alta para prover umfluido de saída tendo uma contagem de placa de bactérias do heterotróficasque seja, pelo menos, 50 Cfu/ml menor do que a contagem de placa debactérias do heterotróficas do fluido de entrada. Em uma versão, o controlador170 ajusta a densidade de corrente suficientemente alta para prover um fluidode saída tendo, pelo menos, uma redução logarítmica da contagem de placa debactérias para um tempo de residência do fluido de, pelo menos, 0,05minutos, ou mesmo duas reduções logarítmicas da contagem da placa debactérias.

Em referência aos exemplos de células mostrados nas FIGS.3A e 3B, o eletrodo 106 nestas células 102a, b tem uma área exposta An ι queé exposta à corrente do fluido 124 na célula, o segundo eletrodo 108 têm umaárea exposta AE2, e a membrana 110 tem uma área exposta Am. Nestascélulas, as áreas expostas AEi, AE2, e Am são substancialmente similares umaa outra para prover um cálculo relativamente fácil da densidade de correntemédia. A densidade de corrente média da membrana para um envoltório oucamada de membrana dada é a corrente total da célula dividida pela área damembrana para este envoltório ou camada. O controlador 170 controla a fontede alimentação 114 para aplicar uma corrente através do primeiro eletrodo106 para prover uma densidade de corrente média selecionada em relação aqualquer uma ou mais das áreas expostas AEi, Ae2 ou Am. Outra maneira dedescrever a bacteriostase da célula ou os parâmetros de desativação domicroorganismo é com o uso de uma queda do potencial elétrico. A correnteaplicada aos eletrodos 106, 108 passa através do fluido para formar umaqueda do potencial elétrico através das membranas 110 no fluido. O campoelétrico gerado pela queda de potencial é perpendicular ao plano dasmembranas 110, e a uma queda normalizada do potencial elétrico baseada nonúmero das membranas 110 entre os eletrodos 106, 108 pode ser usada paraconseguir uma medida da corrente aplicada através de uma pilha demembranas 110.

Na célula cilíndrica 102 mostrada nas FIGS, 2B e 2C, parauma diferença do potencial elétrico dado aplicada aos eletrodos 106, 108, adensidade de corrente e o campo elétrico aumentam, ambos, gradualmente nadireção do eletrodo interno 108 porque é menor em diâmetro do que oeletrodo externo 106. Nesta célula 102, o primeiro eletrodo 106 tem uma áreaexposta Aei que é exposta à corrente do fluido 124, o segundo eletrodo 108tem uma área exposta Ae2', e a membrana 110 tem uma faixa de áreasexpostas Am, relevante para o cálculo da densidade de corrente porque umdispositivo típico empregará camadas múltiplas de membranas entre oseletrodos 106, 108. As áreas expostas AEi, AE2, e Am são diferentes uma daoutra, porque os eletrodos 106, 108 e a membrana 110 têm cada um deles,formas diferentes. Por isto, a densidade de corrente no fluido e a queda dopotencial elétrico em relação ás membranas é selecionada como o menor dosvalores calculados da camada da membrana adjacente aos dois eletrodos 106e 108. O controlador 170 controla a fonte de alimentação 114 para aplicaruma corrente através dos eletrodos 106, 108 que, tem um fluxo de campoelétrico médio substancialmente perpendicular à superfície da membrana.Para uma célula em espiral tal como a célula 102, a área da membrana usadapara calcular a densidade da corrente é a área da camada mais externa.Naturalmente para uma placa e uma armação de célula construídas a partir decamadas de membranas múltiplas todas tendo mesmas áreas de superfície, ocálculo da densidade de corrente é direto.

Baseado nestas observações, uma faixa preferida da densidadede corrente média para as células 102a e 102b é de cerca de 0,01 a cerca de 20mNcm2 ou mesmo de cerca de 0,01 a cerca de 10 mNcm2. Uma densidade decorrente apropriada para uma célula de membrana enrolada em espiral é decerca de 0,2 a cerca de 10 mNcm2. Uma queda do potencial elétrico médioapropriada por camada de membrana é de cerca de 0,05 a cerca de 20 V porcamada de membrana. Mais preferencialmente, a queda do potencial elétrico éde cerca de 0,5 V a cerca de 10 V por camada de membrana. Como umexemplo, para a célula 102 mostrada na FIG.2A, a corrente passada atravésdos eletrodos 106, 108 pode ser de cerca de 0,1 a cerca de 4 ampères durantea operação de uma célula que tem uma altura de 15 cm. Nesta célula, a áreada membrana de cartucho mais interna é cerca de 200 cm2 e a área damembrana mais externa é cerca de 500 cm2. A densidade da corrente é calculada a partir da maior destas duas áreas, ou 500 cm2, e a faixa dedensidades de corrente é de 0,2mNcm2 na extremidade inferior, e 8 mAlcm2na extremidade superior.

Os níveis selecionados de densidade de corrente aplicadosatravés dos primeiros e segundos eletrodos 106, 108 ao fluido em qualqueruma das células 102 resultam na bacteriostase ou em uma redução naconcentração de microorganismos ativos, que incluem micróbios tais comobactérias e vírus, na corrente do fluido 124.

A desativação é um estado em que os microorganismos sãoincapazes de reproduzir neutralizando, deste modo, eficazmente seus efeitos prejudiciais em criaturas vivas. A desativação não significa necessariamenteque os microorganismos sejam removidos da solução ou que sejam todosmortos na célula. Entretanto, a desativação é suficiente para desinfetar acorrente do fluido 124, porque impede que os microorganismos sereproduzam e assim causem a doença.Células antimicrobiana

O fluido que está sendo tratado eletroquimicamente podeigualmente ser exposto a um agente antimicrobiano em uma célulaantimicrobiana 177a para aumentar adicionalmente os níveis de desinfecçãoobtidos no fluido de saída. A célula antimicrobiana 177a pode ser posicionadaantes da célula eletroquímica 102 (como mostrado), após a célula 102, naprópria célula 102, ou colocada ao longo do caminho de uma pequenacorrente de fluido desviado. A célula antimicrobiana 177a é usada paraadicionar o fluido ou expô-lo,, a um agente antimicrobiano via uma fonte deum agente antimicrobiano, para aumentar adicionalmente os níveis dedesinfecção obtidos no fluido de saída. O agente antimicrobiano reduz onível, impede o crescimento, ou limita a reprodução dos micróbios. Micróbiossão microorganismos e formas de vida mínimas que incluem, por exemplo,bactérias, vírus, parasitas, cistos, fungos, mofo, bolor e esporos. O agenteantimicrobiano pode ser um ou vários dos antibacterianos, antivirais,antifungicos, antiparasíticos, imunoterapêuticos, antibióticos,quimioterapêuticos e outros agentes. O agente antimicrobiano deve tertoxicidade seletiva, isto é, o agente deve inibir a reprodução de, ou matarmicróbios sem liberar compostos perigosos para dentro do fluido tratado.

A célula antimicrobiana 177a pode ser um sistema degotejamento (não mostrado) que adicione o agente antimicrobiano ao fluidoenquanto este passa através de uma célula eletroquímica 102, ela mesmo, ouatravés de uma célula antimicrobiana 177 que é conectada a uma célulaeletroquímica 102. Em um exemplo, o sistema de gotejamento compreendeum gotejador de fluido para gotejar um fluido antimicrobiano contendo oagente antimicrobiano dentro do fluido enquanto ele passa através da célula177a. O gotejador de fluido compreende um recipiente que contém umvolume de fluido antimicrobiano substituível, e que possa ser conectado porum encanamento à linha do fluido através da qual o fluido tratado ou não épassado. Uma válvula de controle do fluxo (não mostrada) pode ser colocadano encanamento para controlar o fluxo do gotejador de fluido para dentro doencanamento. Em um exemplo, o fluido antimicrobiano compreende cloretode sódio ou cloro. A exposição ao gotejamento deveria adicionar fluidocontendo agente antimicrobiano em uma concentração que sejasuficientemente alta para permitir a desinfecção de um fluido que é passadoatravés do sistema a uma taxa de fluxo pelo menos de cerca de 2 l/min.

No exemplo mostrado na FIG. 11B, o sistema de gotejamento227 inclui um encanamento inclinado 246 que desvia uma pequena quantidade da corrente do fluido para dentro da célula 233. O fluido desviadodissolve uma pequena fração das partículas antimicrobianas, tais como aspartículas de cloreto de sódio, contidas na célula 233. Uma célulaantimicrobiana apropriada 233 é inteiramente carregada com as partículasgranuladas 247 de um sal de haleto apropriado, tal como cloreto de sódio, e uma fração da corrente do fluido é desviada para dentro da célula 233 paradissolver pelo menos parcialmente o sal de haleto para formar íons de haleto,por exemplo, íons cloreto do sal de cloreto. As partículas antimicrobianaspodem igualmente compreender, por exemplo, um composto contendo umagente antimicrobiano, tal como o sal do cloreto de sódio para liberar íons de cloro no fluido quando ele passa através da célula 233. As partículasantimicrobianas podem igualmente ser encapsuladas em um material deliberação lenta ou sustentada tal como um revestimento que libere lentamenteíons do cloro para dentro do fluido. O fluido desviado é retornado à correntedo fluido através de uma válvula de controle 234 que controla a taxa com que o fluido flui através do sistema de gotejamento 227 e com isto, a dose dasolução antimicrobiana 229 e partículas antimicrobianas 247 para dentro dacorrente do fluido.

Outros sistemas do gotejamento incluem sistemas de microválvulas que empregam uma micro válvula com tubo capilar fino para liberarcontinuamente uma dose muito pequena do agente antimicrobiano dentro dacorrente do fluido. Ainda outro sistema de gotejamento compreende um tubocapilar ou um orifício Venturi que igualmente libera lentamente o agenteantimicrobiano para dentro da corrente do fluido.

As partículas antimicrobianas podem ser geradas de uma fontede agente antimicrobiano, por exemplo, um composto contendo um agenteantimicrobiano, tal como sal de cloreto de sódio para liberar íons de cloro nofluido quando este passa através da célula 177. As partículas antimicrobianaspodem ser igualmente encapsuladas em um material de liberação lenta ousustentada tal como um revestimento que libere lentamente íons de cloro paradentro do fluido.

Ainda em outro exemplo, a célula antimicrobiana 177a contémagente antimicrobiano suspenso em uma membrana antimicrobiana (nãomostrada), tal como uma membrana semipermeável ou um filtro poroso. Amembrana antimicrobiana é suspensa na célula 177a de modo que o fluidoatravessa a célula 177 passando através da superfície da membrana. Ao fazerassim, o fluido captura uma porção pequena do material antimicrobianocontido dentro da membrana. Como um exemplo, um material antimicrobianoapropriado pode ser contido em uma membrana de polímero durante afabricação da membrana de polímero. Polímeros apropriados que podemservir como meio para uma membrana contendo o agente antimicrobianoincluem poliamida, acrílicos, cloreto de polivinil, metacrilatos de polimetil,poliuretano, celulose etil, e nitro celuloses. O agente antimicrobiano podeligar-se ionicamente à, ou ser contido por, uma rede de polímero de ligaçãocruzada. O composto antimicrobiano deveria ser misturado uniforme ehomogeneamente com o material precursor do polímero da membrana. Amistura pode ser realizada misturando pós dos polímeros precursores e omaterial antimicrobiano em um misturador cortante. Os pós podemigualmente ser dispersos em um solvente apropriado e então ser revestidos ousecos para formar um pó sólido. Solventes apropriados incluem misturas deálcool/água e podem igualmente incluir tensoativos, peptizadores e auxiliaresde dispersão. Os agentes antimicrobianos deveriam ser resistentes àtemperatura e pressão aplicadas à membrana20 durante sua fabricação.

Em outra versão, o agente antimicrobiano é adicionado àprópria membrana de troca iônica ou divisora de água 110 de modo que ofluido é exposto ao agente antimicrobiano ao passar através da célulaeletroquímica 102. Este sistema evita ter células separadas 177a, b para oagente antimicrobiano. Em uma versão, esta membrana 110 é fabricadaadicionando-se o agente antimicrobiano à membrana 110 depois que éfabricada e texturizada. Por exemplo, um agente antimicrobiano pode seradicionado à mistura de materiais de troca de cátion e de anion que sãomisturados em um tanque antes de ser pressionado ou laminado em umamembrana divisora de água 110. Os materiais de troca de cátion e de anionpodem ser pós que são misturados ao agente antimicrobiano em ummisturador cortante para formar uma mistura homogeneizada dos pós. Oagente antimicrobiano pode igualmente ser disperso em um solventeapropriado tal como o álcool, água, tensoativos, peptizadores, auxiliares dedispersão e suas misturas; e revestido então em outras partículas da matriz ousecado para dar forma a um pó misturado. O pó misturado é fabricado entãodentro de uma membrana por tratamento térmico e pressão em um sistema delaminação. O agente antimicrobiano pode igualmente ser adicionado a umamembrana IlO mergulhando a membrana divisora de água pré-fabricada 110em uma solução contendo o agente antimicrobiano ou pulverizando umasolução do agente sobre a membrana enquanto ela passa através doslaminadores de fabricação. A membrana altamente porosa e permeável 110absorve o agente em sua superfície e poros internos. Aplicação do agenteantimicrobiano após a fabricação da membrana 110 igualmente reduz aprobabilidade do agente se tornar ineficaz pela exposição ao calor, à pressãoou às outras condições de fabricação da membrana. Os agentesantimicrobianos trocam ou são liberados durante a passagem do fluido atravésda célula eletroquímica 102 contendo a membrana divisora de águaantimicrobiana modificada. Polímeros hidrófilos de cadeias longas que sãoincorporados à membrana 110 podem igualmente adsorver moléculas de águae facilitam a troca iônica. O agente antimicrobiano deveria estar presente namembrana 110 em uma concentração suficientemente alta para permitir adesinfecção do fluido que passa através da célula em uma taxa de fluxo de,pelo menos, cerca de 2 litros/minuto. Espera-se que as membranastexturizadas contendo agentes antimicrobianos provejam melhor desinfecçãodo que as membranas não-texturizadas por causa da área de superfície maiordestas membranas.

As membranas antimicrobianas 110 podem igualmente incluirnano-materiais, que têm dimensões na ordem dos nanômetros, e que removemou desativam os microorganismos. Por exemplo, nano-fibras cerâmicaspodem ser adicionadas às membranas para filtrar contaminadores. Filtros denano-fibra de alumina tendo uma carga positiva, que atraem germescarregados negativamente do fluido e retêm o mesmos nas superfícies dofiltro são produzidas por Argonide, Sanford, Florida. Escovas do polímero emnano-escala revestidas com moléculas podem ser usadas para capturar eremover metais, proteínas e germes venenosos, e estes materiais sãoproduzidos por eMembrane, Providence, Rhode Island. Nano-colunas deóxido de titânio podem, igualmente, ser usadas para remover micróbios.

O aparelho e métodos acima descritos para incorporar umagente antimicrobiano no aparelho 100 ou na própria célula eletroquímica102, para tratar a corrente do fluido entrante para remover ou para desativarmicróbios, podem ser implementados usando-se um ou vários de muitosagentes antimicrobianos diferentes. Exemplos de agentes antimicrobianosapropriados incluem compostos inorgânicos, que ocorrem naturalmente oucompostos orgânicos sintetizados, e compostos farmacêuticos. Diversosexemplos destes compostos estão listados aqui, entretanto, deve-secompreender que os compostos listados são exemplos meramente ilustrativos,e a presente invenção não deve ser limitada a estes exemplos, mas, em vez disto, incluir todos os outros agentes antimicrobianos como seria aparenteàqueles peritos na técnica.

Vários compostos contendo halogênios e oxidantes fortes sãoigualmente agentes antimicrobianos eficazes e podem ser incorporados aoaparelho e métodos descritos aqui. Por exemplo, desinfetantes de halogênio como hipoclorito de sódio, operam como agente antimicrobiano eficaz.Agentes antimicrobianos que se tornam eficazes quando tratados dentro dacélula eletroquímica incluem o íon cloreto contendo compostos tais como ocloreto de sódio que pode ser dissolvido em um fluido como a água a partir departículas granuladas de sal adicionadas a um recipiente como descrito aqui. Em uma versão, a célula antimicrobiana 177a compreende uma célulacontendo íon halogênio que inclui um recipiente contendo um composto quecontém halogênio, tal como o cloreto de sódio na forma granulada ou umasolução saturada de cloreto de sódio em um sistema do gotejamento. Deve-seigualmente notar que os íons cloreto estão freqüente e igualmente, presentes nos reservatórios de água das cidades em quantidades eficazes para aumentaro efeito antibacteriano da célula eletroquímica operada a um fluxo de correnteeletroquímico particular. A concentração dos íons químicos no fluido oumembrana multiplicada pelo tempo de residência gasto pelo fluido paraatravessar através da célula antimicrobiana ou da membrana, determina a taxa de desinfecção. Em um exemplo, o íon haleto, tal como um íon cloreto éadicionado ao fluido em uma concentração de, pelo menos, cerca de 15 ppm,ou mesmo pelo menos 60 ppm ou mesmo, pelo menos, 100 ppm.

Outros compostos de halogênio podem igualmente ser usadoscomo agentes antimicrobianos. Por exemplo, o agente antimicrobiano podeigualmente ser uma amina-halogênio, como por exemplo, N-halamina.Grânulos da resina de N-halamina estão disponibilizados no comércio porHaloSource sob a marca registrada HaloPure®. A N-halamina compreendegrupos de aminas juntados a halogênio tal como o cloro. Alguns exemplosincluem halamina amida, halamina imida, e halamina amina. Exemplos dedesinfetantes N-halamina incluem 1,3 dicloro-2,2,5,5-tetrametilimidazolidina-4-ona e 1 cloro-2,2,5,5-tetrametilimidazolidina-4-ona. Um outro tipo decomposto halogênio-amina compreende as cloraminas, que produzem menoscompostos orgânicos clorados do que o cloro livre, e conseqüentemente, sãomais duradouros e estáveis na célula 102. Em uma versão, a membranaantimicrobiana compreende as cloraminas suspensas em uma malha fina decarbono. Quando um fluido, tal como a água, passa através da membrana éexposto às cloraminas para matar ou desativar micróbios no fluido. Ahalogênio-amina ou N-halamina pode ser provida a partir de uma halogênio-amina ou de uma célula de N-halamina que seja baseada no sistema degotejamento descrito acima.

Em outro exemplo, uma resina de troca iônica iodada, quepode ser uma resina catiônica ou aniônica, pode igualmente ser usada paraformar a membrana. A resina é carregada pesadamente com iodo elementar equando a água passa sobre a resina iodada provê uma liberação programadado iodo que cria uma concentração fixa na água tratada. Resinas iodadas sãoagentes biocidas altamente eficazes que matam ou desativam a maioria dosmicroorganismos nativos da água, incluindo bactérias, parasitas e vírus. Asresinas iodadas permitem uma baixa residência do fluido através da célulaporque a água precisa somente ser exposta à resina por um período curto detempo para se tornar desinfetada eficazmente. Com isto, as resinas iodadaspermitem uma taxa de fluxo elevada de fluido através da célula. O iodo éigualmente favorável ao meio ambiente porque tem um baixo potencial deforça eletromotiva com materiais orgânicos. O iodo é igualmente menosinclinado do que outros halogênios a formar complexos orgânicos perigosos,o subproduto principal sendo sal iodado, que é extraído facilmente da águatratada se desejado. A resina iodada pode ser fabricada para prover uma taxafixa de liberação desejada do iodo no fluido. Ouando expostas à águacarregada com partículas carregadas negativamente, incluindo a maioria dosmicróbios, algumas resinas iodadas compensarão deslocando quantidadesligeiramente maiores de iodo na água contaminada. Esta resina podeigualmente ser combinada com a resina de carvão vegetal ativado e ser usadana própria célula, por exemplo, enquanto um revestimento das paredes dacélula, ou mesmo como um espaçador que separa as membranas. A resina decarvão vegetal ativado remove igualmente o cloro da água entrante paraimpedir a reação do cloro com iodo. Membranas de resina iodada sãoparticularmente úteis para a purificação emergencial da água,

Um oxidante forte pode igualmente atuar como um agenteantibacteriano eficaz. Nesta versão, a célula antimicrobiana 177a inclui umrecipiente que contem um oxidante presente em forma de composto, por elemesmo ou na presença de um catalisador ou outra fonte de energização. Porexemplo; a adição de pequenas quantidades de um oxidante tal comoperóxido de hidrogênio, H2O2, ele próprio, ao fluido ou água fluindo atravésda célula 102 pode ser usado para purificar ainda mais o fluido. Nesteexemplo, a célula oxidante. inclui um recipiente contendo peróxido dehidrogênio. A célula oxidante pode também incluir um recipiente contendoH2O2 combinado com prata coloidal (que serve como catalisadorantimicrobiano) para prover boa desinfecção. Os produtos químicos presentesna água são oxidados pelo H2O2 e os microorganismos são mortos pelo nívelaumentado de oxigênio.

Materiais inorgânicos contendo íons metálicos que têmpropriedades antimicrobianas incluem íons de metais prata, cobre, níquel,zinco, estanho e ouro. Estes metais podem ser providos ao aparelho sob aforma de colóides de metal, sais de metal, anidridos de metal, e materiaisantimicrobianos de troca metal-íon. Os íons do metal executam a troca iônicacom os íons opostos no fluido que são parte do micróbio no fluido, dessemodo desativando ou destruindo o micróbio. íons de metal por contato podemigualmente interromper a transferência e respiração do elétron dentro dascélulas de uma bactéria.

O íon prata é um agente antimicrobiano particularmente eficaz.Como exemplo, agente antimicrobiano compreendendo íon prata mantido emuma matriz de liberação controlada pode ser adicionado a uma membrana 110durante o processo da fabricação. Por exemplo, uma membranaantimicrobiana pode compreender o íon prata incorporado em uma membrana110 que serve como um portador. O material de troca iônica é compatível epode mesmo ser sinérgico com o processo de troca iônica eletricamenteacelerada e a migração iônica que ocorre nas células eletroquímicas 102.

Mais, a área de superfície maior da membrana 110 aumentaria a áreasuperficial efetiva dos íons prata expostos ao fluido provendo melhordesinfecção. Desde que a célula eletroquímica 102 já é operada para proverum grau de desinfecção ou de desativação do micróbio, a adição de liberaçãocontrolada ou troca de íons prata poderia aumentar substancialmente aspropriedades benéficas da desinfecção.

