ES3032620T3

ES3032620T3 - Pulsed power supply for hydrogen abatement during electrochemical hypochlorite generation

Info

Publication number: ES3032620T3
Application number: ES18763767T
Authority: ES
Inventors: George Y Gu; Simon Paul Dukes; Joshua Griffis; Michael J Shaw
Original assignee: Evoqua Water Technologies LLC
Current assignee: Evoqua Water Technologies LLC
Priority date: 2017-03-06
Filing date: 2018-03-06
Publication date: 2025-07-22
Anticipated expiration: 2038-03-06
Also published as: US11802063B2; SG11201907477VA; CN110366797A; EP3593401B1; US11414330B2; KR102645213B1; WO2018165092A1; EP3593398C0; EP3593398A1; KR102578933B1; EP3593398B1; KR20190124729A; WO2018165127A1; CN110352523A; CN110366608A; WO2018165118A1; SG11201907475YA; ES3032920T3; JP2020512481A; AU2018231091A1

Abstract

Se describe un método para operar una celda electroquímica que incluye la introducción de una solución acuosa en la celda, la aplicación de una corriente a través de un ánodo y un cátodo para producir un producto, la monitorización del voltaje, el hidrógeno disuelto o una condición de la solución acuosa, y la aplicación de la corriente en una forma de onda pulsada en respuesta a uno de los parámetros medidos. Se describe un sistema electroquímico que incluye una celda electroquímica con un ánodo y un cátodo, una fuente de solución acuosa con una salida conectable fluidamente a la celda, un sensor para medir un parámetro y un controlador configurado para hacer que el ánodo y el cátodo apliquen la corriente en una forma de onda pulsada en respuesta a la medición del parámetro. También se describen métodos para suprimir la acumulación de gas hidrógeno dentro de la celda electroquímica. También se describen métodos para facilitar el funcionamiento de una celda electroquímica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Fuente de alimentación pulsada para la reducción del hidrógeno durante la generación electroquímica de hipoclorito

Campo técnico

Los aspectos y realizaciones divulgados en esta memoria descriptiva se dirigen en general a dispositivos electroquímicos, y más específicamente, a las celdas y dispositivos de electrocloración, métodos de funcionamiento y sistemas que los utilizan. En los documentos Us 2015/266753 A1, US 6200 434 B1 y US 2014/158637 A1, se divulgan ejemplos de tales dispositivos.

Compendio

De acuerdo con un aspecto, se proporciona un método de funcionamiento de una celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 1. El método comprende la introducción de una solución acuosa en una celda electroquímica entre un ánodo y un cátodo de la celda electroquímica, aplicar una corriente a través del ánodo y el cátodo a una tensión suficiente para generar un compuesto de producto a partir de la solución acuosa en la celda electroquímica, controlar al menos un parámetro seleccionado del grupo que consiste en la tensión, una concentración de hidrógeno disuelto en una solución de producto generada en la celda electroquímica, y una condición de la solución acuosa asociada con la producción de hidrógeno gaseoso, y aplicar la corriente a través del ánodo y el cátodo en una forma de onda pulsada que responda a que al menos un parámetro está fuera de un intervalo predeterminado.

El método comprende seleccionar la condición de la solución acuosa desde el grupo que comprende el caudal, la concentración de oxígeno disuelto, la concentración de hidrógeno disuelto, el pH, el potencial de oxidaciónreducción (ORP, por sus siglas en inglés) y la temperatura de la solución acuosa que se introduce en la celda electroquímica. El método puede además comprender el control de uno o más de una duración de pulsos de corriente, una frecuencia de incidencia de corriente pulsada, y una magnitud de la corriente aplicada a través del ánodo y el cátodo basada en la condición de la solución acuosa. El método puede además comprender el control de una frecuencia de introducción de la solución acuosa basada en la condición de la solución acuosa.

En algunas realizaciones, el método comprende la selección del intervalo predeterminado que sea suficiente para impedir la generación de hidrógeno gaseoso en la celda electroquímica.

El método puede comprender el control de uno o más de una duración de pulsos de corriente, una frecuencia de incidencia de la corriente pulsada, y una magnitud de la corriente aplicada a través del ánodo y el cátodo basada en al menos uno de un caudal de la solución acuosa, la tensión y la concentración de hidrógeno disuelto en la solución de producto.

El método puede comprender el control de la frecuencia de introducción de la solución acuosa en la celda electroquímica basándose al menos en uno o más de los caudales de salida de la solución de producto de la celda electroquímica, una concentración de un compuesto de producto en la solución de producto, y una concentración de cloruro en la solución acuosa.

