ES2326392T3

ES2326392T3 - Sistema de reactores electroliticos de membrana con cuatro camaras.

Info

Publication number: ES2326392T3
Application number: ES06842785T
Authority: ES
Inventors: Ralph Bohnstedt; Urs Surbeck; Reinhard Bartsch
Original assignee: E C A S Srl; Ecas Srl
Current assignee: E C A S Srl; Ecas Srl
Priority date: 2005-12-30
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2009-10-08
Anticipated expiration: 2026-11-29
Also published as: JP2009522084A; HRP20090435T1; EP1969159A2; DK1969159T3; WO2007077587A3; SI1969159T1; JP4904367B2; PL1969159T3; DE602006006872D1; HK1122073A1; BRPI0621161B1; CA2635366A1; US20100065421A1; EP1969159B1; ITRM20050666A1; PT1969159E; WO2007077587A2; CA2635366C; ATE431447T1; BRPI0621161A2

Abstract

Reactores electrolíticos de membrana con cuatro cámaras con desgasificación ajustable para la producción de productos en disolución desinfectantes de pH neutro, activando electroquímicamente salmuera débil para su uso en la desinfección de agua potable y superficies, caracterizados porque están constituidos por dos mitades (5 y 6), que están acopladas entre sí para formar el lado de cátodo inferior y el lado de ánodo superior respectivamente, de un reactor electrolítico, mecanizándose las cámaras (7 y 8) de cátodo en la mitad 5, y mecanizándose las cámaras (9 y 10) de ánodo en la mitad 6, y estando interpuestas dos semicámaras (11) entre estas cámaras (7 y 8) de cátodo y cámaras (9 y 10) de ánodo en cada lado del reactor, que forman una cámara (11) de desgasificación cuando se acoplan las mitades entre sí; en este estado, cada cámara (7 y 8) de cátodo está separada de la cámara (10 y 9) de ánodo opuesta por una membrana (12) de intercambio catiónico selectiva ubicada entre los electrodos (16) del lado de cátodo y electrodos (15) del lado de ánodo, estando interpuestas un par de paredes (14) con vórtex y de separación.

Description

Sistema de reactores electrolíticos de membrana con cuatro cámaras.

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Esta invención se refiere al campo de la electrolisis química, y en particular al tratamiento electrolítico de salmuera débil para la producción de disoluciones de pH neutro para su uso en la desinfección de agua y superficies.

Se conoce la producción de disoluciones desinfectantes que contienen cloro, mediante el tratamiento electrolíticos dentro de células, cuyas cámaras de ánodo y cátodo están separadas por una pared divisora, una membrana o un diafragma selectivo para iones.

Estas disoluciones se regeneran a menudo en diversas concentraciones a partir de disoluciones acuosas de salmuera y se aplican en la desinfección de agua potable y superficies. Con este fin se usan diversos sistemas de parámetros de proceso y células electrolíticas. Los sistemas se distinguen esencialmente por la presencia de células redondas o células planas.

A diferencia de la electrolisis industrial en la producción de gas cloro (y la aplicación resultante en grandes industrias) y la producción de disoluciones de hipoclorito que (una vez que se han estabilizado necesariamente con álcalis) están disponibles en el mercado en botes, estos sistemas se incorporan a menudo en redes de tuberías pequeñas en el ámbito de ciertos proyectos para cumplir requisitos particulares, es decir, especificaciones y características del producto de la electrolisis.

Las excelentes características biocidas y fungicidas de estos productos, así como su eficacia en la lucha moderna contra los riesgos de contaminación (particularmente en el campo del agua potable y la higiene pública) están suficientemente documentadas en publicaciones especializadas. En este contexto, debe destacarse especialmente que una disolución producida a través de células de membrana, que está disponible inmediatamente, tiene unas especificaciones desinfectantes mayores que dos potencias logarítmicas en comparación con las disoluciones de hipoclorito en el mercado, que tienen un contenido idéntico en cloro activo.