Os íons prata são igualmente eficazes contra um espectroamplo de microorganismos que causam o odor, descoloração, rejeitosorgânicos, e outros problemas estéticos. Quando os íons prata contatam asbactérias e os outros micróbios, interrompem a transferência e a respiração doelétron dentro das células. Mais, os íons prata não são tóxicos aos sereshumanos e aos animais e podem ser moldados para fornecer liberaçãocontrolada para permitir proteção antimicrobiana contínua, A matriz contendoo íon prata pode ser incorporada diretamente dentro das membranasmisturando-o com o material da membrana. A matriz do íon prata podeigualmente ser usada na tubulação antimicrobiana, tal como um tubo rígido depolietileno, que é usado para conectar a válvula(s) 118, células eletroquímicas102 e outros componentes. A tubulação antimicrobiana inibe a colonizaçãomicrobiana sobre a superfície interna da tubulação para impedir a formaçãode algas, limo ou mofo, sobre as paredes da tubulação.

A membrana ou partículas antimicrobianas podemcompreender o íon prata incorporado em uma matriz cerâmica que é inerte eserve como um portador como, descrito abaixo. Um tipo de membranaantimicrobiana compreende o íon prata adsorvido sobre a superfície de umacamada de zeólito que opera trocando os íons prata com os íons opostosencontrados no fluido. Um zeólito é um mineral hidratado de silicato dealumino com uma estrutura "aberta" que pode acomodar uma variedade deíons positivos, como por exemplo, o íon prata, que é mantido um pouco maisfrouxamente e pode prontamente ser trocado por outros íons no fluidopassando em contacto com a estrutura. Os minerais zeólitos comuns incluem aanalcima, a chabazita, a heulandita, a natrolita, a phlllipsita, e a stilbita; e umafórmula exemplar para a natrolita é Na2AI2Si3Oio^H2O. Os zeólitos têmestruturas cristalinas únicas compreendendo poros internos interconectadoscom diâmetros controlados na ordem de nanômetros ou menos. A troca iônicaexige neutralidade de carga na superfície do zeólito, e os íons prata não sãoliberados a menos que um cátion esteja presente para a troca. Por isto, quandoa superfície de tal membrana está molhada, a superfície contendo o zeólitotorna-se ativa para liberar os íons prata a uma concentração antimicrobiana, eentão desliga reabastecendo o reservatório de prata quando ele está seco. Um íon prata apropriado a uma matriz de zeólito está disponível no comércio sobo nome comercial AglON™. O composto antimicrobiano AgION trabalhaproativamente contra um espectro amplo de bactérias, fungos e outrosmicróbios, e foi provado reduzir as bactérias no produto tratado de tantoquanto 99.999%, ou cinco reduções logarítmicas.Outro tipo de membrana antimicrobiana compreende o íonprata em uma matriz cerâmica compreendendo fosfato de zircônio. O fosfatode zircônio tem uma estrutura em camada tridimensional com os átomos deprata encontrando-se entre as camadas. A prata é liberada das camadas pelatroca iônica com íons do ambiente; entretanto, por a troca iônica poderocorrer somente nas bordas das camadas, ela provê cinética de liberaçãocontrolada. Uma resina apropriada baseada em fosfato de zircônio contendoprata é a AlphaSan® que pode ser obtida de Milliken & Company, deSpartanburg, North Carolina. Ainda outro tipo de membrana antimicrobianacompreende o íon prata em uma matriz do vidro fosfatado. Uma mistura destevidro e prata é moída e, então, misturada com plásticos ou revestimentos.Quando o vidro se dissolve em uma solução ligeiramente ácida, os íons pratasão liberados para prover um efeito antimicrobiano.

A membrana antimicrobiana pode igualmente ser feita usando-se materiais de troca iônica de metais que foram trocados ou carregados comos íons antimicrobianos. Materiais de troca iônica de metais apropriadosincluem compostos de zircônio ou fosfato tais como fosfatos de zircônio,fosfatos de hidrogênio, zircônio e sódio e fosfatos metálicos hidrogenados.Vários minerais são igualmente antimicrobianos e estes incluem zeólitos,argilas tais como montmorillonita, alumino-silicatos porosos, e silicatos demagnésio. O agente antimicrobiano pode ter uma composição antimicrobianaativa que é selecionada de uma faixa ampla de antimicrobianos conhecidos, emateriais apropriados são apresentados em, por exemplo, "Active Packing ofFood Applications" A.L. Brody, E.R. Strupinsky, e L.R. Kline, TechnomicPublishing Company, Inc, Pensilvânia (2001), que está aqui incorporado emsua totalidade pela referência.

Certos compostos metálicos podem igualmente ser agentesantimicrobianos eficazes bem como agentes formadores de sedimento. Porexemplo, compostos inorgânicos tais como o cálcio e o magnésio servemcomo agentes amortecedores que ajudam na formação de flocos ou espuma desedimento que podem ser removidos do fluido. Altas concentrações demagnésio, por exemplo, colocadas em uma camada na célula, podemigualmente inibir o crescimento de fungo, tal como aspergilo, dióxido detitânio e a cerâmica de titânia são igualmente úteis para a purificação de águae revestimentos antivirais e bactericidas. O sulfato de cobre é outro bomagente antimicrobiano que pode ser usado em algumas membranas formadasem doses suficientemente pequenas para não afetar a saúde de uma pessoaque beba a água tratada do aparelho.

Compostos orgânicos, que podem ser substâncias naturais ousintetizadas, podem igualmente servir como agentes antimicrobianos. Porexemplo, o ácido benzóico, CeH5COOH, e seus sais, inibem o crescimento domofo, fermento, e de algumas bactérias quando adicionado diretamente oucriado a partir de reações com seus sais de sódio, potássio ou cálcio. Comooutro exemplo, ácido sórbico, C6H8O2, um composto orgânico natural isoladodas bagas verdes da sorveira Sorbus, aucuparia, e seus sais, tais como osorbato de sódio, sorbato de potássio e sorbato de cálcio, são agentesantimicrobianos usados freqüentemente para impedir o crescimento do mofo,fermento e fungos. Os sais são preferidos em relação à forma ácida porquesão mais solúveis em água. O pH ótimo para a atividade antimicrobiana estáabaixo de pH 6,5 e os sorbatos são usados geralmente em concentrações de0,025% a 0,10%. Como outro exemplo, alicina, que é um extrato natural doalho é um antibiótico poderoso e um composto antifungico. Outros compostosorgânicos sintetizados que podem servir como agentes antimicrobianosincluem timol e triclosan. Timol é um derivado do fenol monoterpeno decimeno, CloH13OH, isomérico com carvacrol e encontrado no óleo de tomilho,que mata esporos fungicos e mofo. Triclosan é um composto aromáticoclorado que tem grupos funcionais representativos de ambos os éteres efenóis, e que é um composto antibacteriano. Triclosan é ligeiramente solúvelem água, mas solúvel em etanol, éter dietil, e soluções básicas mais fortes talcomo hidróxido de sódio 1 M. Triclosan parece matar as bactérias inibindoprincipalmente a síntese do ácido graxo porque se liga à enzima de reductasede proteína portadora de enoil-acil bacteriano (ENR), que é codificada porFabL

Compostos farmacêuticos que podem servir como agentesantimicrobianos incluem antibióticos e agentes antivirais. Em uma versão, oagente antimicrobiano é um fármaco, que pode ser antibiótico. A membranaeletroquímica ou outra membrana em uma célula separada pode incorporar osantibióticos dentro da estrutura da membrana quando são adicionados àmembrana mergulhando a membrana em um tanque de solução e entãosecando, ou incorporando dentro da própria matriz da membrana durante suafabricação. Em uma versão, o agente antimicrobiano adicionado à membrana110 compreende um antibiótico que tenha um efeito cidal ou de eliminação,ou um efeito estático ou inibidor, sobre uma faixa de micróbios. A faixa dosmicroorganismos afetados por um antibiótico é expressa como seu espectro deação. Os antibióticos de espectro amplo são eficazes contra procariotas ematam ou inibem a faixa ampla de bactérias gram-positivas e gram-negativas.Os antibióticos de espectro limitado são eficazes principalmente contrabactérias gram-positivas ou gram-negativas.

Antibióticos apropriados são as tetraciclinas, cloranfenicóis,macrólidos (por exemplo, eritromicina) e os aminoglicosidos (por exemplo,streptomicina). Geralmente, as tetraciclinas são antibióticos de espectro amplocom uma faixa ampla de atividade contra bactérias gram-positivas e gram-negativas, e são produtos naturais dos Streptomicetos. A tetraciclina,clorotetraciclina e a doxiciclina são os mais conhecidos, e incluem aquelocardina. Cloranfenicol que é um inibidor da síntese da proteína tendo umespectro amplo de atividade e que exerce um efeito bacteriostático contraparasitas intracelulares tais como rickettsiae. O Cloranfenicol inibe atransferase peptidil da enzima bacteriana para impedir o crescimento dacadeia polipeptídea durante a síntese da proteína. Cefalosporina é umantibiótico de beta lactama produzido por espécies de Cephalosporium, e têmuma baixa toxicidade e um espectro mais amplo do que as peniciíinasnaturais. Monobactamas são particularmente úteis para o tratamento deindivíduos alérgicos. Carbapenemas pode igualmente ser usadas. Abacitracina é um antibiótico de polipeptídeo produzido por Bacillus spécies.Cicloserina inibe as fases iniciais da síntese da mureína onde D-alanil-D-alanina é adicionada à corrente lateral crescente do peptídeo. OsGlicopeptídeos tais como o antibiótico vancomicina, parecem inibir ambas asreações de transglicosilação e transpeptização durante o conjunto de mureína.

A eritromicina é ativa contra a maioria de bactérias gram-positivas, Neisseria, Legionella e Haemophilus, mas não contra asEnterobacteriaceae. Lincomicina e clindamicina são um grupo variado deinibidores da síntese da proteína e têm atividade similar aos macrólidos.

Aminoglicosídeos são produtos do Streptomyces species, taiscomo a streptomicina, kanamicina, tobramicina e a gentamicina. Estesantibióticos exercem sua atividade ligando-se aos ribossomos bacterianos eimpedindo a iniciação da síntese da proteína. Aminoglicosídeos têm sidousados contra uma grande variedade de infecções bacterianas causadas pelasbactérias gram-positivas e gram-negativas. A Kanamicina, gentamicina etobramicina têm um efeito bactericida porque provêm acumulaçãocitoplasmática que pode ser letal às células, e podem ser usados para tratarinfecções por Pseudomonas. Amoxicilina e ampicilina ampliaram osespectros contra gram-negativas e são eficazes oralmente. A Meticilina éresistente à penicilinase. O ácido clavulânico é um produto químicoadicionado às vezes a uma penicilina semi-sintética.

Os antibióticos de inibidores da membrana da célula operamdesorganizando a estrutura ou inibindo a integridade das membranas externascitoplasmáticas das bactérias. Um exemplo é polimixina, produzida peloBacillus polymyxis, que é eficaz principalmente contra bactérias gram-negativas e é limitado geralmente ao uso tópico.

O agente antimicrobiano pode igualmente ser um agente antiviral que destrua ou desative vírus suprimindo sua reprodução e, com isto,sua capacidade de multiplicar e reproduzir. Os agentes antivirais apropriadossão descritos em, por exemplo, Antiviral Agents, Vaccines andImmunotherapies., Stephen K. Tyring, Mareei Dekker, 2004; e AntiviralDrugs, John S. Driseoll, Wiley, John & Sons, Inc. 2002; ambos aqui incorporados totalmente como exemplos. Os agentes antivirais apropriadosincluem inibidores de protease que é uma droga antiviral usada contra o HIV.Outros exemplos incluem a Amantadina que é uma droga sintética que inibe amultiplicação do vírus A da gripe; Rimantadina, também uma droga antigripeA; e foscarnet, um grupo usado para tratar os sintomas do citomegalovirus (CMV), que causa infecção nos olhos.

Em outra versão, a célula antimicrobiana 177a pode ser umacélula ultravioleta 242, como mostrado na FIG. 11A. A radiação ultravioleta211 é igualmente útil para a desinfecção biológica porque ela esteriliza a águaquando passa através dela. A luz UV é absorvida pelas proteínas RNA e ADNnas membranas dos microorganismos 213, e a absorção de UV em doseselevadas leva, em última análise ao rompimento das membranas e morte dacélula. Com doses mais baixas de UV, sua absorção pelo ADN podeinterromper a capacidade do microorganismo 213 de reproduzir, resultando nadesativação do microorganismo 213 porque não pode se reproduzir e, por isto,não pode contaminar. Geralmente, alguns microorganismos mais complexos213 são mais sensíveis à desativação pela UV. Por isto, os vírus são os menossensíveis, seguindo-se os esporos bacterianos 214, e finalmente as bactérias231 que são muito sensíveis. Protozoários, como o crytosporidium parvum egiardia lamblia, pareceram ser insensíveis à UV por causa da dificuldade empenetrar dentro da concha em seu estado de cisto ou oocisto, mas uma vezpenetrados, são totalmente sensíveis à radiação UV 211. Assim, a desinfecçãopela radiação UV 211 pode agora ser estendida para cobrir quase todos ospatogênicos.

A radiação ultravioleta 211 é luz que tem comprimentos deonda mais curtos do que 400nm. Esta faixa é subdividida em UVA (320-a-400nm), UVB (280-a-320nm), e UVC (200-a-280nm) A radiação UVC que échamado igualmente "germicida" é absorvida pelo ADN provocando danogenético e a desativação das bactérias e vírus. A radiação UV 211 comcomprimentos de onda abaixo de 200nm é absorvida pela água e pelo ar esomente pode ser transmitida em um vácuo, e assim, é chamado ultravioletade vácuo. As células UV são disponibilizadas por numerosos fornecedorespara a desativação de microorganismos em sistemas de tratamento de fluidospequenos e grandes A radiação UV 211 é gerada geralmente por lâmpadas devapor de mercúrio de baixa a média pressão 237. Lâmpadas de mercúrio depressão baixa geram radiação UV que tem um comprimento de onda primáriode 253,7nm. Lâmpadas de mercúrio de pressão média emitem uma faixa maislarga de 200 a 600nm e com uma densidade de potência mais alta.

A radiação UV 211 é despachada por um período de tempopara dentro do fluido para eliminar os microorganismos 213. A luz UV éeficaz somente quando o organismo é exposto a ela, e o nível de irradiânciaUV E, na desinfecção por UV determina o nível de desinfecção. Os níveis Edesejados podem ser estimados a partir das curvas de resposta de doses UVpara os vários microorganismos 213, como por exemplo, o esporo Bacillussubtillis ou o vírus MS2-phage. Em um aparelho de feixe colimado, umasuspensão concentrada de microorganismo é semeada a montante do filtroantimicrobiano de UV e, após ser atingido um estado estacionário váriasamostras afluentes e efluentes são coletadas para contagens de placa. Doregistro da desativação conseguida entre amostras afluentes e efluentes, adose UV pode ser obtida lendo-se a dose de UV correspondente à do registro

de desativação a partir da curva de resposta da dose UV

Quando um fluido contendo microorganismos 231 entra na

célula de ultravioleta 242 contendo lâmpadas UV 238, o fluido é exposto aos

níveis de irradiância variável de uma ou diversas lâmpadas dependendo de

sua distância a partir da lâmpada UV 238. A exposição ou tempo de

residência do fluido depende do caminho específico do fluido através do

reator. Cada organismo que passa através desta célula 242 deveria ser exposto

a, pelo menos, alguma radiação UV 211. A irradiância UV despachada ao

microorganismo multiplicada pelo tempo de exposição, em segundos, resulta

na dose de UV oferecida ao organismo. Esta dose é medida então, outra vez,

como μλν-εεο/αη ou mW-sec/cm . Uma vez que um watt-second é um joule,a unidade aceita para a dose UV é mJ/cm2, embora alguns usem a unidadeequivalente mW-s/cm . A medida da dose de UV envolve todos os fatores queafetam a irradiância UV mencionada acima. A fim de maximizar a dosagemda radiação UV 211 aos microorganismos 231, em uma versão, a paredeinterna 239 é refletiva à radiação UV 211. Tipicamente, uma dose de 30.000-40.000μ\ν-8εΰ/αη é exigida para a desinfecção.

Combinando tratamento UV com tratamento eletroquímico, osníveis de desativação do microorganismo providos pelo aparelho 100 podemser significativamente melhores do que se a célula eletroquímica 102 é usadaper si. A célula UV 242 pode ser colocada após a célula eletroquímica 102a, bpara tratar a água que já tenha sido deionizada. Por exemplo, as lâmpadas UV237 tendem a se sujar com incrustações (por exemplo, carbonato de cálcio) emicroorganismos mortos 243. A remoção da matéria particulada pelo filtro desedimento 181 e cálcio e carbonato pelo filtro de carvão ativado 187, e adesativação substancial dos microorganismos 213 nestas células e na célulaeletroquímica 102, antes da água que passar através da célula UV 242,reduzirá a taxa em que a lâmpada UV 237 se suja requerendo, por isto,limpeza ou substituição. Assim, a colocação de uma célula UV 242 após ascélulas 102a, b permitirá ambos, o uso de um dispositivo mais barato, edesempenho mais baixo para a desativação do microorganismo, e se colocadoa jusante das células, aumentará a vida do dispositivo,

Em outra versão, a célula antimicrobiana 177b compreendeuma célula de tratamento por ozônio. O ozônio pode ser usado para desinfetaros fluidos destruindo microorganismos como a Escherichia coli (E. coli),Cryptospondium, Poliovírus, Giardia muris e Giardia lamblia. O ozônio inibeo crescimento, e causa a morte de bactérias gram-negativas e gram-positivastestadas. Ele também remove ferro, sulfeto de hidrogênio e outroscontaminantes da água. O ozônio (O3) tem peso molecular baixo composto detrês átomos de oxigênio, que é um alótropo do oxigênio (O2). O ozônio é umoxidante poderoso e sua reatividade química deriva-se de sua configuraçãoinstável dos elétrons que procura elétrons de outras moléculas. Durante suareação com outras moléculas, o ozônio é destruído e seu hospedeiro éoxidado. O ozônio rompe as membranas celulares das bactérias de modo queos microorganismos não possam ser reativados. Na água, os poluentes deoxidação são oxidados pelo ozônio em temperaturas ambientes sem mudar opH da água. Isto difere de outros oxidantes tais como o cloro, que exigem ouso de cáustico ou cal para ajustar o pH, alterando assim a qualidade total daágua já que subprodutos são deixados nela.

Em uma célula típica de ozônio, o ozônio ou o oxigênioativado é borbulhado através do fluido na célula. O ozônio borbulhandoatravés do fluido ou água na célula para manter uma concentração residual deozônio dissolvido de 0,4 ppm por um tempo de residência do fluido de ummínimo de 4 minutos pode ser usado para prover água para beber desinfetada.

Em uma versão, a célula de ozônio opera usando ozônio gerado por elétronsacelerando entre duas placas eletricamente carregadas em um processochamado de "descarga de coroa." Em outra versão, a luz UV é usada paragerar o ozônio passando a luz UV através do ar ambiente em uma câmara doozônio onde a luz UY desassocia as moléculas do oxigênio, que então serecombinam como moléculas de ozônio. Uma célula de filtro 177a pode serusada conjuntamente com a célula de ozônio para remover os microorganismos destruídos e a matéria para manter a estabilidade e rendermelhor claridade da água.

Os seguintes exemplos demonstram a eficácia da desativaçãodo microorganismo e efeitos antimicrobianos das células eletroquímicas 102do aparelho 100. Entretanto, o escopo da presente invenção não deve serMO limitado aos exemplos aqui apresentados.

EXEMPLO 1

Este exemplo foi conduzido para determinar os níveiscorrentes em que as células eletroquímicas 102 proveram a desinfecção e aspropriedades bacteriostáticas nas quais os microorganismos não reproduziramou cresceram nas células 102 durante a deionização do fluido nas células 102.Acredita-se que os microorganismos foram eliminados ou mesmo mortosporque o ácido e a base produzidos nos dois eletrodos 106, 108, e dentro decada membrana divisora de água 110, criaram um ambiente hostil aosmicroorganismos. As contagem de bactérias na corrente de fluido tratado, 125foram medidas contando-se colônias das bactérias após a incubação emnutrientes. As bactérias heterotróficas são definidas como aquelas que sealimentam de materiais carbonados. A níveis selecionados da densidade decorrente, a contagem de placa das bactérias heterotróficas (HPC) foi medidacomo ciclos de serviço por seis semanas, como mostrado na FIG. 6.. A primeira medida foi em 60 ciclos de tratamento da água, onde cada ciclo é umciclo de deionização de 6 litros seguido por um ciclo de regeneração. Oaparelho 100 foi operado a uma taxa de um ciclo cada duas horas, queresultou em uma HPC de apenas 10 Cfu (unidades de formação de colônias)por mililitro que é um valor baixo desejável. As três medidas subseqüentesforam da mesma ordem de grandeza com as HPC variando deaproximadamente 30 a cerca de 60 Cfu/ml. A medida de Cfu é imprecisa, epor isto, os valores dentro de uma ordem de grandeza, uma para a outra (porexemplo, 1 a 10. ou 10 a 100) são considerados essencialmente o mesmos. Aúltima medida, um valor de 300 Cfu/ml registrado no ciclo 550, ocorreuporque a corrente da célula estava muito baixa (~10mA) devido a uma falhado eletrodo. Isto demonstra a importância da densidade de corrente da célulano desempenho da bacteriostase das células eletroquímicas 102. Sistemas deágua municipal tendo cloro residual terão uma HPC menor do que 500 Cfu/mlo que pode ser satisfeito pelas células eletroquímicas presentes 102.