En algunas realizaciones, el método puede comprender la introducción de un agente oxidante en la solución acuosa aguas arriba de la celda electroquímica. La introducción del agente oxidante puede comprender la introducción de uno o más de oxígeno gaseoso, ozono, aire, aire enriquecido con oxígeno y peróxido de hidrógeno en la solución acuosa.

El método puede comprender la aplicación de corriente a través del ánodo y el cátodo en una forma de onda pulsada que responde a la tensión que está fuera de un intervalo de aproximadamente 0,5 V y 4,0 V.

Aquí se ha divulgado, pero no reivindicado, un método para suprimir la acumulación de hidrógeno gaseoso en una celda de electrocloración. El método puede comprender la introducción de un electrolito líquido en una celda de electrocloración entre un ánodo y un cátodo de la celda de electrocloración, controlar al menos un parámetro seleccionado del grupo que consiste en una tensión aplicada a través del ánodo y del cátodo, una concentración de hidrógeno disuelto en una solución de producto generada en la celda de electrocloración, y una condición del electrolito líquido seleccionada del grupo que consiste en el caudal, la concentración de oxígeno disuelto, la concentración de hidrógeno disuelto, el pH, el ORP, y la temperatura del electrolito líquido que se introduce en la celda de electrocloración, y aplicar la corriente a través del ánodo y el cátodo en una forma de onda pulsada que responde a que el parámetro está fuera de un intervalo suficiente para impedir la generación de hidrógeno gaseoso dentro de la celda de electrocloración.

De acuerdo con otro aspecto, se proporciona un sistema electroquímico de acuerdo con la reivindicación 8 que comprende una celda electroquímica que incluye una carcasa que tiene una entrada, una salida, un ánodo y un cátodo dispuestos dentro de la carcasa, una fuente de solución acuosa que tiene una salida conectable hidráulicamente a la entrada de la celda electroquímica, un primer sensor construido y dispuesto para medir al menos una de una tensión y una concentración de hidrógeno disuelto en una solución de producto generada en la celda electroquímica, y un controlador conectable eléctricamente al primer sensor y configurado para hacer que se aplique corriente a través del ánodo y el cátodo en una forma de onda pulsada que responda a que al menos una de las tensiones y la concentración de hidrógeno disuelto superen un umbral predeterminado.

El sistema comprende además un segundo sensor construido y dispuesto para medir una condición de la solución acuosa seleccionada desde el grupo que comprende el caudal, la concentración de oxígeno disuelto, la concentración de hidrógeno disuelto, el pH, el ORP y temperatura de la solución acuosa. El controlador se puede conectar eléctricamente al segundo sensor y está configurado para hacer que se aplique corriente a través del ánodo y el cátodo en la forma de onda pulsada en respuesta a la condición de que la solución acuosa esté fuera de un intervalo predeterminado.

En algunas realizaciones, el sistema puede comprender un controlador conectable eléctricamente al segundo sensor y configurado para regular una frecuencia de introducción de la solución acuosa en la celda electroquímica en función de la condición de la solución acuosa.

El controlador puede configurarse para hacer que la corriente a través del ánodo y el cátodo se aplique en la forma de onda pulsada en respuesta a que la concentración de hidrógeno disuelto en la solución de producto esté fuera de un intervalo predeterminado suficiente para causar la acumulación de hidrógeno en el cátodo durante el funcionamiento de la celda electroquímica. El controlador puede configurarse para regular el ánodo y el cátodo en uno o más de una duración de pulsos de corriente, una frecuencia de incidencia de la corriente pulsada, y una magnitud de la corriente aplicada a través del ánodo y el cátodo basada en al menos uno de un caudal de la solución acuosa, la tensión, una concentración de oxígeno disuelto en la solución acuosa, y una concentración de hidrógeno disuelto en la solución acuosa.

En algunas realizaciones, el sistema puede comprender además una fuente de un agente oxidante conectable hidráulicamente a la fuente de la solución acuosa aguas arriba de la celda electroquímica. La fuente del agente oxidante puede estar construida y dispuesta para suministrar peróxido de hidrógeno a la fuente de la solución acuosa desde la salida de la celda electroquímica. El sistema puede comprender además un controlador configurado para regular una frecuencia de introducción del agente oxidante en la solución acuosa basada al menos en una de las cantidades de hidrógeno gaseoso presente en la celda electroquímica, una concentración de hidrógeno disuelto en la solución acuosa, una concentración de oxígeno disuelto en la solución acuosa, y una concentración de oxígeno disuelto en la solución de producto generada en la celda electroquímica.

El sistema puede comprender además un tercer sensor construido y dispuesto para medir una condición de la solución de producto generada en la celda electroquímica, que se selecciona del grupo que comprende caudal, el pH, el ORP, la temperatura y la concentración de un compuesto de producto en la solución de producto.