Evaluación del estado de la técnica

Varios productores de dispositivos usan células tubulares de Rusia, tal como se ilustra en la descripción de la patente DE 69609841T. Sin embargo, estas células tienen la desventaja de que su rendimiento está relacionado con sus dimensiones, lo que hace necesario usar más elementos para mejorar el rendimiento, lo que conduce entonces a problemas de compatibilidad y dificultades tecnológicas durante su instalación. Además, existen varios tipos de las células planas mencionadas anteriormente (por ejemplo, documento DE 7110972 U - dispositivo para la producción de blanqueador mediante la electrolisis de una disolución acuosa) que, si están sometiéndose a tratamiento volúmenes grandes, puede mejorarse y por tanto aumentarse su rendimiento; sin embargo, el producto de la electrolisis no obtiene la calidad deseada. En particular, no obtiene las características químicas necesarias para garantizar que el tratamiento de tuberías de agua esté libre de los efectos de la corrosión.

Por tanto puede concluirse que los dispositivos y los procedimientos disponibles actualmente en el mercado tienen las siguientes desventajas:

-: para aumentar la capacidad de tratamiento es necesario conectar varias células convencionales y esto conduce a desventajas significativas de construcción y producción en la medida que las conexiones hidráulicas de estos dispositivos producidos en la Federación Rusa no cumplen las normas europeas ni internacionales;

-: las células planas disponibles en el mercado producen un único producto, cuyas propiedades ácidas han provocado un daño por corrosión sustancial con un fuerte impacto económico cuando se han usado, por ejemplo, en desinfección;

-: actualmente, la producción de la disolución activada electroquímicamente y neutra es todavía sólo posible mezclando las partes obtenidas del proceso de separación electroquímico, es decir, el mezclado del componente ácido y el componente alcalino pero que, sin embargo, conduce a una disminución sustancial en el efecto desinfectante.

Descripción de la invención

El fin principal de esta invención es crear un bloque de células electrolíticas para satisfacer todo lo que se requiera para la producción de una disolución desinfectante económicamente efectiva y eficaz que tenga un pH neutro y por tanto sea respetuosa con el medio ambiente.

Otro fin de la invención es cumplir el requisito de permitir la reproducibilidad industrial a tamaños pequeños y garantizar un mantenimiento sencillo y un ensamblaje fácil en estricto cumplimiento de los parámetros de proceso.

Estos fines se consiguen desarrollando e integrando, en un único bloque de reactores, un diagrama de flujo específico que consiste en una secuencia precisa del tratamiento de cátodo y ánodo de la disolución inicial, así como la descarga esencial de los gases producidos durante el proceso.

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Ventajas de la invención

Tal como lo confirman las pruebas llevadas a cabo, esta invención cumple las siguientes funciones y obtiene las siguientes ventajas importantes:

-: la integración de un diagrama de flujo específico en un único bloque de células proporciona ventajas tecnológicas importantes debido a la impermeabilidad hidráulica, un funcionamiento fiable, la monitorización del proceso, así como ventajas en la valoración de la rentabilidad del proceso de producción de bloques de células que puede fabricarse ahora con licencia en instalaciones de tamaño medio;

-: capacidad de control precisa de la desgasificación y por tanto, el valor de pH del producto sometido a electrolisis; por tanto se obtienen valores de potencial redox óptimos sin provocar efectos de corrosión;

-: mayor eficacia de la disolución de pH neutro en comparación con las disoluciones electrolíticas tradicionales;

-: poco residuo de cloruro en la disolución final y por tanto un uso óptimo de la disolución de sal;

-: el uso de electrodos planos y secciones rectangulares en las cámaras de reacción permite una mayor constancia de las líneas de fuerza y por tanto una mayor homogeneidad del producto de electrolisis;

-: el uso de aleaciones de alta calidad reduce el desgaste de los electrodos hasta un mínimo;

-: solidez de los materiales usados;

-: el bloque es resistente a impactos (importante para los dispositivos móviles);

-: fácil de ensamblar y desensamblar.