Assim, em uma versão, o controlador 170 ajusta a densidadeda corrente na célula 102 para impedir a contagem de placa das bactériasheterotróficas da água passando através da célula 102 de aumentar porperíodos de tempo, o que resulta da desativação dos microorganismos sobreas superfícies internas da célula

EXEMPLO 2

A desativação das bactérias E. coli e do vírus MS-2 enquanto ofluido de entrada 124 passa através da célula 102 como quatro taxas de fluxoestá apresentada na FIG. 7. Estes dados foram obtidos no meio de um ciclo dedeionização de 6 litros com o aparelho 100, mostrado na FIG. 12 que temduas células eletroquímicas 102a, b, com cada célula 102 compreendendo umcartucho 130 com 25cm de altura e tem uma área externa da membrana de600cm. O aparelho 100 foi configurado para processar fluido, tal como águaurbana, para deionizar e tratar a água. O fluido tratado foi uma solução com750ppm de NaCl compreendendo E. coli e vírus MS-2, e a corrente da céluladurante a deionização aumentou de 0,1 ampères no início do ciclo dedeionização para cerca de 1,0 ampère ao término. Assim, a densidade dacorrente aplicada através da célula 102 foi de 0,15 a 1,5 mA/cm2.Determinou-se que o grau de desativação do microorganismo aumentasseenquanto a taxa de fluxo diminuísse e o tempo de residência do fluido nacélula 102 aumentasse. Um nível inesperado e surpreendente de desinfecçãode três (99.9%) reduções logarítmicas das bactérias e do vírus foi obtidomesmo na taxa de fluxo mais elevada examinada, de 1,1 litros/min.. Urn nívelextraordinário de desinfecção de seis reduções logarítmicas (99.9999%) deambos, bactérias e vírus foi obtido na taxa de fluxo mais baixa examinada, asaber, 0,060 litros/min. A taxa mais baixa de fluxo é suficiente para o statusdo purificador EPA e é prática para muitas aplicações. Assim, uma densidadede corrente de pelo menos cerca de 0,15 mA/cm2 proveu, pelo menos, umaredução de seis registros dos microorganismos em 0,060 litros/min ou menos,e proveu até mesmo uma redução de três registros a menos de 1 litro/minusando um aparelho como dimensionado aqui.

Uma duplicação da altura da célula 102 de 25 para 50cm,mantendo-se a mesma densidade de corrente que para a coleta dos dados naFIG. 6, permite a duplicação da taxa de fluxo por célula 102. O tempo deresidência do fluido na célula 102 que é um volume de fluido da célula 102dividida pela taxa de fluxo determina o nível de desinfecção obtido nacorrente de fluido. Por exemplo, uma célula 102a como mostrada na FIG. 12,tem um volume vazio de aproximadamente 1 litro, de modo que para umataxa de fluxo de fluido de 0,060 litros/min, o tempo de residência do fluido nacélula 102 é aproximadamente 17 minutos. Como outro exemplo, a uma taxade fluxo de 1,1 litros/min, o tempo de residência é 0,9 minutos. Por isto, édesejável controlar o tempo de residência na célula eletroquímica 102 paraprover o nível desejado de desinfecção. Preferivelmente, o tempo deresidência do fluido é, pelo menos, aproximadamente 0,05 minutos, e maispreferencialmente, pelo menos, aproximadamente, 0,3 minutos.

O controlador 170 pode igualmente ajustar a densidade dacorrente em relação a um nível predeterminado de microorganismos no fluidoque está sendo tratado. Por exemplo, se o nível de microorganismo éi detectado para ter um registro seis pelo método, por exemplo, de contagem decolônias após incubação apropriada com um aparelho 100, então o nível dadensidade de corrente pode ser ajustado para, pelo menos, 0,lmA/cm2 comum tempo de residência de aproximadamente 10 minutos. A densidade dacorrente pode igualmente ser ajustada em relação a um nível detectado demicroorganismos no fluido tratado de modo a ajustar a densidade da correntee/ou o tempo de residência (taxa de fluxo).

EXEMPLO 3

Um aparelho de tratamento de fluido eletroquímico 100 compreendendo um par das células eletroquímicas 102 a, b, válvula(s) 118,uma fonte de alimentação 114, controlador 170 e sistema da tubulação e nãotendo nenhum filtro auxiliar ou células antimicrobiana (tais como 177a, 177b)foi usado para desinfetar água de alimentação tendo uma concentração deentrada de ATCC25922 E. coli de 3-5 χ IO7 Cfu/100 ml. A concentração da água de alimentação foi medida com diluições da amostra de 1:20000 e1:400000 em PBS estéril (Hardy) chapeada sobre placas de ágar mFC deIOOmm (Bio-Media BM 3277). As placas foram incubadas por 24 horas emtemperatura elevada de acordo com o manual Difco. As colônias azuis de E.coli foram contadas usando-se o contador de colônia eletrônico seguro pela mão (Fisher 07-910-15).

As amostras de água da saída para a contagem de E. coli foramcoletadas para cada funcionamento no ponto de um litro e no ponto de cincolitros de uma amostra contínua de seis litros para ambas as células dosaparelhos 100. As amostras (100 ml) foram coletadas em Recipientes de Amostra de Coliformes Corning Brand com Tiosulfato (Fisher 09 73091).Amostras foram analisados pelo método da filtragem de membrana usando osistema da filtragem Millipore Microfil (MIAC 01P01) com funis de 100 mlcom membrana MICE branca 0,45 μΐ (MIHAWG072) e placas de ágar mFC100mm (Bio- Media BM 3277). As placas foram incubadas por 24 horas em"" temperatura elevada de acordo com o manual Difco. Colônias azuis de E. coliforam contadas usando o Contador de Colônia Eletrônico seguro pela mão(Fisher 07910-15).

O nivel aa desinfeçao iomeciuo pciâ ceraia iuz, ιυΐ nieuiuopela redução logarítmica do E. coli como definida pelo REGISTRO 10 darelação da concentração de E.coli na água de alimentação (em Cfu/lOOml)dividida pela concentração de E. coli na água do produto. Por exemplo, se aconcentração inicial de E. Coli era 10' Cfu/100 ml e a contagem final foi 10Cfu/100 ml, a redução logarítmica é 6.0.

Em uma experiência, a água do produto foi coletada doaparelho 100 com duas células 102a, b, cada uma delas tendo uma altura deaproximadamente 15,6cm, um diâmetro interno da membrana deaproximadamente 3 cm, e um diâmetro externo da membrana deaproximadamente 10 cm. As amostras foram coletadas sob uma faixa de ajustes da voltagem de 0 a 300 volts e a um nível da desinfecção de mais deduas reduções logarítmicas de E.coli foi considerada a uma voltagem de 50V,correspondendo a 0,8V/ camada de membrana para uma célula em espiral de60 camadas.

Nesta experiência a água de alimentação continha 150 ppm deíon de cloreto, 150 ppm de bicarbonato de sódio, e 150 ppm de sulfato demagnésio. A condutibilidade medida foi de 850-890μ8/αη e o pH medido foi6.5. Os resultados são mostrados abaixo para a redução média do registro paracada condição.

Voltagem Redução logarítmica em 0.25 taxa de fluxo litro/ min Redução logarítmica em 0.50 taxa de fluxo do litro/min.

<table>table see original document page 58</column></row><table>

EXEMPLO 4

Os dados da experiência no EXEMPLO 3 foram plotados paratodos os pontos individuais obtidos no ponto dei litro, em uma amostra de 6litros de cada célula 102. Conforme mostrado na FIG. 8A, e no ponto de 5litros de uma amostra de 6 litros de cada célula 102 como mostrado na FIG.8B. O nível de desinfecção como medido por da redução do registro aumentacom a corrente medida na célula 102. Uma redução de mais de 2 registros éobtida mesmo com correntes abaixo de 0,1 Amp CC que corresponde a umadensidade de corrente de 02 mA/cm2 no diâmetro externo da célula. A célulanão energizada (0 volts) não provê um nível significativo de desinfecção. Osníveis com menos de 1 redução do registro neste teste estão dentro do erroexperimental deste procedimento.

EXEMPLO 5

Em outra experiência realizada com o aparelho 100, células102, e o método descrito no exemplo 3, o nível da desinfecção foi medidocomo uma função do íon de cloreto presente na água de alimentação. Asconcentrações de E. coli da água de alimentação variaram de 5 χ de 10^6 a 1,3χ 10"7 Cfu/100ml. Os resultados para cada entrada na tabela abaixo são de umamédia de 4-8 amostras individuais nas mesmas condições. Para todos osníveis de cloreto, a condutibilidade total foi ajustada com a adição de 150ppm de sulfato de magnésio e de bicarbonato de sódio. A faixa medida dacondutibilidade para todas as amostras foi de 430-890μS/cm e a faixa do pHfoi de 8,0-8,6. Uma redução de maior de 2 registros foi considerada paratodos os níveis de cloreto testados e igualmente na ausência de íons decloreto.

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EXEMPLO 6

Nesta experiência realizada com o aparelho 100, células 102, eo método descrito no exemplo 3, o nível de cloro livre residual na água doproduto foi medido em função do íon de cloreto presente na água dealimentação. Quatro medidas foram feitas para cada funcionamento e osvalores na tabela são uma média para diversos funcionamentos feitos em umafaixa de taxas de fluxo (.25-1.0 l/min) e condutibilidade (430-1680μ8/αη). Asamostras foram testadas para concentração de cloro livre usando Clorômetro1000 (Palintest PT 245/M2) e Palintest DPD1 e 3 reagentes de teste (AP031),

Todas as amostras tiveram um nível da desinfecção umaredução de maior de 2 registros com um resíduo médio do cloro menor do que0,1 ppm. Nenhum ponto individual na média teve um valor maior do que 0,2ppm. Os baixos níveis de cloro livre são desejáveis para a produção de águade beber com baixos componentes do gosto e odor.

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EXEMPLO 7

Em outra experiência realizada com o aparelho 100, células102 e o método descritos no exemplo 3, o nível da desinfecção foi medido emfunção do pH da água de alimentação. Uma única alimentação foi usada paraesta experiência com 5.2 χ IO7 Cfu/IOOml e 60ppm de íons de cloreto,condutibilidade de 560μ8/αη, e pH 8,6. O pH foi então ajustado a 6,4 pelaadição de ácido sulfurico. Cada valor na tabela é uma média de quatroamostras (nos pontos de 1 e 5 litros de uma amostra de 6 litros de cadacélula).

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EXEMPLO 8

Em outra experiência realizada com o aparelho 100, células102, e método descritos no exemplo 3, a concentração de E. coli foi medidano da corrente de rejeito. Nestes funcionamentos, menos de 10 Cfu/IOOml deΕ. coli foram encontrados na água de rejeito.

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EXEMPLO 9

Esta experiência foi realizada com o aparelho 100 e o métododescrito no exemplo 3, salvo que nenhuma membrana divisora de água estava presente o nível total de cloro na água do produto foi medido em função doíon de cloreto presente na água de alimentação e na taxa de fluxo.

Figura 25 mostra que na ausência da membrana de divisora deágua 110, é gerado cloro significativo que permanece na água do produto.Uma célula eletroquímica sem membrana de troca iônica pode ser usada paragerar cloro livre para alimentar na célula eletroquímica 102 com umamembrana 110 para o desempenho melhorado da desinfecção.

Em outra experiência realizada com o aparelho 100, células102, e método descrito no exemplo 3, o nível da desinfecção foi medido come sem uma célula antimicrobiana adicional adicionada ao sistema.A célula antimicrobiana continha 48 g de grânulos de resina combinados combromo HaloPure®, um composto N-halamina. Seis litros da água do produtoforam extraídos continuamente através do aparelho de cada célula 102seguidas diretamente pela célula de N-halamina a uma taxa de fluxo de 0.5litros/min. Cada valor na tabela é uma média de quatro amostras (nos pontosde 1 e 5 litros de uma amostra de 6 litros de cada célula).

Nesta experiência a água de alimentação continha 600 ppm debicarbonato de sódio e 600 ppm de sulfato de magnésio. Os sais adicionaisadicionados foram ou 25Oppm de NaCl ou 250 ppm de Na2SO4 para atingirum nível total da condutibilidade de 1500 μ8/αη. A condutibilidade medidafoi 1480-1530 μβ/αη e o pH medido foi 7,2-7,3.

EXEMPLO 10

A adição de uma célula adicional de desinfecção ao aparelho100 proveu desinfecção m com ou sem a presença de cloreto na água dealimentação.

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Embora experiências ilustrativas sejam providas para a desativação de microorganismo e paraas propriedades antimicrobianas realizáveis para a célula eletroquímica 102,deve-se compreender que outras configurações da célula podem igualmenteser usadas.

Filtros

Em adição às células antimicrobianas, ou como umaalternativa, o aparelho 100 também pode incluir filtros 177b que são providosa jusante da célula eletroquímica 102 (como mostrado), a montante da célula102, ou mesmo na própria célula 102. O filtro 177b pode ser de tiposdiferentes, incluindo filtros de sedimento, filtros de carvão, filtros demicroporo, filtros bacteriológicos e outros filtros.

Em uma versão, o filtro 177b é um filtro de sedimento 181 queserve para filtrar particulados 197, tais como sólidos suspensos provenientesda corrente de fluido 124, como mostrado na fig. 9. Os particulados 197podem incluir sujeira, areia, e particulados de argila. O fluido passa paradentro do filtro de sedimento 181 e através de uma membrana porosa 198 queforma as paredes do filtro 181. Os particulados tendo um diâmetro maior doque o diâmetro de poro do filtro são capturados dentro da membrana 198. Em

<table>table see original document page 62</column></row><table>geral, os filtros de sedimento são estimados por um número de "mícron" quese refere ao tamanho de partícula que será capturada pelo filtro 181. Eles sãoadicionalmente classificados como "nominais" ou "absolutos". Por exemplo,um filtro de 5 micra nominal pode ser suposto capturar 85% das partículas decinco micra e maiores, enquanto um filtro de 5 micra absoluto pode sersuposto capturar 99% das partículas de 5 micra ou maiores. Em uma versão, ofiltro de tipo cartucho tem uma estrutura de poro que filtrará partículas tendouma dimensão de pelo menos 5 micra. Em uma versão, o filtro de sedimento181 compreende um de tipo de bolsa. O filtro tipo de bolsa passa o fluido paradentro de uma bolsa 199 e para fora através dos poros 201 da bolsa 199,capturando sujeira e matéria particulada 197 do lado de dentro. Uma outraversão usa um filtro tipo cartucho (não mostrado) onde o cartuchocompreende um cilindro oco de material de elemento de filtro poroso que épreso nas extremidades de topo e de fundo. O fluido passa para dentro docentro do elemento de filtro (bolsa ou cartucho) e para fora através dos porosda parede, capturando sujeira e matéria particulada nas paredes e na base docentro oco. O elemento (bolsa ou cartucho) de filtro de sedimento 181 époroso e pode compreender barbante ou corda enrolado, polipropilenopoliéster, celulose cerâmica, fibra de vidro ou algodão. O elemento de filtrofica contido em um alojamento 202 compreendendo um corpo 202b e umatampa 202a. O alojamento 202 pode compreender plástico moldado,polímero, aço inox, bronze ou cobre. O filtro de sedimento 181 também podecompreender um filtro antimicrobiano, isto é, a membrana porosa do filtro desedimento compreende uma fonte de um agente antimicrobiano, comodescrito aqui.

Uma outra versão do filtro 177b compreende um filtro decarvão ativado 187, como mostrado na fig. 10. O filtro de carvão ativado 187compreende carvão ativado na forma de partículas, grânulos, ou de um blocode carvão 221 que filtram as micro-partícuias e micróbios contaminantes dacorrente de fluido. O filtro de carvão é encaixotado no alojamento 219 e aspartículas, grânulos ou bloco de carvão são circundados por um pré-filtro 223e um pós-filtro 225 que pode incluir, mas não está limitado a filtrosantimicrobianos. O filtro de carvão tem uma tampa 226 para ajudar adirecionar o fluxo da corrente de fluido 125. O carvão ativado tem uma áreade superfície elevada que adsorve os contaminantes do fluido que passa porcausa da redução na energia de superfície do carvão ativado que ocorrequando essa adsorção tem lugar. O carvão ativado tem um tamanho de poronominal de, por exemplo, cerca de 1 mícron. O carvão ativado também temuma área de superfície de pelo menos cerca de 1000m2/g. O carvão ativadoatua como uma peneira absorvente para remover cistos, microorganismos,partículas microscópicas, cloro e compostos orgânicos para prover, porexemplo, água tratada tendo um sabor e aparência melhores.

O filtro de carvão ativado 187 pode ser colocado a montantedas células eletroquímicas 102 e do filtro antimicrobiano para assegurar quequalquer cultura potencial no filtro de carvão seja desinfetada adicionalmentea jusante. Um aparelho 100 compreendendo células eletroquímicas 102 e umfiltro 177b tendo um bloco de carvão com um tamanho de poro nominal de 1mícron foi descoberto para remover uma ampla variação de contaminantes.

Em uma outra versão, o filtro de carvão ativado 187 écolocado na tubulação de saída 151 para tratar o fluido deionizado. O filtro decarvão ativado 187 filtra impurezas e contaminantes, tais como moléculasorgânicas grandes, que podem estar dissolvidos ou suspensos na corrente defluido 125. O carvão ativado também pode ficar localizado dentro doalojamento 219 da própria célula eletroquímica 102, por exemplo, como umacamada no fundo da célula 102. Em uma outra versão, o carvão pode serincluído como um cobertor de carvão ativado, ou uma camada de partículasaderidas à superfície interna da membrana enrolada em espiral. Nessa versão,o cobertor de carvão ativado deve ser substituído quando o cartucho demembrana de troca de íon é substituído.

O filtro 177b também inclui um filtro de cerâmicacompreendendo poros finos tendo tamanhos de menos de cerca de 10 micra.Os filtros de cerâmica também podem incluir filtros de sub-mícron quefiltram partículas tendo tamanhos menores do que abaixo de 0,1 mícron.Filtros de cerâmica adequados filtros de micro-poro e nano-material. Osfiltros de nano-material contêm materiais tendo dimensões de nanômetros quesão usados para remover ou desativar microorganismos. Por exemplo, osfiltros de cerâmica podem conter nano-fibras como nano-fibras de alumina;escovas de polímero em nano-escala cobertas com moléculas para capturar eremover metais venenosos, proteínas e germes; e nano-colunas de oxido detitânio. Os filtros também podem incluir filtro de nano-material que, quandosubmetido a luz ultravioleta, destrói muitos contaminantes como pesticidas,solventes industriais e germes, na corrente de fluido que passa. O filtrocerâmico pode ser descarregado com o fluido na direção inversa de fluxo paralimpá-lo. Em alguns casos, pode ser necessária descarga de retorno poderosapara desentupir os poros.

Os filtros 177b também podem ser filtros antimicrobianos quesão capazes de matar, desativar ou remover bactérias ou outrosmicroorganismos da corrente de fluido. Combinando-se um filtroantimicrobiano (também conhecido como um filtro bacteriológico) antes oudepois da célula eletroquímica 102 no aparelho 100, as exigências tanto dofiltro 177b quanto da célula antimicrobiana 177a podem ser relaxadasenquanto ainda capacitando o aparelho 100 a ir de encontro a um objetivo dedesinfecção. Por exemplo, um filtro bacteriológico que provê desinfecção deregistro triplo capacitaria a célula 102a, b a prover somente desinfecção deregistro triplo, para uma redução de microorganismos total de seis registros.Os filtros bacteriológicos adequados incluem filtros mecânicos como bloco decarvão com um tamanho de poro adequadamente pequeno (< 1 mícron), bemcomo ultrafiltragem, nano-filtragem ou membranas de osmose inversa, todosos quais excluem fisicamente microorganismos de vários tamanhos da águade produto. Outros filtros úteis compreendem aditivos que desativam oumatam os microorganismos, por exemplo, prata misturada de alguma formamisturada com meio de carvão ou outro meio que filtre por percolação e matemicroorganismos próximos da superfície de meio quando a água passa atravésdo filtro, como descrito na seção sobre filtros de íon de metal.

Em uma outra versão, o filtro 177b é uma célula de filtragempor osmose inversa 249. Na célula de osmose inversa 249, o fluido ou água é forçado por meio de uma bomba elétrica 251 ou pressão de água urbana,através de uma membrana semipermeável sintética 253. A membranasemipermeável sintética 253 compreende um composto químico que é estávelno fluido. A água é bombeada através da membrana 253 a altas pressõesfazendo os contaminantes 254 serem removidos na interface de membrana.Por exemplo, os filtros de osmose inversa compreendendo membranas deFilmtec podem ser usados para remover o sal na dessalinização da água domar, remover minerais que ocorrem naturalmente da água de poço, e tambémpodem ter um efeito suavizante por meio da remoção de íons duros. A célulade osmose inversa 249 também pode ser usada em combinação com umacélula de carvão ativado, a última provida para remover cloro para impedir adegradação da membrana de osmose inversa, e químicos orgânicos voláteisantes da água passar através da membrana de osmose inversa. Na aplicação dedessalinização, a remoção de 98% dos sólidos dissolvidos totais (TDS; ouíons) da água contendo 35.000 ppm TDS, deixa 700 ppm na água. Isso ainda é uma alta concentração para água potável (problemas de sabor e odor), e ébenéfico reduzir adicionalmente essa concentração com, por exemplo, oaparelho eletroquímico 100 da presente invenção.

Em ainda uma outra versão, o filtro 177b é um filtro deestágios múltiplos ou de combinação que combina as vantagens de diversastécnicas. O filtro de estágios múltiplos inclui várias combinações de célulasde sedimento, carvão ativado e outras para prover água potável com gostomelhor, conteúdo sólido menor, cor mais clara e níveis de micróbio maisbaixos. O aparelho 100 com desativação eletroquímica e filtros de estágiosmúltiplos removeu uma ampla faixa de contaminantes incluindo cloro,partículas suspensas, compostos orgânicos, bactérias, vírus, cistos e espéciesiônicas, para prover mais de 90% de remoção de uma ampla faixa decontaminantes biológicos e químicos.

Em uma outra versão, o filtro 177b inclui uma célula deconversão de água dura que converte água dura em água suave. A água durainterfere com a ação de limpeza de sabões e detergentes. Um suavizante deágua emprega resina de troca de cátion de ácido forte na forma de sódio. Àmedida que a água compreendendo cátions divalentes como cálcio, magnésioe manganês passa através dessa resina de troca de íon, os íons divalentestrocam para sódio monovalente. A água contendo íons monovalentes édenominada "suave". Quando o volume dos íons de sódio sobre a resina detroca de íon é substituído por íons divalentes, a resina deve ser regeneradacom salmoura (cloreto de sódio ou potássio concentrado) para substituir osíons divalentes com sódio ou potássio, seguido por um enxágüe cuidadoso,para preparar o suavizante de água para um outro ciclo de água de serviçopara produzir água suave. Não há redução nos TDS da água de produtosuavizada, nem são trocados anions (espécies carregadas negativamente comonitrato, arsênico ou perclorato). O uso do aparelho eletroquímico da presenteinvenção em seguida a um suavizante de água reduziria os TDS paraaperfeiçoar o sabor, e removeria contaminantes aniônicos que podem sernocivos.