En algunas realizaciones, el sistema puede comprender un controlador conectable eléctricamente al tercer sensor y configurado para regular una frecuencia de introducción de la solución acuosa en la celda electroquímica en función de la condición de la solución de producto.

La fuente de la solución acuosa puede comprender al menos agua de mar, agua salobre y salmuera.

Además, se ha divulgado en el presente documento, pero no se ha reivindicado, un método para facilitar el funcionamiento de una celda electroquímica. El método puede comprender proporcionar un sistema electroquímico, proporcionar instrucciones para conectar un electrolito líquido a la entrada de la celda electroquímica, y proporcionar instrucciones para conectar la salida de la celda electroquímica a un punto de uso. El sistema electroquímico puede comprender una celda electroquímica que incluye una carcasa con una entrada, una salida, un ánodo y un cátodo dispuestos dentro de la carcasa, un primer sensor construido y dispuesto para medir al menos una tensión y una concentración de hidrógeno disuelto en una solución de producto generada en la celda electroquímica, un segundo sensor construido y dispuesto para medir una condición de un electrolito líquido conectable hidráulicamente a la entrada de la celda electroquímica, estando la condición seleccionada del grupo que consiste en el caudal, la concentración de oxígeno disuelto, la concentración de hidrógeno disuelto, el pH, el ORP, y temperatura del electrolito líquido, y un controlador conectable eléctricamente a uno o más del primer sensor y del segundo sensor, estando el controlador configurado para hacer que se aplique corriente a través del ánodo y el cátodo en una forma de onda pulsada que responda al menos a uno de la tensión, estando la concentración de hidrógeno disuelto en la solución de producto, y la condición del electrolito líquido fuera de un intervalo predeterminado.

En algunas realizaciones, proporcionar el sistema electroquímico que comprende la celda electroquímica comprende proporcionar y sistema electroquímico que comprende una celda de electrocloración, y proporcionar instrucciones para conectar el electrolito líquido a la entrada de la celda electroquímica comprende proporcionar instrucciones para conectar una solución acuosa que contiene cloruro a la entrada de la celda electroquímica.

La divulgación contempla todas las combinaciones de uno cualquiera o más de los aspectos y/o realizaciones anteriores, así como combinaciones con una cualquiera o más de las realizaciones expuestas en la descripción detallada y en cualesquiera ejemplos.

Breve descripción de los dibujos

Los dibujos adjuntos no están previstos para ser dibujados a escala. En los dibujos, cada componente idéntico o casi idéntico que se ilustra en varias figuras está representado por un número similar. Para mayor claridad, no todos los componentes pueden estar etiquetados en todos los dibujos. En los dibujos:

La FIG. 1 es un gráfico de un cambio en la tensión aplicado a lo largo del tiempo experimentado al hacer funcionar una celda electroquímica;

la FIG. 2 es una vista isométrica de una realización de una celda electroquímica;

la FIG. 3 es una ilustración esquemática de una porción de una realización de un sistema electroquímico; la FIG. 4 es una ilustración esquemática de una porción de otra realización de un sistema electroquímico; la FIG. 5 es una ilustración esquemática de una porción de otra realización de un sistema electroquímico; la FIG. 6 es una ilustración esquemática de una realización de un sistema electroquímico;

la FIG. 7 es una ilustración esquemática de otra realización de un sistema electroquímico;

la FIG. 8 es un gráfico de la conductividad de la solución en función de la salinidad;

la FIG. 9 es una ilustración esquemática de una celda electroquímica experimental utilizada para obtener datos de pruebas;

la FIG. 10A es un gráfico de la corriente aplicada en función del tiempo, según un ciclo experimental de una celda electroquímica ejemplar;

la FIG. 10B es un gráfico de la tensión detectada a lo largo del tiempo, medida durante el ciclo experimental de la FIG. 10A;

La FIG. 11A es un gráfico de la corriente aplicada en función del tiempo, según otro ciclo experimental de una celda electroquímica ejemplar;

la FIG. 11B es un gráfico de la tensión detectada a lo largo del tiempo, medida durante el ciclo experimental de la FIG. 11 A;

la FIG. 12 es un gráfico de la tensión detectada a lo largo del tiempo, según las mediciones efectuadas durante otro ciclo experimental de una celda electroquímica ejemplar;

la FIG. 13A es una ilustración esquemática de una celda electroquímica, de acuerdo con una realización; la FIG. 13B es una ilustración esquemática de una celda electroquímica, de acuerdo con una realización; la FIG. 14A es una curva I-V del sistema funcionando con un determinado conjunto de parámetros, de acuerdo con una realización;

la FIG. 14B es una curva I-V del sistema funcionando con un determinado conjunto de parámetros, de acuerdo con otra realización;

la FIG. 14C es una curva I-V del sistema funcionando con un determinado conjunto de parámetros, de acuerdo con otra realización;