La descripción de la invención se entenderá mejor haciendo referencia a las tablas de diseño adjuntas que ilustran solamente a modo de ejemplo una forma preferida de realización. En los dibujos:

la figura 1 es una vista isométrica a escala reducida de un bloque de reactores electrolíticos de membrana con cuatro cámaras según la invención;

la figura 1A es una vista en despiece ordenado del bloque de reactores de la figura 1, que muestra los detalles específicos con relación a las dos mitades del bloque;

las figuras 2 y 3 son vistas en sección transversal vertical de las dos mitades respectivas del bloque;

las figuras 4 y 5 son vistas en sección transversal según las líneas generales A-A' y B-B' de la figura 2.

Con respecto a las figuras, el bloque de reactores electrolíticos de membrana con cuatro cámaras, según la invención, tiene el aspecto de una caja paralelepípeda constituida por dos mitades 5 y 6 que se montan una sobre la otra para formar respectivamente la parte inferior de lado de cátodo y la parte superior de lado de ánodo de un reactor electrolítico. En la mitad 5 están las cámaras 7 y 8 de cátodo, mientras que en la mitad 6 están las cámaras 9 y 10 de ánodo. Entre las cámaras 7 y 8 de cátodo y las cámaras 9 y 10 de ánodo están interpuestas dos semicámaras 11, que, cuando se acoplan las mitades 5 y 6, forman una cámara 11 de desgasificación. Dos membranas de película selectivas se indican con 12 para intercambio catiónico. Los dos electrodos del lado de ánodo se indican con 15 y los dos electrodos del lado de cátodo se indican con 16. En el espacio entre cada electrodo 15 y 16, y la membrana 12, respectivamente, está ubicada una pared 14 con vórtex y espaciadora. La figura 1a ilustra a modo de ejemplo, la posición recíproca de la membrana 12, los electrodos 15 y 16 y los tejidos 14 de separación, en relación con la primera cámara 7 de cátodo.

En la figura 2 las juntas herméticas de las cámaras se indican con 17, las juntas herméticas de los componentes de conexión se indican con 18, las juntas herméticas de las membranas se indican con 19 y las juntas herméticas de los electrodos se indican con 20.

El suministro de energía eléctrica se proporciona mediante un transformador 21 de red configurado e incorporado de manera adecuada.

Breve sumario de la invención

El agua de entrada completamente desmineralizada saturada con una concentración del 0,4% de sal de alta pureza se conduce en partes iguales a través de la abertura 1 de entrada del bloque de reactores, hacia el interior de las cámaras 7 y 8 de cátodo separadas de las cámaras 9 y 10 de ánodo por la membrana 12 selectiva de intercambio catiónico, y se agitan con vórtex hasta homogeneidad por medio de una pared 14 de separación de tejido montada en las cámaras a ambos lados de la membrana; entonces se hace pasar el agua desde los electrodos 16 del lado de cátodo y, tras descargarse desde el canal 2, se conduce hacia el interior de la cámara 11 de desgasificación. Una cierta cantidad (normalmente el 10-20%) de la disolución tratada que incluye los gases formados durante la reacción, se descarga por medio de la salida 2a ajustable. El flujo residual principal se transporta desde la salida inferior de la cámara 11 de desgasificación en primer lugar hacia el interior de la cámara 9 de ánodo o después hacia el interior de la cámara 10 de ánodo si se somete uniformemente al efecto del voltaje eléctrico creado por los electrodos del lado de ánodo a través de la pared 14 de separación, que puede retirarse entonces como un producto terminado en la salida 4a.

Descripción de la invención

Los diseños, los detalles adicionales y los efectos correspondientes se describen en detalle a continuación:

: El agua de flujo de entrada, que es de una determinada calidad, que es calidad potable, está saturada con aproximadamente 4 g/l de sal y se transporta en determinadas cantidades (que han de establecerse según las dimensiones del reactor) hasta la entrada 1 en la mitad 5 del bloque de reactores cuya abertura está equipada con una rosca interna de 1/4'' y por tanto permite la conexión de tubos convencionales de materiales adecuados.