O presente sistema de desinfetar fluidos como água tambémpode ser usado como parte de outros sistemas de tratamento de fluido. Porexemplo, o aparelho de desinfecção eletroquímico pode ser usado nossistemas de tratamento de água municipais que compreendem sedimentação,suavização e outros tratamentos. Os sistemas municipais incluem tratamentode água potável e tratamento de resíduos para reutilização ou descarga deágua. O uso do aparelho 100 da presente invenção em conjunto com os sistemas de tratamento de água municipais capacitaria, por exemplo, aredução das concentrações de cloro ou de outro desinfetante químico,enquanto reduzindo, ao mesmo tempo, as concentrações de TDS ou, contaminantes específicos. Químicos aditivos são necessários para proverdesinfecção residual (um efeito persistente à medida que a água potável corre por seu caminho através do sistema de distribuição para os usuários finais). Ouso da presente invenção capacita o uso de menos química para prover esseefeito residual. Piscinas e estações de águas também exigem concentraçãoresidual de química na água para desinfecção sofrida, assim o mesmobeneficio é obtido quando usando a presente invenção em piscinas/estações de águas que também empreguem outros sistemas de desinfecção, por exemplo,sistemas de alimentação químicos ou eletroquímicos (manuais ouautomatizados). Em uma piscina ou estação de águas, a célula eletroquímica102 da presente invenção pode reduzir simultaneamente os TDS ou removerum contaminante especifico, enquanto reduzindo a demanda por aditivoquímico para prover um dado efeito de desinfecção, diminuindo, desse modo,o consumo químico ou a freqüência de manutenção.

Em ainda uma outra aplicação, a indústria de semicondutoresexige água ultrapura para a fabricação de produtos de semicondutor. Nasaplicações de semicondutor, a água precisa ser desinfetada porque osmicroorganismos comprometem a qualidade de produto de micro-circuito oucomponente. Isso é tipicamente realizado por meio de dispositivos de luzultravioleta como a última etapa em um processo de múltiplas etapas. O usoda presente invenção pode, simultaneamente, deionizar a água enquantodesinfetando como uma etapa final na fabricação de água de processo. Umaaplicação adicional é como um pré-tratamento para eletro-diálise, eletro-deionização ou dispositivos de troca de íon de leito misturado para o uso nadeionização de água, por exemplo, produção de água de laboratório, paraprover esses dispositivos com água de alimentação tendo TDS5 dureza econcentrações de microorganismos reduzidos. Isso estenderá a vida dessesoutros sistemas de deionização, reduzindo custos.

Aparelho de células múltiplas

Um exemplo de modo de realização de um aparelho detratamento de fluido 100 compreendendo múltiplas células eletroquímicas102a, b, é mostrado na fig. 12. Cada célula 102a, b tem uma pilha demembranas 110a, b que é exposta a uma corrente de fluido 124 e circundadapelos primeiro e segundo eletrodos 106a, 108a e 106b, 108b, respectivamente.As células 102a, b também compreendem, cada uma, um orifício 146a, b parareceber um fluido, um orifício 148a, b para liberar o fluido, e uma passagem de fluido 144a, b conectando os orifícios aos orifícios e através da qual acorrente de fluido 124 é passada. A corrente de fluido 124 se origina a partirde uma fonte de fluido 120 que pode ser, por exemplo, um suprimento deágua urbana, água a partir de um poço, ou uma fonte de água servidacontendo produtos químicos indesejáveis. Por exemplo, a fonte de fluido 120pode prover uma corrente de fluido 124 compreendendo água urbana quedeve ser purificada por meio de células de tratamento 102a, b com a águapurificada resultante provida através do orifício 148 a um dispositivodispensador, tal como o dispositivo dispensador 128. A fonte de fluido 120geralmente provê fluido pressurizado, tal como o proveniente do suprimentode água urbano, uma bomba, como uma bomba peristáltica, ou um suprimentode água urbano em combinação com um dispositivo de controle de fluxo (nãomostrado).

As células 102a, b operam em um de dois modos que podemincluir um modo de tratamento de fluido (ou deionização de água) e um modode regeneração de célula. Durante o tratamento de fluido ou ionização deágua, a queda elétrica potencial ocorrendo nas membranas 110a, b a partir dacorrente aplicada aos dois pares de eletrodos 106a, 108a e 106b, 108b,respectivamente, faz a água ser irreversivelmente dissociada ou "dividida"nos íons de componente H+ e OH- na interface 156a, b entre as camadas detroca de cátion anion 150a, b e 152a, b de cada membrana 110a, b.

Durante a regeneração elétrica, é aplicado o campo elétricooposto, fazendo os íons de H+ e OH" serem formados na interface demembrana 156a, b e rejeitando, desse modo, cátions e anions que foramremovidos em um ciclo de deionização anterior, desse modo, reformando asformas de ácido e base dos materiais de troca de cátion e anion. Otimamente,enquanto a célula eletroquímica 102a está sendo usada para tratar a fonte defluido urbana 120 que flui através da célula 102a, a célula eletroquímica 102bestá sendo regenerada. Desse modo, a célula 102a pode estar operando nomodo de tratamento de água, enquanto a célula 102b está operandosimultaneamente no modo de regeneração. Em uma versão, em um ciclo deregeneração, o controlador 170 abre uma válvula para fluir fluido deionizadopara dentro do orifício para fluido de entrada da célula 146 enquantocontrolando o suprimento de energia 114 para suprir uma corrente tendo umaprimeira polaridade positiva ao segundo eletrodo 106 para regenerar amembrana de troca de íon para formar fluido regenerado que é liberado apartir do orifício para fluido deionizado. O fluido deionizado pode ter umacondutividade de menos de 50% que a do fluido tratado durante o ciclo dedeionização. O fluido deionizado regenera a célula eletroquímica melhor doque o fluido de entrada contendo íon, e pode ser formado na célula adjacentede um aparelho de duas células.

Na operação, o controlador 170 opera as válvulas enviandosinais para cada uma das válvulas para controlar o movimento de seuselementos móveis 122 a partir de uma primeira para uma segunda posição, ououtras posições. O sistema de válvula 118 direciona a passagem de umacorrente de fluido 124 para qualquer uma das células 102a, b; a partir dascélulas 102a, b para um dreno 190; ou a partir de uma célula 102a para a outracélula 102b ou vice versa. O sistema de válvula 118 também pode ser usadopara passar o fluido para outro aparelho de tratamento de fluido como ficarávisível para alguém experiente na técnica.

O controlador 170 opera a válvula 117 enviando sinais para omotor 188 da válvula 117 para controlar o movimento do elemento móvel 122a partir de uma primeira para uma segunda posição, ou para outras posições.A válvula 117 direciona a passagem de uma corrente de fluido 124 tanto paraa célula 102a quanto para a célula 102b. A válvula 117 compreende umelemento móvel 122 que pode ser movido a partir de uma primeira posiçãopara uma segunda posição, ou outras posições, para regular o fluxo do fluidoatravés das portas de válvula 180a-d. A válvula 117 pode ter um motor 188para controlar o movimento do elemento móvel 122. A válvula 117 pode serusada para direcionar uma corrente de fluido 124 para qualquer uma dascélulas 102a, b; a partir das células 102a, b para um dreno 190; ou a partir deuma célula de tratamento 102a para a outra célula 102b ou vice versa. Aválvula 118 também pode ser usada para passar o fluido para outro aparelhode tratamento de fluido, como ficará visível para alguém experiente na técnica.

Um exemplo de modo de realização de uma válvula unitária117 que pode ser usada para regular o fluxo de uma corrente de fluido 124através do aparelho de tratamento de fluido 100 é ilustrado na fig. 13. Emboraum exemplo de modo de realização de uma válvula 117 tendo uma forma earranjo particulares seja mostrado, a válvula 117 também pode ter outrasformas e estruturas, como ficará visível para aqueles experientes na técnica, eessas válvulas ou outras estruturas equivalentes que podem controlar o fluxodos fluidos, estão incluídas no escopo da presente invenção. Geralmente, aválvula 117 compreende um alojamento delimitado 210 que pode manter ofluido e compreende uma base 230 acoplada a uma cobertura 240 e étipicamente fabricado por injeção moldando um polímero, como oNORYL™, ou feito de aço inox, alumínio ou cobre. O alojamento 210 tem um conjunto de portas 180a-d através das quais o fluido pode entrar e deixar aválvula 117. Cada uma das portas 180 tem pelo menos uma ranhura cercandoporta 182 que é capaz de receber uma vedação de aro 183 para circundar aporta 184. As vedações de aro 183 podem ser um anel o elastomérico ou deTeflon® dimensionado para encaixar dentro das ranhuras correspondentes182 para formar uma vedação impermeável a fluido. As portas 180 tambémpodem ter uma pluralidade de ranhuras concêntricas 182 para permitir acolocação de múltiplas vedações de aro 183 ao redor de cada porta 180. Umaranhura periférica 186 se estende ao redor da periferia da base 230 parareceber uma gaxeta de vedação 189. um lábio circunferencial se estendendo externamente tem furos que permitem a anexação da base 230 a umacobertura 240. A cobertura 240 é encaixada sobre a base 230 e tem pelomenos uma porta 180 para receber o fluido a partir da fonte de fluido 120. Acobertura 240 forma uma câmara 245 que armazena o fluido recebido a partirda fonte 120 via porta de orifício 215. A cobertura 240 também pode incluir uma abertura de eixo 235 através da qual um elemento móvel 122 se estende.Quando a fonte 120 provê fluido que está sob pressão, tal como a partir de umsuprimento de água urbano, a água na câmara 245 também está sob a mesmapressão externa.

Um elemento móvel 122 é mantido sob uma força compressiva e é capaz de se mover entre diferentes posições, incluindo uma primeiraposição e uma segunda posição, para controlar o fluxo de fluido através daválvula 117 e para dentro das portas 180. O elemento móvel 122 fica noalojamento 210 e se estende para fora a partir da cobertura 240 a ser acopladaa um motor 188. Em um modo de realização, o motor 188 pode girar oelemento móvel 122; entretanto, o motor 188 também pode deslizar oelemento móvel longitudinalmente, verticalmente, transversalmente ou emoutra direção dependendo da forma e configuração da válvula 117. No modode realização mostrado, o elemento móvel 122 tem um rotor 252, umasuperfície móvel 268, e um canal interno 274. Uma vedação flutuante 284 éprovida entre o elemento móvel 122 (como o rotor 252) e a base 230 parareduzir o vazamento de fluido a partir da câmara 245 para as portas 180 àmedida que o elemento móvel 122 se move. Uma mola 290 encaixa ao redordo eixo 255 para manter uma força compressiva inicial sobre a superfíciemóvel 268, que, por sua vez, pressiona contra a vedação flutuante 284. Umavedação flutuante adequada 284 pode ser feita a partir de poli-tetra-flúor-etileno, por exemplo, Teflon®, disponível a partir da Dupont de NemoursCompany, Wilmington, Delaware.

Um motor 188 é conectado ao elemento móvel 122 via umamontagem de engrenagem (não mostrada). O motor 188 pode ser um motorde CC convencional que é engrenado a velocidade diminuída e controladopara prover movimentos de ciclo rápidos do elemento móvel 122. Um motorde CC adequado pode ser um atuador giratório, que gira um elemento móvelcompreendendo o rotor 252, ou um atuador linear, que desliza o elementomóvel 122. Uma montagem de engrenagem que compreende um conjunto deengrenagens que provê uma razão de engrenagem adequada também pode serusada.

Ao invés de uma válvula unitária 118, um sistema de válvulacompreendendo uma pluralidade de válvulas solenóides 119 também pode serusado para direcionar o fluxo de fluido através das células 102a, b. Emboraum exemplo de modo de realização de uma válvula solenóide 119 sejamostrado na flg. 14, a válvula 119 também pode ter outras formas eestruturas, como ficará visível para aqueles experientes na técnica.Geralmente, a válvula 119 compreende um alojamento delimitado 210 quepode manter o fluido e que tem um conjunto de portas 180a, b através do qualo fluido pode entrar na, e deixar a válvula 119. O alojamento 210 étipicamente fabricado por injeção moldando um polímero, ou feito a partir deaço inox, alumínio ou cobre. Cada válvula 119 compreende um êmbolo 123que pode ser movido a partir de uma primeira posição para uma segundaposição, ou outras posições, para regular o fluxo de fluido através das portasde válvula 180a, b. Uma solenóide 127 é usada para controlar o movimentodo êmbolo 123 aplicando-se uma corrente elétrica a uma espiral 233 dentro dasolenóide 127 que circunda o êmbolo 123. O alojamento 210 tem portas paraa anexação dos conectores elétricos para se conectar à espiral 233 dasolenóide 127. O êmbolo 123 tem um magneto embutido 247 e umasuperfície de vedação de fundo 249. O magneto embutido 247 é orientado demodo que uma linha puxada entre seus pólos norte e sul se estendeaproximadamente perpendicular a um plano de um enrolamento de espiral. Asolenóide 127 é ativada passando-se uma corrente contínua através da espiral233 via conectores 234. A corrente através da espiral 233 gera um campomagnético dentro da espiral 233 que interage com o magneto 247 embutidono êmbolo 123 para levantar ou abaixar o êmbolo 123, dependendo da direçãoda corrente. Quando a solenóide 127 está na posição aberta, o êmbolo 123 élevantado e uma passagem de fluido permite ao fluido passar a partir daprimeira porta 180a para a segunda porta 180b. Quando a solenóide 127 estána posição fechada, a superfície de vedação de êmbolo 249 é pressionada parabaixo sobre o orifício para formar uma vedação, impedindo a passagem dofluido entre as portas de válvula 180a, b e parando o fluxo de fluido através daválvula 119.

Exemplos do aparelho de célula dupla

A fig. 15 ilustra uma versão de um aparelho de tratamento defluido 100 tendo duas células de tratamento eletroquímico 102a, b que sãoenergizadas por suprimentos de energia duplos 114a, b e têm um sistema deválvula 118, e que é controlado por um controlador 170. Cada um dossuprimentos de energia duplos compreende, independentemente, oscomponentes necessários, por exemplo, os componentes mostrados no modode realização ilustrado nas figs. 4A e 4B. Entretanto3 em uma outra versão, ossuprimentos de energia de eletrodo duplo podem ter determinadoscomponentes em comum, por exemplo, os suprimentos de energia duplospodem ter um detector de cruzamento zero unitário, quando o sinal decruzamento zero gerado pelo detector de cruzamento zero é dependentesomente da voltagem AC, e, desse modo, pode ser comumente usado por umapluralidade de suprimentos de energia.

Embora um suprimento de energia unitário 114 também possaser usado, o suprimento de energia duplo 114a, b permite a um suprimento deenergia 114a operar a primeira célula 102a tanto para a deionização quantopara a regeneração, e o outro suprimento de energia 114b operar a outra célula102b também para ambas as funções. Desse modo, ambas as células 102a, bpodem ser operadas independentemente ou simultaneamente. Os suprimentosde energia 114a, b têm, cada um, dois terminais de saída 157a, b e 153a, b.Nessa versão, cada suprimento de energia 114a, b é conectado a uma célulaunitária 102a, b, respectivamente, por exemplo, o suprimento de energia 114aé conectado à célula 102a e o suprimento de energia 114b é conectado àcélula 102b. O nível da saída de voltagem entre os terminais 157a, b e 153a, bé controlado pelo controlador 170. Cada suprimento de energia 114a, b écapaz de prover uma voltagem de predisposição para cada uma das células102a, b, respectivamente, para operar a célula conectada para o tratamento ouregeneração de fluido. Na versão mostrada, cada suprimento de energia 114a,b é capaz de emitir uma voltagem entre cerca de -300 volts e +300 volts. Porexemplo, os suprimentos de energia 114a, b podem emitir uma voltagempositiva de até cerca de 300 volts e uma voltagem negativa menor do quecerca de -300 volts, entre os terminais de saída 157a, b e 153a, b.Em ainda uma outra versão, o suprimento de energia duplo114a, b é ajustado de modo que a polaridade de cada um dos suprimentos deenergia 114a, b seja uma polaridade fixa, de modo que um suprimento deenergia sempre proveja uma voltagem com uma polaridade positiva, e o outro uma polaridade negativa. Desse modo, o primeiro suprimento de energia 114acompreende um primeiro terminal de saída 157a tendo uma polaridadesempre positiva, e o segundo suprimento de energia 114b compreende umprimeiro terminal de saída 153a tendo uma polaridade sempre negativa. Essaversão permite a um primeiro suprimento de energia 114a ser usado unicamente para a deionização do fluido em ambas as células 102a, b, e umsegundo suprimento de energia 114b somente para a regeneração de ambas ascélulas 102a, b.

Em uma versão adicional, cada suprimento de energia 114a, bé conectado independentemente a ambas as células 102a e 102b, e pode ser usado para acionar tanto qualquer das células 102a, b no modo de deionizaçãoou de regeneração. Essa versão provê capacidades duplicadas como quandoum dos suprimentos de energia 114a, b falha, o outro suprimento de energiapode ser usado para operar ambas as células 102a, b. Nessa versão, ocontrolador 170 compreende o código de programa para detectar a operação (ou falha) de cada um dos suprimentos de energia 114a, b e para substituir umsuprimento de energia pelo outro se necessário.

Na operação, o controlador 170 controla os suprimentos deenergia 102a, b para ligá-los e desligá-los, e controla a voltagem desuprimento provida entre os terminais de saída 157a, b e 153a, b. Em adição, o controlador 170 controla um sistema de válvula 118 para regular o fluxo defluido através das células 102a, b, enquanto controlando a conexão e avoltagem suprida aos terminais 152a, b e 153a, b de cada um dos suprimentosde energia 114a, b. Desse modo, o controlador 170 é capaz de operar ascélulas 102a, b para o tratamento de fluido, e também para operar uma célula102 na direção de tratamento de fluido enquanto a outra célula 102 está sendoregenerada.

O aparelho 100 compreende adicionalmente um sistema detubulação de fluido que tem uma primeira bifurcação 163 que se divi de Ciiidois tubos para permitir à corrente de fluido que chega 124 fluir ao longo deum lado da bifurcação em direção a uma primeira célula 102a, e de um outrolado da bifurcação em direção à célula 102b. Em uma versão, o sistema deválvula 118 compreende quatro válvulas solenóides 119a-d que são providasno sistema de tubulação para controlar o fluxo do fluido através dos váriostubos. O primeiro par de válvulas solenóides 119a, b é posicionado no tuboentre a primeira bifurcação 163 e cada uma das células de tratamento 102a, bpara controlar o fluxo de fluido que chega a cada uma das células detratamento 102a, b. Entre a primeira válvula 119a, b e a célula 102a, b,respectivamente, fica a segunda bifurcação 165a, b. Na segunda bifurcação165a, o fluido que flui através do aparelho 100 pode fluir para a célula detratamento 102a ou para o dreno 190. Entre a segunda bifurcação 165a, b e odreno 190 fica uma segunda solenóide 119c, d, que controla o fluxo de fluidopara o dreno 190. O sistema de válvula é controlado por um controlador 140que opera as válvulas em conjunto com os suprimentos de energia 114a, bpara tratar o fluido e regenerar as células 102a, b.

Durante a operação da célula 102a para o tratamento de fluido,a válvula 119b é fechada e a válvula 119a é aberta. O fluido flui a partir dasaída do filtro de sedimento 181, através da válvula 119a e para dentro dacélula 102a através do primeiro orifício 146a. Uma voltagem transferida éaplicada aos eletrodos 106a, 108a, da célula 102a e o fluido que passa atravésda célula 102a é tratado. O fluido sai da célula 102a através do segundoorifício 148a e flui através do filtro de carvão ativado 187, que trataadicionalmente o fluido. O fluido duplamente tratado flui através do sensor defluxo de fluido 204. A válvula 119e é aberta e o fluido tratado passa para forada válvula 119e e para o consumidor.

As células 102a, b, as válvulas solenóides 119a-e e as saídas148a, b arranjadas na configuração mostrada permitem que as células 102a, bsejam usadas para regenerar umas às outras, por exemplo, como segue:

Durante a operação da célula 102a no modo de tratamento e a operação dacélula 102b no modo de regeneração, a válvula 119b é fechada e a válvula119a é aberta. A válvula 119c é fechada e a válvula 119d é aberta. O fluidoflui a partir da saída do filtro de sedimento 181, através da válvula 119a eatravés do primeiro orifício 146 da célula 102a. É aplicada voltagem entre oseletrodos 106, 108 da célula 102a e o fluido que passa através da célula 102aé tratado. O fluido sai da célula 102a através do segundo orifício 148a. Aválvula 119e é fechada, bloqueando, desse modo, o fluxo do fluido tratadopara a saída. Ao invés disso, o fluido flui para dentro da célula 102b atravésdo segundo orifício 148b. Uma voltagem inversa é aplicada aos eletrodos 106,108 da célula 102b. O fluido flui a partir do segundo orifício 148b da célula102b para o primeiro orifício 146b da célula 102b e captura íons. O fluido re-ionizado sai do primeiro orifício 146b da célula 102b, flui através da válvula119c e para o dreno 190, onde ele sai do aparelho de tratamento de fluido 100.

O fluido passado através da célula 102b, desse modo, enxágua a célula 102bde impurezas e, pode-se dizer, para recarregar a célula 102b para futuro usode tratamento de fluido.

Uma outra versão do sistema de válvula 118 também pode tercinco válvulas solenóides 119, como mostrado, que são usadas para controlaro fluxo do fluido através das células 102a, b para um dreno 190, e para umasaída de fluido que emite fluido tratado para um usuário. As válvulassolenóides 119a e 119b controlam o fluxo de fluido que chega para a célula102b e para a célula 102b, respectivamente. As válvulas solenóides 119c e119d controlam o fluxo de fluido para o dreno a partir da célula 102a e dacélula 102b, respectivamente. A quinta válvula solenóide adicional 119econtrola o fluxo de fluido para a saída. A saída 148a da célula de tratamento102a e a saída 148b da célula de tratamento 102b são conectadas a um tubo desaída comum 151.

Um sensor de fluxo de fluido 204 também pode serposicionado ao longo da corrente de fluido 125. Um sensor adequado é umsensor de Efeito de Hall que emite uma voltagem que oscila com a freqüênciaque corresponde à freqüência rotacional da turbina. O controlador 170 usa osinal de taxa de fluxo a partir do sensor de fluxo de fluido 204 paradeterminar a taxa de fluxo do fluido que passa através dos tubos e das células102a, b, e essa informação de taxa de fluxo pode ser usada para umaquantidade de fins diferentes. Por exemplo, o controlador 170 pode usar onível do sinal de taxa de fluxo para controlar os suprimentos de energia 114a,b para ajustar a energia elétrica aplicada aos eletrodos 106, 108 das células102a, b. Desse modo, a voltagem aplicada aos eletrodos pode ser ajustadapara se conseguir níveis mais altos de desativação de microorganismo, oupara ajustar a potência de voltagem aplicada aos eletrodos em relação à taxade fluido de fluxo através das células 102a, b.