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Tras el flujo de entrada descrito anteriormente hacia el interior del reactor, el líquido de procesamiento, es decir, el agua que está completamente desmineralizada y saturada con una pequeña adición de sal pura (denominada salmuera débil), se somete al proceso electrolítico inicial, es decir, el tratamiento de cátodo llevado a cabo simultáneamente en las cámaras 7 y 8 de cátodo. Con este fin, la salmuera débil pasará en primer lugar a través del canal 1 de entrada, que es una abertura (cuyo diámetro, con fines informativos, es de 11,5 mm) que comienza aguas abajo de la entrada y pasa transversalmente a lo largo de la parte inferior de la mitad 5 del reactor, y se inyecta entonces simultáneamente al interior de dos cámaras 7 y 8 de cátodo pasando desde las respectivas aberturas 13 de entrada conectadas al mismo canal 1 de entrada. Una ventaja se proporciona por el hecho de que este canal 1 de entrada se mecaniza mecánicamente en la carcasa de la mitad 5 del bloque de reactores, que, en el lado opuesto está cerrada, en línea con la salida de la caja de reactores, con una clavija. Las aberturas 13 de entrada (que, con fines informativos, tienen un diámetro de 2,5 mm)
se calculan de modo que permitan una distribución uniforme del flujo principal entre las dos cámaras 7 y 8.

En una forma preferida de realización, la cantidad de flujo de entrada de la salmuera débil que ha de someterse a tratamiento es de 100 l/h que resulta de la relación entre todos los parámetros que afectan al proceso de producción, tales como el flujo, la carga de sal, el amperaje, el tamaño de las cámaras de reacción, la forma y la distancia de los tejidos para agitación con vórtex y de separación y de las membranas. Para un aumento de tamaño o una reducción de potencia, la razón de tamaño de la implementación se determina proporcionalmente; pruebas en profundidad llevadas a cabo en prototipos demostraron que los siguientes tamaños de dispositivo resultaron ser adecuados: 50 l/h, 100 l/h, 150 l/h, 300 l/h, 600 l/h y 1000 l/h.

Tras el flujo de entrada hacia el interior de las dos cámaras 7 y 8 de reacción en el lado de cátodo, que están, como se mencionó anteriormente, separadas de las de 9 y 10 en el lado de ánodo por una membrana 12, el líquido de proceso se transporta hasta las aberturas 13a de salida superiores de las cámaras a través de la pared 14 para agitación con vórtex y de separación mencionada anteriormente, que está ubicada en el espacio entre el electrodo 16 y la membrana 12.

En este punto, el líquido de proceso se transporta desde las aberturas 13a de salida al canal 2 de salida del subproducto. Como el canal 1 de entrada, este canal de salida consiste en un orificio de perforación continua a través de la parte superior o la parte de arriba de la mitad 5 del reactor, cuyos extremos están, sin embargo, cerrados con clavijas. La válvula 2a de salida está ubicada a mitad de camino en el orificio perforado.

Esta válvula 2a de salida se ajustable y se usa, tal como se describe más adelante en el presente documento, para desgasificar durante el proceso de producción y para descargar el subproducto alcalino del tratamiento electroquímico, que puede usarse entonces con fines de limpieza.

La pared 14 de tejido para agitar con vórtex y de separación permite que la salmuera débil pase homogéneamente entre los electrodos 15 y 16. El resultado es que en las cámaras de reacción se creará el campo eléctrico de una manera homogénea garantizando así la calidad del producto y una vida larga de los electrodos.

El producto, que ha pasado a ser muy alcalino como resultado de la activación electrolítica, se transporta a través de un canal 2 de agrupación de aberturas, hacia el interior de una parte de la cámara 11 de desgasificación; ajustando la válvula 2a de salida en la otra parte, es posible descargar el gas, junto con una pequeña parte del producto alcalino inicial (aproximadamente el 10-20%), que sube hasta la cámara de desgasificación y que se forma en esta fase inicial de tratamiento electrolítico. En la parte inferior de la cámara 11 de desgasificación, un conducto adicional idéntico a la conexión superior entre la cámara 11 y la cámara 2 de salida del subproducto. El líquido del proceso de desgasificación pasa (véase la figura 1a) a través de este conducto 4 y se transporta entonces hasta la segunda cámara 9 de ánodo pasando a través de las aberturas 13 de entrada mencionadas anteriormente de las cámaras en el lado de ánodo. En este punto, el canal 4 está cerrado en el centro y se divide en dos segmentos.