Um sensor de pressão 159 também pode ser provido paraemitir um sinal de pressão para o controlador 170 que seja proporcional àpressão do fluido no aparelho 100. Quando o dispositivo dispensador 128 éaberto e a pressão no tubo de saída 151 diminui, o controlador 170 pode ligara operação do aparelho de tratamento de fluido 100 para prover uma correntede fluido tratado 125. Quando o dispositivo dispensador 128 é fechado, apressão se acumula no tubo de saída 151 e o controlador 170 pode desligar aoperação das células eletroquímicas 102a, b. Um sensor de pressão adequado159 compreende um sensor convencional como um sensor de diafragma depressão que tem um diafragma flexível que colapsa sob a aplicação da pressãode fluido ao diafragma. O diafragma que colapsa opera uma resistênciavariável ou micro comutação que é ativada pelo deslocamento do diafragma.O aparelho 100 também pode incluir um filtro de sedimento181 que serve para filtrar particulados a partir da corrente de fluido 124, comodescrito acima. Nessa versão, o filtro de sedimento 181 fica localizado naextremidade frontal do aparelho 100, de modo que a corrente de fluido Guc chega 124 seja processada através do filtro de sedimento 181 antes que elapasse através de uma célula eletroquímica 102. Além disso, localizar os filtrosde sedimento na frente da célula 102 provê um sistema mais bacteriostáticoporque a célula eletroquímica 102 desativa as bactérias que crescem namaioria dos filtros. O aparelho 100 pode, adicionalmente, incluir um filtro decarvão ativado 187 que se monta no tubo de saída comum 151 e o fluidotratado passa através do filtro de carvão ativado 187 no caminho para a saída162. Na versão mostrada, o sensor de fluxo de fluido 204 descrito acima éposicionado entre o filtro de carvão ativado 187 e a porta de saída 162 doaparelho 100. O aparelho 100 também pode incluir um filtro antimicrobiano de ultravioleta 161 na corrente de fluido 125 entre o sensor de pressão defluxo 159 e o dispositivo dispensador 128. Na versão mostrada, o filtroantimicrobiano de UV 161 fica posicionado na corrente de fluido 125 entre osensor de pressão de fluxo 159 e o dispositivo dispensador 128, e o sensor depressão 159 fica posicionado entre o filtro antimicrobiano de UV 161 e o sensor de fluxo 204.

Uma outra versão de um exemplo de aparelho de célulasmúltiplas é mostrado na fig. 16. O aparelho 100 compreende duas células detratamento eletroquímico 102a, b e um suprimento de energia unitário 114, e ésemelhante ao da versão da fig. 15, pelo fato de que ele também compreende um filtro de sedimento 181, o sistema de válvulas 118 compreendendoválvulas solenóides 119a-d, dreno 190, filtro de carvão ativado 187, sensor defluxo de fluido 204, filtro antimicrobiano de ultravioleta 161 e dispositivodispensador de saída 128.

Entretanto, o aparelho 100 da fig. 16 também pode ter umtanque de manutenção de fluido 126 com sensor de pressão 159, e umcomponente de dosagem 194 com válvula de dosagem 119e.

O suprimento de energia 114 é conectado e provê energia aambas as células de tratamento 102a, b e pode acionar cada célula 102separadamente ou ambas juntas. O controlador 170 controla a magnitude dasaída de voltagem por meio do suprimento de energia, e pode emitir umavoltagem de CC entre 30 e 330 volts, ou de CC entre 30 e 300 volts com umaondulação de AC compreendendo entre IOe 50% da magnitude da voltagemde saída. O controlador 170 também controla o seletor de polaridade dosuprimento de energia 114 e, desse modo, a polaridade da voltagem supridanos terminais de saída para a célula 102a e para a célula 102b. Desse modo, osuprimento de energia 114 é capaz de operar as células 102a, b na direção detratamento de fluido e também na direção inversa para a regeneração. Osuprimento de energia 114 pode operar as células 102a, b separadamente oujuntas, ou seja, o suprimento de energia 114 pode operar a célula 102a nadireção de tratamento de fluido, enquanto a célula 102b está desligada; ou osuprimento de energia 114 pode operar ambas, a célula 102a e a célula 102b,na direção de tratamento de fluido. O suprimento de energia 114 tambémpode operar a célula 102a na direção de tratamento, enquanto a célula 102 b éoperada na direção de regeneração. O controlador 170 controla o suprimentode energia 114 e o sistema de válvula 118 para regular o suprimento devoltagem e de fluxo de fluido através das células 102a, b.

O aparelho 100 também compreende um componente dedosagem 194 com uma válvula de dosagem 119e. O componente de dosagemsupre periodicamente ou continuamente uma dose de um agenteantimicrobiano ao fluido. Na operação, o fluido de entrada é passado atravésde um tubo para o filtro de sedimento 181, e depois da remoção dossedimentos, os fluxos de fluido passam por uma válvula de dosagem 119e,que pode ser uma válvula solenóide. a válvula de dosagem 119e conecta acorrente de fluido 124 a um componente de dosagem 194. O componente dedosagem pode compreender uma célula antimicrobiana 177a que contémpartículas antimicrobianas contendo um agente antimicrobiano que élentamente liberado para dentro do fluido à medida que o fluido passa atravésda célula 177a do componente de dosagem 194. Por exemplo, o componentede dosagem 194 pode liberar uma fonte de íons de cloro para dentro do fluido,tal como cloreto de sódio ou cloro.

O tanque de manutenção de fluido 126 se monta na linha defluido tratado a jusante do sensor de fluxo de fluido 204 para receber o fluidotratado ou de saída a partir das células eletroquímicas 102a, b. Um sensor depressão 159 pode ser montado em um tanque de manutenção de fluido que éusado para receber o fluido de saída a partir do aparelho 100, e paraarmazenar um volume de fluido de saída tratado, antes da liberação do fluidotratado para o dispositivo dispensador 128. Em uma versão, o sensor depressão 159 fica localizado próximo ao fundo do tanque 126 para medir apressão do fluido dentro do tanque 126 e, desse modo, a profundidade dofluido no tanque 126. O sensor de pressão 159 emite um sinal de pressão parao controlador 170, que controla o sistema de válvula 118 e regula o fluxo dofluido através do aparelho de tratamento 100. Por exemplo, o controlador 170pode parar o fluxo para o tanque de fluido tratado 126 quando o tanque 126estiver quase cheio, quando o sinal de pressão indicar o nível de tanque cheio.Isso impede o desperdício de fluido a partir do transbordamento. Ocontrolador 170 também pode operar o aparelho 100 para iniciar o fluxo defluido para o tanque de fluido tratado 126 quando o sinal de pressão indicarque o nível do fluido no tanque 126 está baixo, mantendo, desse modo, otanque de fluido tratado 126 próximo à capacidade total. O controlador 170também pode desligar a operação das células eletroquímicas 102a, b quandodo recebimento de um sinal de pressão que indique uma pressãosuficientemente alta no tanque de manutenção de fluido 126 para economizarenergia elétrica.

Operação de deionização e regeneração de células múltiplas

Revertendo a direção de fluxo de deionização

Com referência à fig. 1. uma versão de um processo dedeionização é conduzida em uma célula eletroquímica 102 que compreendeum alojamento 104 com um primeiro orifício 146 confinando com umaparede externa cilíndrica 132 que permite ao fluido entrar na célula 102 apartir de um furo na, ou próximo à parede 132, um segundo orifício 148confinando com uma parede interna tubular 134 que permite ao fluido sair apartir do fundo da célula 102, um primeiro eletrodo 106 adjacente à paredeexterna cilíndrica 132, um segundo eletrodo 148 acerca da parede internatubular 134 (a parede 134 pode, ela mesma, ser o eletrodo 148 ou pode serposicionada próxima ao eletrodo 148), e uma membrana de troca de íonenrolada em espiral 110 entre os eletrodos 106, 108. O controlador 170controla o suprimento de energia 114 e a válvula 117 para, em um ciclo dedeionização, fluir o fluido para dentro do segundo orifício 148 da célula 102,de modo que o fluido viaje a partir da parede interna tubular 134 para aparede externa cilíndrica 132 para ser liberado no primeiro orifício 146,enquanto suprindo uma corrente aos eletrodos 106, 108 para deionizar ofluido.

Nesse processo particular de deionização, o fluido é passadoatravés da célula 102 em uma direção que é a inversa da direção normal outípica do fluxo de fluido durante a deionização na célula 102. O orifício 148da célula 102 fica em um volume radialmente interno da célula 102, comomostrado na fig. 1. Desse modo, durante esse ciclo de deionização, o fluidotendo uma condutividade mais alta passa para dentro do volume radialmenteinterno da célula 102 para prover uma condutividade total mais alta emrelação à direção de fluxo oposta, que é praticada convencionalmente, porrazões geométricas. O fluido, então, flui através do cartucho 130 para ovolume radialmente externo como fluido deionizado tendo uma condutividademais baixa e sai da célula 102 através do que é normalmente o orifício deentrada 146 durante a deionização. Posicionar a solução de condutividademais baixa no volume externo maior durante a deionização, ao invés de no volume interno, como é convencionalmente feito, provê uma resistência decélula total menor. Isso ocorre porque o eletrodo interno 108 tem uma áreaexposta ao fluido menor do que o eletrodo externo 106, que é maior, aresistência elétrica é substancialmente menor no volume interno próximo aoprimeiro eletrodo 106. A resistência menor resulta em condutividadelocalizada mais alta na região de fluido localizado, e, desse modo, remoção deíon mais eficaz a partir da membrana 110 situada adjacente ao eletrodointerno 106. Esse processo de deionização é especialmente desejável para asmembranas enroladas em espiral 110 que também têm um diâmetro menor deconfiguração de membrana enrolada no volume interno da célula 102, do que no volume externo da mesma célula 102. Esse processo reduz a resistência decélula efetiva à metade ou um terço da resistência de célula convencional.Desse modo, esse processo de deionização é especialmente desejável para asmembranas enroladas em espiral 110 que têm um diâmetro menor deconfiguração de membrana enrolada no volume interno da célula 102 do que no volume externo da mesma célula 102.

Durante a regeneração, o fluido é fluido através da célula 102na direção inversa com fluido fresco entrando na célula 102 a partir doprimeiro orifício 146, de modo que o fluido menos condutivo que chega passeprimeiro através do volume externo da célula cilíndrica 102, o que provê uma condutividade total mais alta por razões geométricas, e sai a partir da porçãocentral da célula 102 como solução mais condutiva nesse volume decondutividade geometricamente mais baixa. Desse modo, nesse ciclo, o fluidoé passado para dentro do primeiro orifício 146 da célula 102, de modo que ofluido viaje a partir da parede externa cilíndrica 170 para a parede internatubular 134 para ser liberado no segundo orifício 148, enquanto uma correnteé suprida aos eletrodos 106, 108 para regenerar a membrana enrolada emespiral 110.

Corrente de pós-deionização

Em uma outra versão, o controlador 170 é programado paracontrolar o suprimento de energia 114 para continuar a manter uma correnteatravés da célula 102 por um curto período de tempo depois do ciclo dedeionização estar completo. No ciclo de deionização, o controlador 170 abre aválvula 117 para fluir o fluido para dentro de um orifício 146 da célula 102,enquanto controlando o suprimento de energia 114 para suprir uma energia oucorrente aos eletrodos 106, 108 para formar fluido deionizado que é liberadono orifício 148. Em uma outra versão, o controlador 170 é programado paracontrolar o suprimento de energia 114 para continuar a manter uma correnteatravés da célula 102 por um curto período de tempo mesmo depois do fluxode fluido de deionização ter parado.

Esse processo é particularmente relevante em aplicações deuso intermitente, como um ponto de sistema de água potável de uso paraprover copos ou bules ocasionais de água tratada. E um ciclo de deionização,quando uma torneira ou válvula 117 é aberta e o fluxo é sensoreado, porexemplo, por meio de um sensor de taxa de fluxo ou pressão, um sinal éenviado ao controlador 170 para suprir corrente à célula 102 para deionizar ofluido fluindo através dela. Imediatamente depois da torneira ou válvula 117ser fechada, um sensor de fluxo 204 sinaliza ao controlador 170 que o fluxofoi substancialmente interrompido. Nesse momento, mesmo depois dacessação do fluxo de fluido para dentro e para fora da célula 102, em um ciclode pós-deionização, o controlador 170 é programado para instruir osuprimento de energia 114 a continuar a suprir uma corrente de deionizaçãoaos eletrodos 106, 108 para deionizar o fluido residual mantido estacionáriona célula 102 por um período de tempo. Isso permite ao fluido residual nacélula 102 ser deionizado adicionalmente enquanto ele ainda está na célula102. O fluido residual é deionizado na célula 102, de modo que,subseqüentemente, quando fluido não tratado fresco for passado para dentroda célula 102, o fluido já deionizado na célula 102 seja forçado para fora dacélula 102 pelo fluido Jfresco que chega. Como resultado, o lote inicial defluido tratado produzido pela célula 102 já está deionizado e não tem umgosto ruim ou íons residuais que teriam permanecido de outro modo no fluidose a energia de eletrodo fosse desligada no momento que o fluxo de fluidofosse inicialmente interrompido.

Tipicamente, o período de tempo pelo qual a energia éaplicada aos eletrodos 106, 108 depois do fluido fluir para dentro da célula102 depende da densidade de corrente na célula 102 durante esse períodoestático. Para densidades de corrente maiores do que cerca de 0,5mA/cm2,esse tempo de pós-deionização é menor d que 10 minutos e, de preferência,menor do que 5 minutos. O período de tempo total é tipicamente menor doque cerca de 5 minutos. A densidade de corrente típica suprida aos eletrodos éde pelo menos cerca de 0,05 mA/cm2 e também pode ser de menos do quecerca de 5mA/cm2. Tempos de pós-deionização excessivos, particularmente àmedida que a densidade de corrente de deionização de período estáticoaumente, aumentam a temperatura da célula 102 e de seus conteúdos defluido. Isso pode ser benéfico ou prejudicial dependendo da aplicação.

A fig. 21 demonstra o efeito da aplicação de uma corrente depós-deionização aos eletrodos 106, 108 de uma célula 102 depois do fluxo defluido passando através da célula 102 ter terminado. O % de íons removidospara o volume crescente de fluido passado através da célula 102 aumenta porcerca de 10% por períodos de tempo crescentes, de 0 a 3 minutos, para osquais a corrente continua a ser suprida aos eletrodos 106, 108. No nível decorrente 0, no qual nenhuma corrente de pós-deionização foi aplicada àscélulas 102a, b, depois de 26,497884 litros de fluido serem deionizados, o %de íons removidos caiu para cerca de 70%. Em contraste, quando umacorrente de pós-deionização foi aplicada por períodos de tempo de 1, 2 ou 3minutos, o % de íons removidos foi de cerca de 80% ou mais alto a um nívelde volume de 26,497884 litros.

Revertendo fluxo e corrente na regeneração

Com referência de volta à fig. 1, a célula 102 tem primeiro esegundo eletrodos 106, 108 arranjados acerca das membranas de troca de íon110 de modo que o primeiro eletrodo 106 confine com o primeiro orifício 146e o segundo eletrodo 108 confine com o segundo orifício 148. Em um ciclo de deionização, o controlador 1780 opera a válvula 117 para passar o fluido paradentro do primeiro orifício 146 da célula 102, de modo que o fluido passepara dentro através do primeiro orifício 146 e para fora através do segundoorifício 148. Ao mesmo tempo, o controlador 170 pode operar o suprimentode energia 114 para manter uma corrente na célula 102 para fazer os íons negativos migrarem em direção ao primeiro eletrodo 106 para deionizar ofluido que é, então, liberado no segundo orifício 148. Nesse ciclo, ocontrolador 170 opera o suprimento de energia 114 para aplicar uma voltagemao primeiro eletrodo que é mais positiva do que a voltagem aplicada aosegundo eletrodo 108. Isso mantém o primeiro eletrodo 106 em uma predisposição positiva em relação ao segundo eletrodo 108. Em um exemplo,o primeiro eletrodo 106 é mantido em uma polaridade positiva e o segundoeletrodo 108 é mantido em uma polaridade negativa. Entretanto, o primeiroeletrodo 106 também pode ser mantido em uma polaridade mais positiva doque o segundo eletrodo 108 com ambos os eletrodos 106, 108 sendo mantidos em uma polaridade negativa auferida (em relação à terra), ou vice versa. Porexemplo, para uma célula 102 de aproximadamente 25cm de altura e 10,16cmde diâmetro, no estágio de deionização, o suprimento de energia 114 podeaplicar, através dos primeiro e segundo eletrodos 106, 108, uma corrente decerca de 0,01 a cerca de 10 ampères com a perna positiva aplicada aoprimeiro eletrodo 106. Visto que as membranas 110 são enroladas em espiral,a área em seção transversal das membranas 110 muda a partir do lado de forapara o lado de dentro do enrolamento em espiral, assim, a densidade decorrente para cada volta da membrana também muda a partir do lado dedentro para o lado de fora. As membranas 110 tipicamente têm um diâmetroexterno que é cerca de duas a três vezes o diâmetro interno. A densidade decorrente para a membrana é determinada a partir da área maior adjacente aoseletrodos 106, 108. Em um cartucho em espiral, esta é o enrolamento demembrana externo, e a densidade de corrente de membrana é calculada apartir da corrente de célula (mA) dividida pela área de superfície de cartuchoexterna (cm2). Uma densidade de corrente adequada é de cerca de 0,02 a cercade 20mA/cm2.

No ciclo de deionização da célula 102, porque uma voltagemtendo uma polaridade mais positiva é aplicada ao primeiro eletrodo 106adjacente ao primeiro orifício 146a, b através do qual o fluido entra na célula102, ela serve como o anodo que faz ácido ser formado nesse eletrodo 108,dissolvendo qualquer carbonato de cálcio ou outra incrustação sobre esseeletrodo 108 ou nessa parte da célula 102. O ácido é varrido adicionalmentepara dentro do cartucho na direção de fluxo de fluido para dissolver aincrustação precipitada, como carbonato de cálcio sobre ou ao redor damembrana. Como resultado, os depósitos de incrustação são autolimposdurante o ciclo de deionização de membrana para prover um tempo de vida deciclo operacional mais longa para a célula 102.

Depois disso, em um ciclo de regeneração, o controlador 170opera a válvula 117 par inverter a direção de fluxo do fluido através da célula102. Inverter a direção de fluxo durante a regeneração é vantajoso porqueprovê uma mais eficiente (mais rápida, com menos água, menos consumo deenergia) do que a alternativa. Durante a deionização, o material de troca deíon na entrada de fluido de deionização extrai mais íons a partir da solução dealimentação do que o material de troca de íon na extremidade docomprimento de membrana, onde o fluido tratado sai da célula 102. Amembrana no início do caminho de deionização é a etapa de tratamentogrosseiro (removendo o volume de íons), e a membrana na extremidade do comprimento de membrana é a etapa de tratamento final (removendo menosíons). Desse modo, invertendo-se a direção de fluido para regeneração, ofluido de alimentação de regeneração, que tem a concentração iônica maisbaixa, fica em contato com a extremidade final do comprimento de membranacom a concentração iônica mais baixa, e à medida que os íons são rejeitados a partir da membrana, a concentração de íon do fluido de regeneração aumenta.Por esse motivo, o gradiente de concentração através da superfície demembrana é minimizado ao longo do inteiro comprimento da membranadurante a regeneração, e, desse modo, os íons são rejeitados de modo maiseficaz a partir da membrana para dentro do fluido de regeneração. Um benefício adicional é que no final da regeneração, a água na saída dedeionização tem a composição da água de alimentação de regeneração, não aconcentração mais alta de resíduos que existe na entrada de deionização. Issoreduz a contaminação da primeira água que sai da célula 102, na entrada deregeneração, durante a subseqüente deionização.

A fig. 22 mostra uma comparação da condutividade do fluidotratado de saída, como água deionizada, para aumentar a sucessão de ciclos deprocesso de deionização em uma célula eletroquímica 102. Em cada ciclo deprocesso de deionização, cerca de 7,570824 litros de água foram deionizadosna célula 102. Depois de cada ciclo de deionização, a célula 102 foi regenerada com: linha (a) - fluido compreendendo água dura que tem uma altaconcentração de íons; linha (b) - fluido compreendendo água suave; e linha(c) - fluido contendo água deionizada passada através da célula 102 em umfluxo inverso através do orifício para fluido deionizado. É visto que aregeneração com a água dura, como vista na linha (a), aumentasignificativamente a condutividade ou o conteúdo de íons da água deionizadaem uma célula 102 depois de 300 ciclos em relação às células 102a, b queforam regeneradas com água suave, linha (b), ou regeneradas com águadeionizada no fluxo inverso como na linha (c).

Em adição à inversão da direção de fluxo de fluido durante aregeneração, o controlador 170 também inverte a direção da corrente aplicadaatravés da célula 102. Para fazer isso, o controlador 170 opera o suprimentode energia 114 para manter o primeiro eletrodo 106 como um eletrodonegativo e o segundo eletrodo 108 como o eletrodo positivo em relação aoprimeiro eletrodo 106. Isso pode ser feito invertendo-se a polaridade dosprimeiro e segundo eletrodos 106, 108, ou mudando-se o primeiro eletrodo106 com uma predisposição negativa em relação ao segundo eletrodo 108. Emum exemplo, o primeiro eletrodo 106 é mantido a uma polaridade negativa e osegundo eletrodo 108 é mantido a uma polaridade positiva. Entretanto, oprimeiro eletrodo 107 também pode ser mantido a uma polaridade maisnegativa do que o segundo eletrodo 108 com ambos os eletrodos 106, 108sendo mantidos a uma polaridade negativa ou positiva auferida. A corrente nacélula 102 faz os íons positivos migrarem em direção ao primeiro eletrodo106. Durante a regeneração, o suprimento de energia 114 pode aplicar amesma ou uma corrente diferente e valores absolutos de densidade decorrente aos eletrodos 106, 108. No ciclo de regeneração de célula 102, comono ciclo de deionização, porque uma voltagem tendo uma polaridade maispositiva é aplicada ao segundo eletrodo 108 que fica localizado adjacente aosegundo orifício 148a, b através do qual o fluido entra na célula 102, ela servecomo um anodo fazendo ácido ser formado nesse eletrodo 108, dissolvendoqualquer carbonato de cálcio ou outra incrustação. O ácido é varridoadicionalmente para dentro do cartucho na direção de fluxo de fluido paradissolver a incrustação precipitada, como carbonato de cálcio sobre ou aoredor da membrana. Como resultado, os depósitos de incrustação são auto-limpos durante o ciclo de deionização de membrana para prover um tempo devida de ciclo operacional mais longa para a célula 102. Por exemplo, aregeneração de célula 102 por meio desse método proveu tempos de vida decélula 102 de cerca de 1892,706 a cerca de 3785,412 litros, em contraste comos tempos de vida de célula 102 anteriores de 378,5412 a 1135,6236 litros.