Tras este tratamiento de ánodo inicial se somete la disolución activada a un segundo tratamiento, que se aplica mediante el paso desde la segunda cámara 9 del lado de ánodo a la primera cámara 10 del mismo lado de ánodo, en la dirección de las flechas en la figura 1a. En este punto, el paso marcado con un 3 toma una forma idéntica a los otros orificios 1, 2 y 4 perforados, pero los extremos están cerrados con clavijas apropiadas.

Desde la cámara 10, el producto terminado, es decir, la disolución de pH neutro que está activada electroquímicamente y destinada para fines de desinfección, se retira de la salida marcada con 4a para su uso inmediato. La salida 4a también tiene un roscado interno que permite la conexión de tubos convencionales de materiales adecuados. En la forma de realización preferida ilustrada, este roscado interno es de ¼''.

Tal como se ha mencionado previamente, la caja de reactores está constituida por mitades marcadas con 5 y 6, que se montan una encima de la otra. Para el prototipo final, se usó el material PP (polipropileno) debido a su alta durabilidad y se fresaron o perforaron todas las cámaras, aberturas y canales. Sin embargo, en experimentos, otros materiales comparables tales como el PE (polietileno de alta densidad) mostraron también resultados satisfactorios con respecto a la vida útil o las herramientas necesarias para el fresado. Un método de producción adicional es la fundición a presión, que es ideal para la fabricación en negocios industriales de tamaño medio.

Los electrodos usados en el lado 15 de ánodo están recubiertos con una capa de óxidos de titanio - iridio, mientras que los electrodos en el lado 16 de cátodo son de acero inoxidable Hastelloy 22. El valor de la densidad de corriente máxima de los electrodos se fija a 5,3 KA/m^{2}, las dimensiones de las superficies de los electrodos se calculan proporcionalmente; es decir, para una célula con una capacidad de flujo de 100 l se usa un área superficial de 7701 mm^{2} para los lados tanto de ánodo como de cátodo.

Las membranas 12 del bloque de reactores electrolíticos que son el objeto de esta invención se denominan "membranas de película selectivas para intercambio catiónico" con un espesor, para información, de 140-150 \mum. Estas membranas pueden definirse como "inteligentes" puesto que no tienen un lado de ánodo y de cátodo particular y por tanto tienen direcciones de uso reversibles. En los prototipos, se equiparon películas que proporcionaban la ventaja de un mayor intervalo de presión en comparación con las membranas cerámicas, particularmente están apoyadas por el tejido 14 de separación. Este tejido 14 consiste en un hilo ondulado sintético con un diámetro de 0,5 mm, que forma una red de formas romboidales y que influye significativamente en las condiciones de dinámica de fluido de la cámara de reactor y por tanto en la calidad del producto de electrolisis.

Los transformadores 21 de red, que suministran electricidad al bloque de células, se usan para regular el amperaje. También están equipados con un enfriamiento autónomo, rectifican la corriente eléctrica con una tolerancia del 1% y tienen un valor de tiempo residual nominal del 1%. Por tanto tienen características que, junto con los principios de construcción de la célula y en cumplimiento de los parámetros de proceso y la calidad del líquido de proceso, garantizan que se obtengan las características del producto de electrolisis requerido.

Un prototipo del reactor electrolítico descrito se ha hecho funcionar en las siguientes condiciones: 100 l/h de capacidad de flujo de agua completamente desmineralizada saturada con 4 g/l de sal de alta pureza, amperaje de 50 A con 24 V, y un desviación del 15% en el lado de cátodo. Resultado reproducible de las características del producto: 350 ppm de cloruro activo (medido como Cl_{2}), potencial redox de 800 mV, pH 6,9.

Claims

1. Reactores electrolíticos de membrana con cuatro cámaras con desgasificación ajustable para la producción de productos en disolución desinfectantes de pH neutro, activando electroquímicamente salmuera débil para su uso en la desinfección de agua potable y superficies, caracterizados porque están constituidos por dos mitades (5 y 6), que están acopladas entre sí para formar el lado de cátodo inferior y el lado de ánodo superior respectivamente, de un reactor electrolítico, mecanizándose las cámaras (7 y 8) de cátodo en la mitad 5, y mecanizándose las cámaras (9 y 10) de ánodo en la mitad 6, y estando interpuestas dos semicámaras (11) entre estas cámaras (7 y 8) de cátodo y cámaras (9 y 10) de ánodo en cada lado del reactor, que forman una cámara (11) de desgasificación cuando se acoplan las mitades entre sí; en este estado, cada cámara (7 y 8) de cátodo está separada de la cámara (10 y 9) de ánodo opuesta por una membrana (12) de intercambio catiónico selectiva ubicada entre los electrodos (16) del lado de cátodo y electrodos (15) del lado de ánodo, estando interpuestas un par de paredes (14) con vórtex y de separación.

2. Reactores electrolíticos de membrana con cuatro cámaras según la reivindicación anterior, caracterizados porque la salmuera débil inyectada en la entrada (1) del bloque de reactores se somete a un proceso electroquímico de cátodo único y a un proceso electroquímico de ánodo doble con desgasificación intermitente ajustable en la cámara (11) de desgasificación con una salida (2a) equipada con una llave o válvula de control.

3. Reactores electrolíticos de membrana con cuatro cámaras según las reivindicaciones anteriores, caracterizados porque todas las conexiones hidráulicas necesarias de las cámaras (7, 8) y (9, 10) de reacción y la cámara (11) de desgasificación son acoplamientos constituidos mecánicamente por canales y orificios (1, 2, 3, 4, 13 y 13a) perforados en la carcasa de las dos mitades (5, 6) del bloque de reactores.

4. Reactores electrolíticos de membrana con cuatro cámaras según las reivindicaciones anteriores, caracterizados porque todas las cámaras, aberturas y canales pueden mecanizarse o bien mediante fresado en bloques de polietileno o polipropileno, o bien mediante fundición a presión.

5. Reactores electrolíticos de membrana con cuatro cámaras según las reivindicaciones anteriores, caracterizados porque el valor de pH del producto de electrolisis puede ajustarse mediante la aplicación del diagrama de flujo y la regulación de una válvula de desgasificación.

6. Reactores electrolíticos de membrana con cuatro cámaras según la reivindicación 1, caracterizados porque los electrodos en el lado de ánodo tienen un recubrimiento de óxido de titanio - iridio.

7. Reactores electrolíticos de membrana con cuatro cámaras según la reivindicación 1, caracterizados porque los electrodos en el lado de cátodo están compuestos de acero inoxidable Hastelloy C 22.

8. Reactores electrolíticos de membrana con cuatro cámaras según la reivindicación 1, caracterizados porque la membrana selectiva que separa las cámaras de ánodo y las cámaras de cátodo es una membrana de película de intercambio catiónico selectiva.

9. Reactores electrolíticos de membrana con cuatro cámaras según la reivindicación 1, caracterizados porque el líquido de proceso se transporta hasta una abertura (13) de salida a través de la pared (14) de separación y con vórtex de modo que pasa homogéneamente entre los electrodos (15, 16) y en las cámaras de reacción se produce un campo eléctrico homogéneo.

10. Reactores electrolíticos de membrana con cuatro cámaras según la reivindicación 1, caracterizados porque se usa un transformador (21) de red.

11. Reactores electrolíticos de membrana con cuatro cámaras según la reivindicación 1, caracterizados porque se equipan mecanismos de cierre para evitar una apertura no autorizada del bloque de reactores.