O suprimento de energia 114 controlado pelo controlador 170compreende um suprimento de voltagem 113. O suprimento de voltagem 113também pode suprir uma voltagem modulada no tempo aos primeiro esegundo eletrodos 106, 108, igualmente nos ciclos de deionização ou deregeneração. Por exemplo, no ciclo de deionização, o suprimento de voltagem113 pode suprir uma primeira voltagem modulada no tempo aos eletrodos106, 108; e no ciclo de regeneração, o suprimento de voltagem 113 podesuprir uma segunda voltagem modulada no tempo aos eletrodos 106, 108 quetenham magnitudes diferentes das primeiras magnitudes. Por exemplo, ocontrolador 170 no ciclo de regeneração, pode abrir a válvula 117 para fluir ofluido para dentro do orifício para fluido deionizado de uma célula 102,enquanto controlando o suprimento de voltagem variável para suprir umavoltagem de corrente contínua modulada no tempo aos eletrodos da célula102.

Regeneração por rajada

O controlador 170 também pode ser programado paracontrolar a válvula 117 para passar uma rajada temporizada de fluido paradentro de um orifício de uma célula 102 durante o ciclo de regeneração. Cadaciclo de regeneração é conduzido por um tempo de ciclo de regeneração que éo tempo total durante o qual a membrana é regenerada antes de ser usadanovamente para um ciclo de deionização. A rajada temporizada do fluido éum fluxo do fluido por um período de tempo que é mais curto do que o tempode ciclo de regeneração. Por exemplo, o controlador pode operar a válvula117 para prover rajadas temporizadas do fluido por períodos de tempo decerca de 0,1% a cerca de 80% do tempo de ciclo de regeneração, ou mesmopor períodos de tempo de cerca de 0,3% a cerca de 30% do tempo de ciclo deregeneração. O controlador 170 é programado para prover uma rajadatemporizada do fluido para dentro da célula 102 abrindo-se a válvula 17 porum período de tempo e, então, fechando-se a válvula 117. A duração de rajadaé o período de tempo durante o qual a válvula 117 é ligada e, então, desligadamovendo-se o elemento móvel 122 a partir de uma primeira posição para umasegunda posição fechada. Ao mesmo tempo, o controlador 170 controla osuprimento de energia 114 para energizar os eletrodos 106, 108 para regenerar a membrana de troca de íon 110 para formar fluido regenerado que é liberadoem um outro orifício.

Tipicamente, o controlador 170 opera a válvula 117 paraprover uma pluralidade de rajadas durante um tempo de ciclo de regeneração,ou seja, em um ciclo de regeneração unitário. A pluralidade de rajadas pode ter taxas de fluxo e durações selecionadas de acordo com a remoção desejadados sólidos residuais na célula eletroquímica 102, e é tipicamente realizadaem seqüência, substancialmente sem realizar qualquer ciclo de deionização defluido intermédio na célula 102. Como um exemplo, o controlador 170 podeoperar a válvula 117 para prover pelo menos cerca de 2 rajadas de fluido seqüenciais para dentro da célula 102, ou mesmo pelo menos 10 rajadas, oumesmo 20 rajadas, durante um ciclo de regeneração.

Em um exemplo, o controlador 170 opera a válvula 117 paraabrir a válvula 117 para uma rajada temporizada do fluido, que dura por umperíodo de tempo de cerca de 0,1 a cerca de 40 segundos, e, então, fecha aválvula 117, uma vez a cada minuto. Mais tipicamente, a rajada temporizadado fluido fica por um período de tempo de cerca de 0,3 a cerca de 15segundos. Em uma versão, o controlador 170 abre a válvula 117 por umperíodo de tempo de cerca de 0,5 a cerca de 5 segundos, então, fecha aválvula 117 uma vez a cada minuto até a rajada temporizada seguinte. Operíodo de tempo entre rajadas, um minuto nesses exemplos, é tipicamenteum período de tempo que é mais longo do que o tempo de rajada.

Em uma versão, no ciclo de deionização, o controlador 170também instrui o suprimento de energia 114 a aplicar uma voltagern tendouma primeira polaridade através dos eletrodos 106, 108 na célula 102; e nociclo de regeneração de rajada, suprir energia com uma segunda polaridadeaos eletrodos 106, 108 enquanto passando uma rajada temporizada do fluidopara dentro da célula 102.

A rajada temporizada do fluido para regenerar a célula 102provê diversos benefícios. A regeneração de rajada capacita a regeneraçãomais eficaz da célula 102, enquanto usando menos fluido, reduzindo oconsumo de energia, e aperfeiçoando o tempo de regeneração. Essasvantagens são obtidas quando compradas a um processo de fluxo contínuo noqual o fluido é fluído continuamente para dentro da célula 102 para aregeneração, reduzindo o custo total do ciclo de regeneração de célulaeletroquímica 102. Por exemplo, a alta taxa de fluxo de regeneração obtidaem um ciclo de tempo de rajada unitário, força as partículas como incrustaçãopara fora da célula 102 para impedir sua precipitação ou coleta irreversíveisna célula 102. A rajada temporizada do fluido também permite a regeneraçãoda célula 102 com um volume relativamente menor de fluido quandocomparada a um processo de fluxo contínuo.

A rajada temporizada pode prover uma variação de taxas defluxo dependendo da pressão disponível e queda de pressão através da célula102 e do encanamento de dreno. Podem ser empregados restritores de fluxono circuito de encanamento para reduzir a taxa de fluxo durante as rajadas.Geralmente, entretanto, para maximizar os benefícios da regeneração derajada, a taxa de fluxo mais alta obtenível para o sistema é preferida durante arajada. A taxa de fluxo verdadeira varia, dependendo do tamanho da célula102 e da pressão disponível, mas para células altas 15cm e de IOcm dediâmetro, e uma pressão de cabeça de 0,4136874MPa, por exemplo, uma taxade fluxo de pelo menos 0,5 litro por minuto é desejável, mais de preferência,pelo menos 1 litro por minuto. Essa é a taxa de fluxo verdadeira durante otempo de rajada, não a taxa de fluxo média calculada a partir do volume totalpassado através da célula 102 pelo tempo de regeneração. Por exemplo, a taxade fluxo média calculada a partir de um total de 1,3 litro passado durante umciclo de regeneração, que é longo dez minutos, é de 0,13 litro por minuto.

Com a regeneração de rajada, entretanto, essa água é passada em múltiplasrajadas, por exemplo, dez rajadas em dez minutos, para prover 1,3 litro devolume total passado para o dreno. Se a taxa de fluxo verdadeira durante umarajada for de 2 litros por minuto, por exemplo, então, o tempo de rajada seriaajustado para quatro segundos a uma taxa de fluxo de rajada verdadeira de 2litros por minuto desejável. Se a taxa de fluxo for mais baixa, o tempo derajada pode simplesmente ser aumentado para se obter a mesma taxa de fluxomédia e volume de resíduos de regeneração total.

Durante um ciclo de regeneração unitário, as rajadastemporizadas seqüenciais podem ter diferentes tempos para dois ou maisestágios, que são partes de um ciclo de regeneração unitário inteiro. Nessaversão, o controlador 170 liga e desliga a válvula 117 por diferentes períodosde tempo durante cada ciclo de regeneração. Os períodos de tempo pelosquais a válvula 117 é ligada, e, então, desligada, podem ser mudados de umestágio de regeneração para um outro em um ciclo de tempo de regeneraçãounitário. Desse modo, a regeneração de rajada seqüencial pode incluirmúltiplos estágios de regeneração com o tempo de válvula 117 ligada sendodiferente em cada estágio. Por exemplo, em uma versão, o controlador 170opera a válvula 117 para prover rajadas temporizadas do fluido (i) durante umprimeiro estágio de regeneração por períodos de tempo de cerca de 0,1% acerca de 30% do tempo de ciclo de regeneração; (ii) durante um segundoestágio de regeneração de cerca de 0,3% a cerca de 80% do tempo de ciclo deregeneração; e (iii) durante um terceiro estágio por períodos de tempo decerca de 0,1% a cerca de 30% do tempo de ciclo de regeneração.

Em uma outra versão, o controlador 170 opera a válvula 117para prover uma rajada temporizada de fluido (i) durante um primeiro estágiode regeneração por um ou mais períodos de tempo de cerca de 0,1 a cerca de10 segundos; (ii) durante um segundo estágio de regeneração por um ou maisperíodos de tempo de cerca de 3 a cerca de 40 segundos; e (iii) durante umterceiro estágio de regeneração por um ou mais períodos de tempo de cerca de0,1 a cerca de 10 segundos. O primeiro estágio de regeneração pode serrealizado a partir do começo do ciclo de regeneração até um tempo de, porexemplo, menos do que cerca de 2 minutos mais tarde, o segundo estágio deregeneração é realizado por pelo menos cerca de 3 minutos adicionalmente, eo terceiro estágio de regeneração realizado por pelo menos cerca de 3 minutosmais. Um ciclo de tempo de regeneração completo pode durar, por exemplo,por cerca de 10 minutos.

Um exemplo de modo de realização de uma seqüência derajadas do fluido fluído através de uma célula eletroquímica 102 mostrando ovolume de rajada e a corrente versus o tempo passado no ciclo de regeneraçãoé mostrado na fig. 17. A duração do tempo pelo qual a válvula 117 é mantidaaberta controla o volume de fluido que é passado através da célula 102.Quanto mais a válvula 117 é mantida aberta, maior o volume de fluido quepassa através da célula 102. Por exemplo, o volume de fluido passado comcada rajada através da célula 102 durante o primeiro estágio de regeneraçãopode ser 20% do volume de fluido passado com cada rajada através da célula102 no segundo estágio de regeneração, e o volume de rajada de fluidopassado através da célula 102 no terceiro estágio de regeneração pode,novamente, ser de somente 20% do volume no segundo estágio deregeneração. Conseqüentemente, as rajadas temporizadas de fluido durante osegundo estágio de regeneração seriam pelo menos cerca de 5 vezes maislongas do que os períodos de tempo no primeiro estágio de regeneração nesseexemplo, e as rajadas temporizadas de fluido durante o terceiro estágio deregeneração podem ser de pelo menos cerca de um quinto do tempo dosegundo estágio de regeneração. Como um outro exemplo, a válvula Wl é operada para prover rajadas temporizadas de fluido durante um estágio deregeneração que é de pelo menos cerca de 2 vezes mais longo do que operíodo de tempo durante um outro estágio de regeneração. Por exemplo, aválvula 117 pode prover rajadas temporizadas durante um estágio deregeneração inicial que são menores do que cerca de Vi do período de tempo do estágio de regeneração seguinte, e as rajadas temporizadas de fluidodurante um último estágio de regeneração tendo um período de tempo que émenor do que cerca de '/2 do período de tempo do estágio de regeneraçãoanterior.

Controlando-se o tempo durante o qual a válvula 117 é aberta, diferentes volumes de água podem ser passados através dessa célula 102 emdiferentes estágios do ciclo de regeneração para regenerar de modo maiseficaz a célula 102. Pode ser desejável, por exemplo, ter um alto volume defluido passado através da célula 102 rajadas precoces ou iniciais, quando aconcentração dos íons dissolvidos ou sólidos expelidos a partir das membranas 110 durante a regeneração for mais alta, para expurgar oudescarregar de modo mais eficaz esse material expelido a partir da célula 102.Se esse concentrado puder permanecer na célula 102 ou ser gradual oulentamente expelido a partir da célula 102, o concentrado de íon poderiaprecipitar para fora e se depositar como incrustação sobre as superfícies internas da célula 102 ou mesmo entupir a superfície das membranas 110, ouele pode impedir a rejeição eficaz de mais íons devido à polarização deconcentração, as membranas entupidas 110 aumentam a pressão de fluido nacélula 102 conduzindo, eventualmente à ruptura ou falha da membrana IlOedesempenho de deionização reduzido. Por exemplo, íons como de cálcio,magnésio ou manganês que são expelidos a partir das membranas 110 podemse precipitar para fora como carbonatos, sulfatos ou outros desses compostosinsolúveis a não ser que rapidamente expurgados.

Um exemplo de modo de realização de um processo ueregeneração de rajada tendo rajadas temporizadas seqüenciais de fluido com oeixo Y representando o tempo que a válvula 117 é deixada aberta e a correntesuprida aos eletrodos 106, 108, e o eixo X mostrando o tempo transcorrido emum ciclo de tempo de regeneração, é mostrado na fig. 18. No exemplo deversão mostrado, o ciclo de tempo de regeneração inteiro dura cerca de 10minutos. No primeiro estágio de regeneração, a válvula 117 é aberta para umarajada temporizada seqüencial que dura por um período de tempo de cerca de1 segundo. O tempo entre o início de cada rajada é de 60 segundos. Cadarajada de 1 segundo libera 60cc de fluido para dentro da célula 102. Nosegundo estágio de regeneração, quando a matéria de resíduo expelida a partirdas membranas 110 tem o nível de concentração mais alto, a válvula 117 émantida aberta por 4 rajadas temporizadas de 6 segundos de duração cada,passando 300cc de fluido para dentro da célula 102 em cada rajada. Esse cicloremove o volume dos sólidos residuais do cartucho 130 na célula 102. Então,no terceiro estágio de regeneração, 5 rajadas temporizadas de 1 segundo deduração cada uma são providas para limpar os sólidos residuais do cartucho.

A seqüência inteira de rajadas temporizadas, incluindo os trêsestágios, cada um tendo durações de tempo de rajada e intervalos de tempofechado particulares, também pode ser controlada e programada dentro docódigo de programa de computador do controlador 170, ou pode ser ajustadapor um operador no local durante o uso do aparelho 100 e mudada durante ouso no campo. Variar o tempo pelo qual a válvula 117 é deixada aberta provêregeneração mais eficaz controlando-se o volume do fluido passado através dacélula em diferentes estágios do ciclo de regeneração. Desse modo, a válvula117 pode ser deixada ligada por um período mais longo de tempo para proverum volume maior de fluido passando através da 102 quando os íons e sólidosexpelidos a partir das membranas de célula 110 está nos maiores níveis.Como resultado, múltiplas seqüências de rajada podem repartir o tempoexigido para regenerar as membranas 110, e repartir o resíduo de água, aumentando, desse modo, a eficácia de regeneração por um fator de 2Xcomparadas aos ciclos de regeneração convencionais com um tempo de rajadaunitário ou um fluxo de água de regeneração contínuo. Embora três estágiossejam usados para ilustrar o processo, dois estágios, ou mais de três estágiostambém podem ser usados, dependendo da aplicação.

Durante os ciclos aberto e fechado da válvula 117, a densidadede corrente aplicada à membrana 110 da célula 102 durante a regeneração derajada também pode ser controlada independentemente para otimizaradicionalmente a eficácia de regeneração, como mostrado, por exemplo, nosexemplos de modos de realização das figs. 17 e 18. Por exemplo, em ummétodo, um ou mais períodos de tempo curtos de níveis de corrente altospodem ser aplicados aos eletrodos 106, 108 para gerar níveis de altaconcentração de ácido e base dentro da membrana por meio da reação dedivisão de água na célula 102. Os níveis altos de ácido ou base levam tempopara se difundirem e migrarem através da membrana 110. Os níveis de densidade de corrente são, então, diminuídos para níveis mais baixos parareduzir o consumo de calor e eletricidade enquanto ainda mantendo umaqueda de potencial elétrico através da célula 102 para continuar a prover oefeito de migração sobre o transporte de íon para fora das membranas para oorifício a ser enxaguado da célula 102. Em uma versão, níveis de densidade de corrente altos de pelo menos cerca de 0,5mA/cm2 a cerca de 5mA/cm2, sãomantidos na célula 102 por cerca de três minutos. O nível de corrente altonesse exemplo é seguido por um nível de corrente baixo, que é cerca de 80%menor do que o primeiro nível de corrente, por cerca de sete minutos. Noexemplo mostrado na fig. 18, no primeiro estágio de corrente, queparcialmente sobrepõe os primeiro e segundo estágios de rajada de fluxo defluido, uma corrente de cerca de 1,8 ampères é aplicada aos eletrodos 106,108. Depois disso, para os estágios restantes, uma corrente reduzida de cercade 0,5 ampères é aplicada aos eletrodos 106, 108.

O volume total de fluido usado para regenerar a célula 102também pode ser controlado em relação à taxa de fluxo de fluido ou pressãoprovidas pela fonte de fluido. Em uma versão, um sensor de fluxo de fluido204 é provido no caminho de fluido depois da célula 102, como mostrado naflg. 19, ou na, ou antes da célula 102 (não mostrada). O sensor de fluxo 204pode ser um medidor de fluxo de massa ou volume, que mede as taxas defluxo, ou um monitor de pressão de fluido 159 para monitorar a pressão dofluido provida à célula 102. Na versão mostrada, o sensor de fluxo 204 medea taxa de fluxo passando através das células 102a, b. O sensor de fluxo 204pode ser uma turbina magnética que fica posicionada no caminho de fluxo defluido e adjacente a um sensor de Efeito de Hall convencional. Os sensores deEfeito de Hall medem a rotação das turbinas magnéticas para permitir adeterminação da taxa de fluxo de fluido volumétrica. Turbinas magnéticasadequadas estão disponíveis a partir da Gems Sensors, Plainville,Connecticut.

O sensor de fluxo 204 fica em comunicação com o controlador170 e mede a taxa de fluxo ou pressão do fluido através da célula 102 durantepelo menos uma porção do ciclo de operação da célula para gerar um sinal defluxo de fluido ou de pressão que é enviado ao controlador 170. O controlador170 opera a válvula 117 para ajustar a duração das rajadas temporizadas dofluido para ajustar o volume de fluxo passado através da célula 102 durante aregeneração. A pressão de fluido pode variar, por exemplo, com a pressãoprovida por uma fonte de fluido externa, como um suprimento de águaurbano. Em algumas geografias, grandes variações de pressão podem ocorrerem uma base diária. Ao invés de variar o tempo de rajada para compensar avariação de pressão de alimentação, o sinal de fluxo ou pressão pode ajustaruma bomba que é usada para bombear fluido através da célula 102, ou podecontrolar o tamanho de abertura de uma porta da válvula 117 para controlar apressão de fluido. A medida que a pressão de fluido varia, o sensor de fluxo204 envia um sinal de pressão de fluido ao controlador 170, que, por sua vez,controla a duração de tempo de pressão de bomba ou abertura de válvula paracontrolar o volume de fluido passado através da célula 102.

Em ainda uma outra versão, o aparelho 100 tem duas ou maiscélulas 102a, b, a segunda célula 102 b pode ser operada para prover fluidodeionizado para a primeira célula 102a que está sendo regenerada por meio deregeneração de rajada. O fluxo de rajada de fluido durante a regeneraçãoprovê melhor regeneração da célula 102 e remove sólidos residuais queimpediriam de outro modo a regeneração de célula 102. Nessa versão, asrajadas podem ser providas à célula 102a controlando-se o fluxo de fluidoatravés da célula 102a. Assim, a célula 102a recebe rajadas de fluido a partirda válvula 117, e as rajadas do fluido deionizado são, então, passadas a partirda célula 102b para regenerar a célula 102a.

A fig. 19 também mostra um arranjo adequado de umregulador de fluxo 193 para regular o fluxo através das células 102a, b. Oregulador de fluxo 193 pode ser um dispositivo que abre e fecha o tamanho deum furo em uma arruela de borracha em forma côncava (não mostrado) emrelação à pressão do fluido passando através do regulador 210. Por exemplo, oregulador de fluxo 193 pode regular a taxa de fluxo de fluido passandoatravés para conseguir uma taxa de fluxo constante de, por exemplo, cerca de0,51/minuto a 31/minuto. Para uma célula 102 dimensionada cerca de 39,37cmde altura e a partir de cerca de 15,24 a cerca de 30,48 centímetros dediâmetro, uma taxa de fluxo adequada é de cerca de 1 a cerca de 21/minuto.Reguladores de fluxo adequados 193 tendo as taxas de fluxo desejadas sãofabricados pela Vernay, Yellow Springs, Ohio.O aparelho 100 pode compreender adicionalmente sensores decondutividade 212a, b nos caminhos de fluxo de fluido igualmente a montantedas células 102a, b, a jusante das células 102a, b, ou ambos. Em uma versão,os sensores de condutividade 212a, b são circuitos elétricos que provêem umavoltagem constante através de dois eletrodos imersos no fluido paradeterminar a condutividade do fluido, que a corrente resultante passada entreos eletrodos 106, 108 é, por sua vez, uma medida da concentração de íon dofluido. A corrente é convencionalmente medida como uma voltagem pequenaatravés de um resistor em série com o circuito. O controlador 170, quando dorecebimento do sinal de condutividade a partir do sensor 212, pode ajustar acorrente passada através das células 102a, b para, por exemplo, manter umaconcentração de íon consistente no fluido passando através das células 102a,b. Em uma versão, os sensores de condutividade 212a, b compreendem umsuprimento de voltagem que provê uma voltagem de 2 volts a IkHz através dedois pinos chapeados de ouro que são inseridos no caminho de fluxo defluido. A voltagem através do resistor de medição é proporcional à correntena célula 102, que está relacionada à condutividade do fluido e a suaconcentração de íons.

Restritor de fluxo

Um outro modo para limitar o fluxo de fluido através da célula102 durante a regeneração de célula é usar um restritor de fluxo 220 nocaminho de fluxo do fluido que é passado através das células 102a, b, comomostrado esquematicamente, por exemplo, na fig. 20. O restritor de fluxo 220limita a taxa de fluxo de fluido passada através da célula 102a durante aregeneração da célula 102 para reduzir o consumo de fluido na regeneração.O restritor de fluxo 220 é usado em conjunto com as válvulas de checagem222a, b que impedem o fluxo de fluido na direção oposta à ponta de flecha(como mostrado). Sem as válvulas de checagem 222a, b o fluxo de fluido nãoseria controlável através do restritor de fluido 220.Por exemplo, um restritor de fluxo adequado 220 pode reduzira taxa de fluxo a partir de mais de cerca de 1 l/minuto a uma quantidademenor, por exemplo, a 0,5l/minuto, 0,1 l/minuto, ou mesmo 20cc/minuto,durante a regeneracao. Como resultado ,o volume total do fluido passadoatravés da célula 102 durante a regeneração pode ser reduzido por um fator de3 χ a cerca de 5 Ox em relação ao volume de fluxo usado na regeneração sem orestritor de fluxo 200 e se a válvula 117 for deixada aberta por um ciclo deregeneração inteiro. Por exemplo, enquanto a regeneração de fluxo contínuasem um restritor de fluxo 220 usaria um volume total de 46 litros a uma taxade fluxo de 21/minuto em um ciclo de regeneração durando 23 minutos, umrestritor de fluxo de 15x pode reduzir o volume total do fluido a cerca de 31em cada ciclo de regeneração de 23 minutos. O restritor de fluxo 220 tambémtem um diâmetro que é de pelo menos cerca de 30 vezes menor do que odiâmetro do tudo de entrada de normal alimentando um orifício 146, 148 deuma célula 102; por exemplo, um diâmetro de menos de cerca de 0,127cm, oumesmo de cerca de 0,0254cm. Entretanto, o diâmetro pequeno do restritor defluxo 220 pode causar o entupimento ocasional do restritor ou das válvulas dechecagem 222a, b, o que é indesejável. Usar a seqüência de rajada permite aremoção do restritor de fluxo 220 e das válvulas de checagem 222a, b e,conseqüentemente, a eliminação dos problemas associados a essescomponentes com o tamanho de abertura pequeno do restritor de fluxo 220porque o volume total do fluido usado durante a regeneração pode sercontrolado simplesmente regulando-se as durações e ciclos de rajadatemporizada seqüenciais através de um orifício maior.

Modular a corrente de regeneração

Em ainda uma outra versão, a corrente suprida através dacélula 102 é modulada e ajustada em diferentes níveis durante a regeneraçãopara otimizar a regeneração e/ou reduzir o consumo de energia durante o ciclode regeneração. O fluxo de fluido de regeneração pode ser da variedade derajada ou contínua. Em uma versão, o controlador 170 é adaptado paracontrolar o suprimento de energia 118 para manter as primeira e segundacorrentes através dos eletrodos 106, 108 durante o ciclo de regeneração. Avoltagem variável rejeita íons a partir da membrana 110 para formar umconcentrado que é liberado no orifício de entrada da célula 102. Em umaversão, o fluido deionizado feito em uma primeira célula 102a é passado paradentro do orifício para fluido deionizado da segunda célula 102b durante aregeneração da segunda célula 102b. Durante a regeneração, o segundoeletrodo dentro da célula 102b é mantido a uma polaridade positiva. Em umaversão, a corrente modulada no tempo compreende uma primeira corrente euma segunda corrente, e onde a primeira corrente é maior do que a segundacorrente. O ciclo obrigatório para a primeira corrente é maior do que aquelada segunda corrente. As primeira e segunda correntes são selecionadas paraprover regeneração ótima da célula 102. Por exemplo, a segunda correntepode ser uma corrente que é reduzida a partir da primeira corrente, parareduzir o consumo de energia durante o processo de regeneração, para abaixara concentração de hidróxido produzido no catodo, e reduzir a temperatura decélula 102. Em uma versão, o ciclo de regeneração inclui um primeiro nívelde corrente no qual uma primeira densidade de corrente passada através damembrana 110 da célula 102 é de pelo menos cerca de 0,5mA/cm2 por cercade 1 a cerca de 5 minutos. Este é seguido por um segundo nível de corrente,que é de pelo menos cerca de 30% mais baixo do que o primeiro nível dedensidade de corrente, e, mais de preferência, de pelo menos cerca de 50%mais baixo, por um adicional de cerca de 5-20 minutos. Tempos de nível deprimeira e segunda correntes maiores ou menores podem ser vantajosos emdiferentes aplicações. Em uma outra medição dessa operação preferida, aprimeira densidade de corrente é mantida a partir de cerca de 0,5 a cerca de5mA/cm2, e a segunda densidade de corrente é de cerca de 0,05 a cerca de3mA/cm2. O terceiro e mais níveis de corrente durante um ciclo deregeneração também podem ser empregados para prover economia de energia,temperaturas mais baixas ou menos produto de eletrodo (por exemplo,hidróxido) para aperfeiçoar a operação da presente invenção. Esses níveis decorrente podem ou não coincidir com a rajada de regeneração.

Em uma outra versão, as primeira e segunda correntes do ciclode regeneração também podem ser pulsados ou mantidos por períodos detempo diferentes para variar a energia durante os primeiro, segundo eadicionais estágios de um ciclo de regeneração para obter resultadossemelhantes àqueles obtidos a partir da mudança de nível de corrente CCdurante a regeneração. Se pulsando a corrente para controlar o nível deenergia, o ciclo obrigatório durante o pulso é uma medição do tempopercentual que a corrente é aplicada à célula 102. Por exemplo, a primeiracorrente pode ser operada com um ciclo obrigatório de 100%, e a segundacorrente com no máximo um ciclo obrigatório de 70% para prover somente nomáximo 70% da energia durante o segundo estágio de regeneração, e, dessemodo, obter os benefícios de menos consumo de energia, temperaturas decélula 102 mais baixas e menos produto de eletrodo. Mais de preferência, ociclo obrigatório do segundo estágio é de no máximo 505 neste exemplo. Emadição, um pulso de corrente alternada também pode ser provido sobrepondo-se a um pulso de corrente contínua.

A fig. 23 mostra o efeito de reduzir a corrente de regeneraçãosobre a condutividade do resíduo ou fluido regenerado emitidos a partir deuma célula 102 durante a regeneração. O tempo de ciclo de regeneração totalfoi de cerca de 20 minutos. A corrente de regeneração foi reduzida de 2minutos no ciclo de regeneração a partir do valor de 1 ampère original para osvalores menores indicados, e, subseqüentemente, elevada de volta a 9 minutosno ciclo, para o nível de 1 ampère original. As diferentes correntes aplicadas àcélula 102 são mostradas no índice e variam de cerca de 0,1 a cerca de 1ampère, em valores de 0,1, 0,3, 0,5, 0,7 e 1 ampère. é visto que acondutividade de fluido regenerado permanece em torno da mesma mesmoquando níveis de corrente mais baixos de 0,1 ampère são aplicados durante ociclo de regeneração, indicando que a quantidade total de íons rejeitados apartir das membranas 110 (área sob a curva) que são passados para o fluidoregenerado, não muda significativamente mesmo quando um nível de correntede regeneração mais baixo é aplicado. Isso permite a redução substancial doconsumo de energia total durante a regeneração sem sacrificar o desempenhode regeneração.

A fig. 24 mostra que as reduções descritas acima da correntede regeneração pelo período de 2 a 9 minutos dentro do ciclo de regeneração;não reduz significativamente o desempenho de deionização subseqüente dacélula 102. O % total de sólidos dissolvidos (TDS) no fluido de deionizaçãoobtido a partir das células 102a, b regeneradas com o nível de corrente maisbaixo não varia significativamente, indicando que esse foi ainda um outrométodo inesperado de reduzir o consumo de energia total durante aregeneração.

Revertendo a polaridade de eletrodo na regeneração

Em uma outra versão, depois da célula 102 ser operada paradeionizar o fluido, é conduzido um processo de regeneração de duas etapas.Em uma primeira etapa de regeneração primária, o controlador 170 abre aválvula 117 para fluir o fluido para dentro de um orifício 148 da célula 102 econtrola o suprimento de energia 114 para suprir uma corrente tendo umapolaridade aos eletrodos 106, 108 da célula 102 por um período de tempo pararegenerar a membrana de troca de íon 110. A corrente suprida causa a rejeiçãodos íons a partir da célula 102 para dentro do fluido que é passado através dacélula 102 para formar fluido regenerado, que é liberado em um outro orifício146. Nessa etapa de regeneração primária, o controlador 170 tipicamentesupre a corrente por um período de tempo de pelo menos cerca de 2 minutos adensidades de corrente de cerca de 0,2 a 20mA/cm2.Depois da etapa de regeneração primária ser completada, emuma etapa secundária ou de pós-regeneração, a polaridade da corrente éinvertida, mas o fluxo de água continua como para a etapa de regeneraçãoprimária (tanto o fluxo de rajada quanto o contínuo). Por exemplo, a segundapolaridade pode ser invertida a partir da primeira polaridade tendo o sinaloposto. A segunda polaridade pode mesmo ser substancialmente a mesmapolaridade que aquela que é aplicada durante o ciclo de deionização. asegunda polaridade provê uma corrente de deionização para a célula 102 parareduzir a concentração dos íons residuais na célula 102 antes de iniciar o ciclode deionização. A corrente de polaridade inversa é mantida por um período detempo de pelo menos cerca de 0,5 minuto.

Esse método permite ao fluido contido com a célula 102recentemente regenerada ser deionizado pela polaridade de eletrodo invertidaque faz a corrente se mover na direção oposta através da célula 102, enquantoa válvula 117 continua a passar o fluido para dentro da célula 102 por umperíodo de tempo na direção de fluxo de regeneração. Inverter a polaridade davoltagem imediatamente depois da primeira etapa de regeneração primária dociclo pode ajudar a preparar a célula 102 para processos subseqüentesdeionizando-se pelo menos parcialmente o fluido na célula 102, para proverum fluido menos ionizado para ciclos de deionização subseqüentes.

No final da etapa de pós-regeneração secundária, ou em seulugar, o controlador 170 pode, opcionalmente, sinalizar ao suprimento deenergia 114 para parar de suprir energia aos eletrodos 106, 108 da célula 102,de modo que nenhuma corrente passe através do fluido na célula 102,enquanto a válvula 117 é ajustada para continuar a permitir ao fluido fluirpara dentro da célula 102 na direção de fluxo de regeneração primária por umperíodo de tempo de tipicamente pelo menos cerca de 1 minuto. Essa etapaexpurgará fluido quente a partir da célula 102, provendo fluido mais frio noinicio de um ciclo de deionização subseqüente.Regeneração com fluido deionizado

Um aparelho 100 compreendendo pelo menos uma primeiracélula eletroquímica 102a (célula A) e uma segunda célula eletroquímica102b (célula B) pode ser usado para deionizar o fluido em uma primeiracélula 102a e para regenerar as membranas de troca de íon 110 em umasegunda célula 102b usando o fluido deionizado a partir da primeira célula102a. Um exemplo de ciclo operacional para um aparelho de tratamento deI fluido 100 compreendendo duas células eletroquímicas 102a (célula A) e102b (célula B), como mostrado na fig. 12. A operação do aparelho 100 é(10 ilustrada no tratamento da água a partir de uma fonte de fluido 120, como umsuprimento de áeua urbano, para deionizar a água e regenerar as células 102a,b. Cada cernia eletroquímica 102a tem um primeiro orifício, ou de entrada146a, b conectado a uma válvula 117 para receber o fluido, e um segundoorifício, de fluido deionizado, ou de saída 148a, b, para passar o fluido tratado125 para fora da célula 102a. Na operação, a válvula 117 direciona um fluidode entrada 124 para ambas as células 102a, b e também recebe a água servidaregenerada a partir das células 102a, b e expele a água servida através dodreno 124. A válvula 117, como mostrado na fig. 13, realiza isso movendo oelemento móvel 122 entre pelo menos duas posições. Por exemplo, onde oelemento móvel 122 for um rotor 252, o rotor 252 é girado entre diferentesposições para regular o fluxo de fluido. O controlador 170 opera o motor 188da válvula 117 e o suprimento de energia 114 para serem capazes de realizaruma pluralidade de ciclos de pré-tratamento, tratamento de fluido(deionização), regeneração, e pós-regeneração.

Com referência às figs. 12 e 13, para deionizar e tratar o fluidona Célula A (102a), o elemento móvel 122 da válvula 117 é ajustado parauma primeira posição na qual a água a partir da fonte de fluido 120(suprimento de água urbano) é passada através da porta de entrada 180a paradentro da câmara 245 de válvula 117 da cobertura de válvula 240 através doelemento móvel 122 e para fora da porta de válvula de saída 180d. O fluido,então, entra no primeiro orifício de entrada 146a da célula 102a. Depois dadeionização na célula 102a, o fluido tratado 125 é emitido ou liberado a partirdo orifício 148a para consumo ou outro uso. O fluido tratado ou deionizado apartir da célula A é, então, passado para dentro do orifício 148b da célula B(operada anteriormente no modo de deionização) que está agora em um ciclode regeneração para remover íons deslocados a partir da membrana de trocade íon 110. A água servida de regeneração a partir da célula B é expelida apartir do orifício 146b e passa através da base 230 para dentro da passageminterna 274 do elemento móvel 122 e para fora para o dreno urbano 190. Aregeneração prepara a membrana de troca de íon 110a para processos dedeionização subseqüentes e o fluido deionizado regenera a célula 102a commelhor eficácia de regeneração porque o conteúdo de íon mais baixo do fluidodeionizado provê uma força de acionamento maior para íons a seremexpelidos a partir da membrana 110a.

A fig. 22 mostra que a regeneração com água dura, como vistana linha (a) aumenta significativamente a condutividade ou o conteúdo de íonda água deionizada em uma célula 102 depois de 300 ciclos em relação àscélulas que são regeneradas com a linha de água deionizada (b), ouregeneradas com a água deionizada no fluxo inverso, como na linha (c). Aágua dura usada nesse experimento teve uma condutividade de 1000μ8/αη,conteve íons de bicarbonato, e foi passada através da célula 102 a uma taxa defluxo de cerca de 40ml/minuto. A água suave estava ausente dos íons debicarbonato, mas tinha a mesma condutividade, e a água deionizada foideionizada em uma célula conectada 102 e teve uma condutividade de100μS/cm.

Notar que o fluido deionizado emitido a partir da célula 102a épassado a partir de seu orifício de saída 148a para, por exemplo, o que énormalmente o orifício de saída de fluido deionizado 148b da segunda célulaJ 102b, que está passando por regeneração. Isso inverte a direção normal outípica do fluxo de fluido durante a regeneração do fluido na célula 102b. Oorifício 148b da célula 102b fica em um volume radialmente interno da célula102. por exemplo, como mostrado na fig. 1. Desse modo, durante essaregeneração da célula 102b, o fluido passa a partir do volume radialmenteinterno da célula 102b para o volume radialmente externo e sai da célula 102batravés do que é normalmente o orifício de entrada 146b e é, então, passadopara o dreno 190. Desse modo, durante essa regeneração da célula 102b, ofluido passa a partir do volume radialmente interno da célula 102b para ovolume radialmente externo e sai da célula 102b através do que énormalmente o orifício de entrada de fluido de deionização 146b e é, então,passado para o dreno 190. A inversão da direção de fluxo provê o benefíciocitado anteriormente de aperfeiçoar a eficácia de regeneração e evitar acontaminação da primeira água provida durante o ciclo de deionização.

O controlador 170 também pode controlar a taxa do fluido queflui para dentro da primeira célula 102a operada no modo de deionização, porexemplo, para controlar a taxa na qual o fluido deionizado a partir da célula102a é passado para dentro da célula 102b que está sendo regenerada, ou viceversa. Alternativamente, o controlador 170 pode controlar a taxa do fluidopassado para dentro da segunda célula 102b usando uma válvula (nãomostrada) colocada no caminho de fluido entre o orifício 148a da célula Aeoorifício 148b da célula B. Em uma versão, o controlador 170 mantém umataxa de fluxo do fluido para dentro das células 102a, b que é suficientementealta para evitar a precipitação dos sólidos, por exemplo, carbonato de cálcio,nas células 102a, b durante um ou mais ciclos de deionização e regeneração.

O fluxo do fluido mantém a solubilidade dos compostos contendo cálcio nofluido, reduzindo, desse modo, o acúmulo de precipitados contendo cálcio e"incrustações" sobre as paredes interiores das células eletroquímicas 102a, b.

Reagente inibidor de incrustação alimentado durante aregeneração

A incrustação se acumula lentamente nas células 102, filtros160, tubos e outros componentes do aparelho 100 quando tratando água dura.A água dura compreende íons de metal multivalentes como cálcio, magnésio emanganês em adição aos anions como carbonato, bicarbonato e sulfatos. Aincrustação se forma durante a regeneração quando as concentrações dos íonsmultivalentes e carbonatos rejeitados a partir das membranas de divisão deágua são as mais altas, e é particularmente prevalente a pHs mais altos queI formam carbonatos (a partir de bicarbonato). Para reduzir a taxa de formaçãode incrustação nos cartuchos e células 102, um reagente inibidor deincrustação que inibe ou remove a formação de incrustação pode seradicionado ao fluido entrando em uma célula 102, por exemplo, durante ociclo de regeneração. O reagente inibidor de incrustação pode ser um ácido,como ácido forte, por exemplo, ácido clorídrico, ácido fosfórico, ou ácidosulfurico; ácidos fracos como ácido cítrico, ácido sulfâmico ou ácido málico;ou outros reagentes como fosfatos. A adição do reagente inibidor deincrustação durante a regeneração pode ser contínua ou em etapasdescontínuas, como gotas curtas, e pode ter lugar por todo o ciclo deregeneração ou somente durante uma porção do ciclo de regeneração. Osistema de gotejamento de inibidor de incrustação também pode gotejarreagente inibidor de incrustação para dentro do fluido durante um ciclo dedeionização.

O sistema de gotejamento de inibidor de incrustação podeadicionar o reagente inibidor de incrustação ao fluido usando o sistema degotejamento descrito anteriormente. Um método particularmente útil paraminimizar o consumo de reagente e, desse modo, reduzir a manutenção decélula 102 é adicionar ácido à água de alimentação de regeneração parareduzir o pH entre as membranas somente durante a porção da regeneraçãoque produz as concentrações mais altas de carbonatos. Manter o pH a menosI de 7, ou mesmo a menos de 6, ou a menos de 5, pode evitar grandemente aformação de incrustação dentro do cartucho 130 e da célula 102.

A presente invenção foi descrita com referência adeterminadas versões preferidas da mesma; entretanto, outras versões sãopossíveis. Por exemplo, o aparelho e os métodos podem ser usados em outrostipos de aplicações, como ficará visível para alguém experiente na técnica,como, por exemplo, processos para remover outros materiais ou espécies apartir de fluidos, soluções e pastas aquosas. Outras configurações do aparelho,diferentes modos de interconectar as células eletroquímicas, estruturas deválvula alternativas, e diferentes tipos de membranas também podem serusados. Portanto, o espírito e o escopo das reivindicações anexas não devemser limitados às descrições das versões preferidas apresentadas aqui.

Claims

1. Aparelho de tratamento de fluido, caracterizado pelo fato decompreender:(a) célula eletroquímica compreendendo(i) uma pluralidade de orifícios para fluidos para receber umfluido de entrada e liberar um fluido de saída, o fluido de entradacompreendendo um primeiro nível de microorganismos ativos;(ii) primeiro e segundo eletrodos; e(iii) uma membrana de troca iônica entre os primeiro esegundo eletrodos para tratar o fluido de entrada para formar o fluido desaída;(b) um suprimento de energia para aplicar uma corrente aosprimeiro e segundo eletrodos; e(c) um controlador para controlar o suprimento de energia aser aplicado aos primeiro e segundo eletrodos, uma corrente tendo umadensidade de corrente suficientemente elevada para desativar osmicroorganismos no fluido de modo que o fluido de saída compreenda umsegundo nível de microorganismos ativos menor do que o primeiro nível demicroorganismos ativos no fluido de entrada.

2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato do controlador controlar o suprimento de energia a ser aplicado aosprimeiro e segundo eletrodos, uma corrente tendo uma densidade de correntede cerca de 0,01 a cerca de 20 mA/cm .

3. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato dos primeiro e segundo níveis compreenderem unidades formadorasde colônia por 100 ml de fluido, e pelo fato do segundo nível compreendermenos unidades formadoras de colônia por 100 ml do fluido de saída do que oprimeiro nível de unidades formadoras de colônia por 100 ml do fluido deentrada.

4. Aparelho de acordo com a reivindicação 3, caracterizadopelo fato da densidade de corrente ser suficientemente elevada para impedirum aumento nas unidades formadoras de colônia por 100 ml no fluido desaída e em que fluido de entrada compreende um primeiro nível de ummicroorganismo compreendendo uma contagem de placa de bactériasheterotróficas de pelo menos cerca de 500 Cfu/ ml, e pelo fato do controladorestabelecer a densidade de corrente suficientemente elevada para prover umfluido de saída tendo uma contagem de placa de bactérias heterotróficasmenor do que cerca de 450 Cfu/ ml.

5. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato do controlador estabelecer a densidade de corrente suficientementeelevada para prover um fluido de saída tendo pelo menos duas reduçõeslogarítmicas de contagem de placa de bactérias.

6. Aparelho de tratamento de fluido, caracterizado pelo fato decompreender:(a) uma célula eletroquímica compreendendo:(i) uma pluralidade de orifícios para fluidos para receber umfluido de entrada e liberar um fluido de saída, o fluido de entradacompreendendo uma primeira contagem de placa de bactérias heterotróficas, eo fluido de saída compreendendo uma segunda contagem de placa debactérias heterotróficas;(ii) primeiro e segundo eletrodos; e(iii) uma membrana de troca iônica entre os primeiro esegundo eletrodos para tratar o fluido de entrada para formar o fluido desaída, a membrana de troca iônica compreendendo ambas as superfícies detoca de ânion e cátion;(b) um suprimento de energia para aplicar uma corrente aosprimeiro e segundo eletrodos; e(c) um controlador para controlar o suprimento de energiasuprindo uma corrente aos primeiro e segundo eletrodos para obter uma quedade potencial elétrico de pelo menos cerca de 0,05 volts/membrana e que sejasuficientemente elevada para impedir substancialmente um aumento nacontagem de placa de bactérias heterotróficas no fluido de saída, de modo que uma segunda contagem de placa de bactérias heterotróficas no fluido de saídaseja menor do que a primeira contagem de placa de bactérias heterotróficas nofluido de entrada.

7. Aparelho de tratamento de fluido, caracterizado pelo fato decompreender:(a) uma célula eletroquímica compreendendo(i) orifícios para fluidos para receber um fluido de entrada eliberar um fluido de saída, o fluido de entrada tendo um primeiro nível de ummicroorganismo;(ii) membrana divisória de água; e(iii) primeiro e segundo eletrodos ao redor da membranadivisória de água;(b) uma válvula para controlar o fluxo de fluido de entradapara um orifício para fluido da célula eletroquímica;(c) um suprimento de energia para suprir uma corrente aosprimeiro e segundo eletrodos; e(d) um controlador para operar a válvula para escoar o fluidode entrada para um orifício para fluido da célula eletroquímica para prover umtempo de residência do fluido na célula de pelo menos 0,05 minutos, enquantocontrolando o suprimento de energia para suprimento aos primeiro e segundoeletrodos, uma corrente tendo uma densidade de corrente de cerca de 0,01 acerca de 20 mA/cm , e que é suficientemente elevada para desativarmicroorganismos no fluido de entrada para prover um fluido de saída tendopelo menos uma redução logarítmica de microorganismos para o tempo deresidência de fluido de pelo menos 0,05 minutos.

8. Método de tratamento de um fluido tendo um primeiro nívelde microorganismos ativos, em uma célula eletroquímica compreendendouma membrana divisória de água entre um par de eletrodos, o métodocaracterizado pelo fato de compreender;(a) expor o fluido à membrana divisória de água; e(b) aplicar uma corrente através do fluido via o par deeletrodos, a corrente tendo uma densidade de corrente suficientementeelevada para desativar os microorganismos no fluido de entrada para formarum fluido de saída tendo um segundo nível de microorganismos ativos menordo que o primeiro nível de microorganismos ativos.

9. Método de tratamento de um fluido de entrada,caracterizado pelo fato de compreender uma primeira contagem de placa debactérias heterotróficas ativas, em uma célula eletroquímica compreendendoum par de eletrodos ao redor de uma membrana divisória de águacompreendendo superfícies de troca de ânion e cátion, e o métodocompreendendo:(a) escoar o fluido de entrada passando por ambas assuperfícies de ânion e cátion da membrana divisória de água; e(b) manter através das superfícies de troca de cátion e ânion damembrana divisória de água uma queda de potencial elétrico de pelo menoscerca de 0,05 volts/membrana e que é suficientemente elevada parasubstancialmente impedir um aumento na contagem de placa de bactériasheterotróficas no fluido de saída, de modo que uma segunda contagem deplaca de bactérias heterotróficas no fluido de saída seja menor ou igual àprimeira contagem de placa de bactérias heterotróficas no fluido de entrada.

10. Aparelho de tratamento de fluido, caracterizado pelo fatode compreender:(a) uma célula eletroquímica compreendendo um alojamentotendo orifícios para fluido, um par de eletrodos, e uma membrana divisória deágua entre os eletrodos;(b) um filtro conectado a um orifício para fluido da célulaeletroquímica;(c) suprimento de energia para suprir uma corrente aoseletrodos da célula;(d) uma válvula para controlar o fluxo de fluido através dosorifícios para fluido da célula; e(e) um controlador para controlar a válvula e o suprimento deenergia, onde o controlador:(1) em um estágio de deionização de fluido, opera a válvulapara escoar fluido para um orifício para fluido da célula enquanto controlandoo suprimento de energia para suprir uma corrente aos eletrodos para deionizaro fluido para formar fluido deionizado que é liberado em outro orifício parafluido; e(2) em um estágio de regeneração, opera a válvula para proverfluido para um orifício para fluido da célula enquanto controlando osuprimento de energia para suprir uma corrente aos eletrodos para regenerar amembrana de troca iônica para formar fluido de rejeito regenerado que éliberado em outro orifício.

11. Aparelho de acordo com a reivindicação 10, caracterizadopelo fato do filtro compreender pelo menos um dentre:(a) um filtro de sedimento;(b) um filtro de carvão ativado;(c) um filtro de meio seletivo de íon; ou(d) uma célula de filtração por osmose inversa.

12. Aparelho de acordo com a reivindicação 10, caracterizadoadicionalmente pelo fato de compreender uma célula antimicrobiana.

13. Método de filtração de fluido em uma célula eletroquímicatendo uma membrana divisória de água entre um par de eletrodos, o métodocaracterizado pelo fato de compreender:(a) deionizar o fluido pela passagem do fluido através dacélula eletroquímica enquanto suprindo uma corrente aos eletrodos da célulapara deionizar o fluido enquanto desativando microorganismos no fluido;(b) passar o fluido através de um filtro de carvão ativado;(c) passar o fluido através de um filtro de sedimento; e(d) expor o fluido a radiação ultravioleta.

14. Aparelho de tratamento de fluido para tratar um fluido, oaparelho caracterizado pelo fato de compreender:(a) uma célula eletroquímica compreendendo(i) orifícios para fluido para receber o fluido, o fluido tendoum primeiro nível de microorganismos ativos;(ii) primeiro e segundo eletrodos; e(iii) membrana divisória de água entre os primeiro e segundoeletrodos;(b) suprimento de energia para suprir uma corrente aosprimeiro e segundo eletrodos;(c) um controlador para controlar o suprimento de energia aser aplicado aos primeiro e segundo eletrodos, uma corrente tendo umadensidade de corrente suficientemente elevada para desativarmicroorganismos no fluido na célula eletroquímica; e(d) uma célula antimicrobiana compreendendo uma fonte deum agente antimicrobiano para expor o fluido a um agente antimicrobiano.

15. Aparelho de acordo com a reivindicação 14, caracterizadopelo fato do agente antimicrobiano compreender pelo menos um dosseguintes:(1) íons de haleto;(2) cloreto de sódio;(3) N-halamina;(4) um oxidante; e(5) íon de prata.

16. Aparelho de acordo com a reivindicação 14, caracterizadopelo fato do agente antimicrobiano ser incorporado a membrana divisoria deágua da célula eletroquímica.

17. Método de tratamento de um fluido para desativarmicroorganismos, em uma célula eletroquímica compreendendo eletrodos aoredor de uma membrana divisória de água tendo superfícies de troca de ânione cátion, o método caracterizado pelo fato de compreender:(a) expor o fluido à membrana divisória de água enquantoaplicando uma corrente através do fluido, a corrente tendo uma densidade decorrente suficientemente elevada para desativar os microorganismos nofluido; e(b) expor o fluido a um agente antimicrobiano.

18. Aparelho de tratamento de fluido, caracterizado pelo fatode compreender:(a) uma célula eletroquímica compreendendo um alojamentotendo uma pluralidade de orifícios, e uma membrana de troca iônica entre umpar de eletrodos;(b) suprimento de energia para suprir uma corrente aoseletrodos;(c) uma válvula para controlar o fluxo de fluido através dosorifícios da célula; e(d) um controlador para:(1) em um ciclo de deionização, abrir a válvula para escoarfluido para um orifício da célula enquanto controlando o suprimento deenergia para suprir uma corrente tendo uma densidade de corrente ao par deeletrodos para formar fluido deionizado que é liberado em outro orifício; e(2) em um ciclo de pós-deionização, fechar a válvula parasubstancialmente interromper o fluxo de fluido para a célula, enquantocontinuando a controlar o suprimento de energia para suprir uma corrente dedeionização aos eletrodos por um período de tempo.

19. Método de tratamento de um fluido conduzido em umacélula eletroquímica, o método caracterizado pelo fato de compreender:(a) escoar fluido para a célula enquanto mantendo umacorrente na célula para deionizar o fluido;(b) interromper o fluxo de fluido para a célula e permitir quefluido residual permaneça na célula; e(c) após interromper o fluxo de fluido para a célula, continuara suprir uma corrente de deionização através da célula por um período detempo.

20. Aparelho de tratamento de fluido, caracterizado pelo fatode compreender:(a) uma célula eletroquímica compreendendo um primeiroorifício confinando com uma parede externa cilíndrica, um segundo orifícioconfinando com uma parede interna tubular, um primeiro eletrodo adjacente àparede externa cilíndrica, um segundo eletrodo ao redor da parede internacilíndrica, e uma membrana de troca iônica enrolada em espiral entre oseletrodos;(b) um suprimento de energia para suprir uma corrente aoseletrodos da célula;(c) uma válvula para controlar o fluxo de fluido através dosorifícios da célula; e(d) um controlador para controlar o suprimento de energia eválvula para:(1) em um ciclo de deionização, escoar fluido para o segundoorifício de modo que o fluido se desloque da parede interna tubular para aparede externa cilíndrica para ser liberado no primeiro orifício, enquantosuprindo uma corrente aos eletrodos para deionizar o fluido; e(2) em um ciclo de regeneração, escoar fluido para o primeiroorifício de modo que o fluido se desloque da parede externa cilíndrica para aparede interna tubular para ser liberado no segundo orifício, enquantosuprindo uma corrente aos eletrodos para regenerar a membrana de trocaiônica enrolada em espiral.

21. Aparelho de tratamento de fluido, caracterizado pelo fatode compreender:(a) uma célula eletroquímica compreendendo um alojamento tendo uma pluralidade de orifícios, e uma membrana de troca iônica entre umpar de eletrodos;(b) suprimento de energia para suprir uma corrente aoseletrodos da célula;(c) uma válvula para controlar o fluxo de fluido através dos orifícios da célula; e(d) um controlador para:(1) em um ciclo de deionização de fluido, operar a válvulapara escoar fluido para um orifício da célula enquanto controlando osuprimento de energia para suprir uma corrente aos eletrodos para deionizar ofluido para formar fluido deionizado que é liberado por outro orifício; e(2) em um ciclo de regeneração, operar a válvula para proveruma rajada temporizada de fluido para um orifício da célula, a rajadatemporizada compreendendo abrir a válvula por um período de tempo menordo que o tempo de ciclo de regeneração, e depois fechar a válvula, enquantocontrolando o suprimento de energia para suprir uma corrente aos eletrodospara regenerar a membrana de troca iônica para formar fluido regenerado queé liberado por outro orifício.

22. Aparelho de acordo com a reivindicação 21, caracterizadopelo fato de, em (d) (2) o controlador operar a válvula para prover umapluralidade de rajadas temporizadas de fluido no tempo de ciclo deregeneração.

23. Aparelho de acordo com a reivindicação 21, caracterizadopelo fato de, em (d) (2), o controlador operar a valvula para prover rajadastemporizadas de fluido por períodos de tempo de cerca de 0,1 a cerca de 40segundos.

24. Aparelho de acordo com a reivindicação 21, caracterizadopelo fato de que, em (d) (2), o controlador opera a válvula para prover rajadastemporizadas do fluido para diferentes períodos de tempo durante o tempo deciclo de regeneração.

25. Aparelho de acordo com a reivindicação 21, caracterizadopelo fato de que o controlador opera a válvula para prover rajadastemporizadas do fluido durante um estágio de regeneração que é pelo menoscerca de 2 vezes mais longo do que o período de tempo durante um outroestágio de regeneração.

26. Aparelho de acordo com a reivindicação 21, caracterizadopelo fato de compreender adicionalmente um sensor de fluxo que mede umavazão através da primeira célula e envia um sinal de fluxo para o controladoroperar a válvula para ajustar a duração das rajadas temporizadas de fluido.

27. Aparelho de acordo com a reivindicação 21, caracterizadopelo fato de compreender adicionalmente uma segunda célula eletroquímicacompreendendo um alojamento tendo uma pluralidade de orifícios, um par deeletrodos, e uma membrana de troca iônica entre os eletrodos, eonde o controlador controla o suprimento de energia e aválvula para deionizar o fluido na segunda célula em um ciclo de deionizaçãoe passa o fluido deionizado pelo orifício da primeira célula que está em umciclo de regeneração.

28. Método de operação de uma célula eletroquímicacompreendendo um par de eletrodos acerca de uma membrana de troca iônica,o método caracterizado pelo fato de compreender:(a) em um ciclo de deionização de fluido, passar o fluido paradentro da célula enquanto energizando os eletrodos para deionizar o fluidopara formar fluido deionizado; e(b) em um ciclo de regeneração, prover uma rajadatemporizada do fluido para dentro da célula enquanto energizando oseletrodos para regenerar a membrana de troca iônica.

29. Aparelho de tratamento de fluido, caracterizado pelo fatode compreender:(a) uma célula eletroquímica compreendendo um alojamentotendo uma pluralidade de orifícios, e uma membrana de troca iônica entre umpar de eletrodos;(b) um suprimento de energia para suprir uma corrente aoseletrodos da célula;(c) uma válvula para controlar o fluxo do fluido através dosorifícios da célula; e(d) um controlador para:(1) em um ciclo de deionização, abrir a válvula para escoar ofluido para dentro de um orifício da célula enquanto controlando o suprimentode energia para suprir uma corrente para os eletrodos para deionizar o fluidopara formar fluido deionizado que é liberado em um outro orifício;(2) em um ciclo de regeneração, abrir a válvula para escoar ofluido para dentro de um orifício da célula e controlar o suprimento de energiapara:(i) em uma etapa de regeneração principal, suprir uma correntetendo uma polaridade para os eletrodos para regenerar a membrana de trocaiônica para formar fluido regenerado que é liberado em um outro orifício; e(ii) em uma etapa de pós-regeneração, inverter a polaridade dacorrente, por meio do que a concentração de íons residuais no fluido na célulaé reduzida.

30. Aparelho de tratamento de fluido, caracterizado pelo fatode compreender:(a) uma célula eletroquímica compreendendo um alojamentotendo entrada e orifícios para fluido deionizado, e uma membrana de trocaiônica entre os primeiro e segundo eletrodos, o primeiro eletrodo sendoadjacente ao orifício de entrada e o segundo eletrodo adjacente ao orifíciopara fluido deionizado;(b) um suprimento de energia para suprir uma corrente aoseletrodos da célula;(c) uma válvula para controlar o fluxo de fluido através dosorifícios para fluido de entrada e deionizado da célula; e(d) um controlador para:(1) em um ciclo de deionização, abrir a válvula para escoar ofluido para dentro do orifício para fluido de entrada da célula enquantocontrolando o suprimento de energia para suprir uma corrente tendo umaprimeira polaridade positiva ao primeiro eletrodo para deionizar o fluido paraformar fluido deionizado que é liberado no orifício para fluido deionizado;(2) em um ciclo de regeneração, abrir a válvula para escoar ofluido para dentro do orifício para fluido deionizado da célula enquantocontrolando o suprimento de energia para suprir uma corrente tendo umaprimeira polaridade positiva ao segundo eletrodo para regenerar a membranade troca iônica para formar fluido regenerado que é liberado a partir doorifício de entrada.

31. Aparelho de tratamento de fluido, caracterizado pelo fatode compreender:(a) uma célula eletroquímica compreendendo um alojamentotendo entrada e orifícios para fluido deionizado, e uma membrana de trocaiônica entre os primeiro e segundo eletrodos, o primeiro eletrodo sendoadjacente ao orifício de entrada e o segundo eletrodo adjacente ao orifíciopara fluido deionizado;(b) um suprimento de voltagem variável que provê umavoltagem de corrente contínua modulada no tempo aos eletrodos da célula,voltagem de corrente contínua modulada no tempo tendo uma polaridadeúnica que permanece tanto positiva quanto negativa;(c) uma válvula para controlar o fluxo de fluido através dosorifícios para fluido de entrada e deionizado da célula; e(d) um controlador para, em um ciclo de deionização, abrir aválvula para escoar o fluido para dentro do orifício para fluido deionizado dacélula enquanto controlando o suprimento de voltagem variável para supriruma voltagem de corrente contínua modulada no tempo aos eletrodos dacélula.

32. Aparelho de acordo com a reivindicação 31, caracterizadopelo fato de que o controlador abre a válvula para escoar o fluido deionizadopara dentro do orifício para fluido deionizado.

33. Aparelho de acordo com a reivindicação 31, caracterizadopelo fato de que o segundo eletrodo é mantido a uma polaridade positiva.

34. Aparelho de acordo com a reivindicação 31, caracterizadopelo fato de que a corrente modulada no tempo compreende uma primeiracorrente e uma segunda corrente, e onde a primeira corrente é maior do que asegunda corrente.

35. Aparelho de tratamento de fluido, caracterizado pelo fatode compreender:(a) uma célula eletroquímica compreendendo um alojamentotendo uma pluralidade de orifícios, e uma membrana de troca iônica entre umpar de eletrodos;(b) um suprimento de energia para suprir uma corrente aoseletrodos;(c) uma válvula para controlar o fluxo do fluido através dosorifícios da célula; e(d) um controlador para:(1) em um ciclo de deionização, abrir a válvula para escoar ofluido para dentro de um orifício da célula enquanto controlando o suprimentode energia para suprir uma corrente tendo uma densidade de corrente para opar de eletrodos para formar fluido deionizado que é liberado em um outroorifício; e(2) em um ciclo de regeneração, abrir a válvula para suprirfluido deionizado para um orifício enquanto controlando o suprimento deenergia para suprir uma corrente de regeneração modulada aos eletrodos.

36. Aparelho de tratamento de fluido, caracterizado pelo fatode compreender:(a) primeira e segunda células eletroquímicas, cada célulaeletroquímica compreendendo:(i) um alojamento compreendendo um par de eletrodos;(ii) uma membrana divisora de água entre os eletrodos; e(iii) uma entrada de fluido e uma saída de fluido;(b) um suprimento de energia para suprir corrente aoseletrodos das primeira e segunda células eletroquímicas;(c) um sistema de válvula compreendendo uma pluralidade deválvulas solenóides compreendendo:(d) um controlador para controlar (i) o suprimento de energiapara ligar e desligar o suprimento de energia, e regular uma corrente aplicadapelo suprimento de energia aos eletrodos das primeira e segunda célulaseletroquímicas, e (ii) controlar a pluralidade das válvulas solenóides dosistema de válvula para regular o fluxo do fluido através das primeira esegunda células eletroquímicas.

37. Aparelho de acordo com a reivindicação 36, caracterizadopelo fato de compreender adicionalmente um sensor de fluxo de fluido paramedir uma vazão do fluido passando através das células eletroquímicas.

38. Aparelho de acordo com a reivindicação 36, caracterizadopelo fato de compreender adicionalmente um sensor de pressão para mediruma pressão do fluido.

39. aparelho de acordo com a reivindicação 36, caracterizadopelo fato de compreender adicionalmente um tanque de contenção de fluido, eonde o sensor de pressão é montado no tanque para medir uma pressão dofluido no tanque.

40. Aparelho de acordo com a reivindicação 36, caracterizadopelo fato de compreender adicionalmente pelo menos um de:(1) um filtro de sedimento para filtrar particulados para fora dofluido;(2) um filtro de carvão ativado;(3) um filtro antimicrobiano de ultravioleta;(4) uma célula N-halamina

41. Aparelho de acordo com a reivindicação 36, caracterizadopelo fato de compreender adicionalmente um componente de dosagem comuma válvula solenóide de dosagem para suprir periodicamente oucontinuamente uma dose de um agente antimicrobiano ao fluido.

42. Aparelho de acordo com a reivindicação 36, caracterizadopelo fato de compreender um primeiro suprimento de energia conectadosomente à primeira célula eletroquímica, e um segundo suprimento de energiaconectado somente à segunda célula eletroquímica.

43. Aparelho de tratamento de fluido, caracterizado pelo fatode compreender:(a) uma célula eletroquímica compreendendo(i) uma pluralidade de orifícios para fluido para receber umfluido de entrada e liberar um fluido de saída;(ii) um primeiro par de eletrodos interno e externo que sãocompostos, cada um, do mesmo primeiro material;(iii) um segundo par de eletrodos interno e externo que sãocompostos, cada um, do mesmo segundo material, que é um material diferentedo primeiro material; e(iiii) uma membrana de troca iônica entre os primeiro esegundo pares dos eletrodos interno e externo para tratar o fluido de entradapara formar o fluido de saída; e(b) um suprimento de energia para suprir uma corrente paraoperar o primeiro par de eletrodos interno e externo somente como um anodo,e o segundo par de eletrodos interno e externo somente como um catodo.

44. Aparelho de acordo com a reivindicação 43, caracterizadopelo fato de que o primeiro par de eletrodos interno externo compreendeanodos dimensionalmente estáveis.

45. Aparelho de acordo com a reivindicação 43, caracterizadopelo fato de que o segundo par de eletrodos interno e externo é composto decarbono ou aço inox.

46. Aparelho de tratamento de fluido, caracterizado pelo fatode compreender:(a) uma célula eletroquímica compreendendo um alojamentotendo uma pluralidade de orifícios, e uma membrana de troca iônica entre umpar de eletrodos;(b) um suprimento de energia para suprir uma corrente aoseletrodos;(c) uma válvula para controlar o fluxo do fluido através dosorifícios da célula;(d) um sistema de gotejamento inibidor de incrustação paragotejar um reagente inibidor de incrustação para dentro do fluido para inibir aformação de incrustação na célula eletroquímica; e(d) um controlador para:(1) em um ciclo de deionização, abrir a válvula para escoar ofluido para dentro de um orifício da célula enquanto controlando o suprimentode energia para suprir uma corrente tendo uma densidade de corrente para opar de eletrodos para formar fluido deionizado que é liberado em um outroorifício; e(2) em um ciclo de regeneração, abrir a válvula para suprirfluido deionizado para um orifício enquanto controlando o suprimento deenergia para suprir uma corrente de regeneração modulada aos eletrodos.

47. Aparelho de acordo com a reivindicação 46, caracterizadopelo fato de que o sistema de gotejamento inibidor de incrustação goteja umreagente inibidor de incrustação para dentro do fluido durante o ciclo deregeneração.

48. Aparelho de acordo com a reivindicação 47, caracterizadopelo fato de que o reagente inibidor de incrustação compreende um fosfato,um ácido clorídrico, um ácido fosfórico, um ácido sulfurico, um ácido cítrico,um ácido sulfâmico ou um ácido málico.

49. Aparelho de tratamento de fluido, caracterizado pelo fatode compreender:(a) uma célula eletroquímica compreendendo um alojamentotendo uma pluralidade de orifícios, um par de eletrodos, e uma membrana detroca iônica entre os eletrodos;(b) um suprimento de energia para suprir uma corrente aoseletrodos da célula;(c) uma válvula para controlar o fluxo do fluido através dosorifícios da célula;(d) um sensor de temperatura para medir uma temperatura dofluido e gerar um sinal de temperatura; e(e) um controlador para controlar o suprimento de energia eválvula para:(1) em um ciclo de deionização, abrir a válvula para escoar ofluido para dentro de um orifício da célula enquanto controlando o suprimentode energia para suprir uma corrente aos eletrodos para deionizar o fluido paraformar fluido deionizado que é liberado em um outro orifício;(2) em um ciclo de regeneração, abrir a válvula para escoarfluido para dentro de um orifício da célula e controlar o suprimento de energiapara suprir uma corrente aos eletrodos para regenerar a membrana de trocaiônica para formar fluido regenerado que é liberado em um outro orifício, eonde em qualquer um dos, ou em ambos os ciclos dedeionização e regeneração, o controlador recebe o sinal de temperatura eseleciona a corrente suprida aos eletrodos em relação ao sinal de temperatura.