la FIG. 14D es una curva I-V del sistema funcionando con un determinado conjunto de parámetros, de acuerdo con otra realización más;

la FIG. 15A es una ilustración esquemática de una porción de una realización de una celda electroquímica; la FIG. 15B es una ilustración esquemática de una porción de otra realización de una celda electroquímica; la FIG. 15C es una ilustración esquemática de una porción de otra realización de una celda electroquímica; la FIG. 15D es una ilustración esquemática de una porción de otra realización más de una celda electroquímica; y

la FIG. 16A es un gráfico de la resistencia de canal por área en celdas electroquímicas que funcionan con soluciones de salinidad variable; y

la FIG. 16B es un gráfico de la resistencia de canal por diámetro en celdas electroquímicas que funcionan con soluciones de salinidad variable.

Descripción detallada

Los aspectos y realizaciones divulgados en el presente documento se dirigen en general a dispositivos electroquímicos para generar desinfectantes tales como hipoclorito sódico y a métodos de reducción del hidrógeno producido en tales dispositivos. Debe entenderse que los términos "dispositivo electroquímico" y "celda electroquímica" y sus variaciones gramaticales abarcan los "dispositivos de electrocloración" y las "celdas de electrocloración", y sus variaciones gramaticales.

Los aspectos y realizaciones divulgados en el presente documento se describen como incluyendo uno o más electrodos. El término "electrodos metálicos" o sus variaciones gramaticales, tal como se emplea en esta memoria, debe entenderse que abarca los electrodos formados a partir de, que comprenden o consisten en, uno o más metales, por ejemplo, titanio, aluminio o níquel, aunque el término "electrodo metálico" no excluye los electrodos que incluyen o consisten en otros metales o aleaciones.Enalgunas realizaciones, un "electrodo metálico" puede incluir múltiples capas de diferentes metales. Los electrodos metálicos utilizados en una cualquiera o más de las realizaciones divulgadas en el presente documento pueden incluir un núcleo de un metal de alta conductividad, por ejemplo, cobre o aluminio, recubierto con un metal u óxido metálico que tiene una alta resistencia al ataque químico de las soluciones electrolíticas, por ejemplo, una capa de titanio, platino, un óxido metálico mixto (MMO), magnetita, ferrita, espinela de cobalto, tantalio, paladio, iridio, plata, oro u otros materiales de recubrimiento. Los "electrodos metálicos" pueden llevar un recubrimiento resistente a la oxidación, por ejemplo, aunque no de forma limitativa, platino, un óxido metálico mixto (MMO), magnetita, ferrita, espinela de cobalto, tantalio, paladio, iridio, plata, oro u otros materiales de recubrimiento. Los óxidos metálicos mixtos utilizados en realizaciones divulgadas en el presente documento pueden incluir un óxido u óxidos de uno o más de rutenio, rodio, tántalo (opcionalmente aleado con antimonio y/o manganeso), titanio, iridio, cinc, estaño, antimonio, una aleación de titanio y níquel, una aleación de titanio y cobre, una aleación de titanio y hierro, una aleación de titanio y cobalto, u otros metales o aleaciones apropiados. Los ánodos utilizados en realizaciones divulgadas en el presente documento pueden estar recubiertos con platino y/o un óxido u óxidos de uno o más de iridio, rutenio, estaño, rodio, o tántalo (opcionalmente aleado con antimonio y/o manganeso). Los cátodos utilizados en realizaciones divulgados en el presente documento pueden estar recubiertos con platino y/o un óxido u óxidos de uno o más de iridio, rutenio y titanio. Los electrodos utilizados en las realizaciones divulgadas en el presente documento pueden incluir una base de uno o más de titanio, tantalio, circonio, niobio, tungsteno y/o silicio. Los electrodos para cualquiera de las celdas electroquímicas divulgadas en el presente documento pueden formarse como o desde placas, hojas, láminas, extrusiones y/o sinterizados.

El término "tubo", como se emplea en esta memoria, incluye conductos cilíndricos, sin embargo, no excluye conductos que tienen otras geometrías de sección transversal, por ejemplo, conductos que tienen geometrías cuadradas, rectangulares, ovaladas u oblongas, o geometrías de sección transversal con forma de cualquier polígono regular o irregular.

Los términos "tubos concéntricos" o "espirales concéntricas", como se emplean en esta memoria, incluyen tubos o espirales intercaladas que comparten un eje central común, pero no excluyen los tubos o espirales intercaladas que rodean un eje común que no es necesariamente central de cada uno de los tubos concéntricos o espirales intercaladas en un conjunto de tubos concéntricos o espirales intercaladas o tubos o espirales intercaladas que tienen ejes desplazados unos de otros.

Esta divulgación describe diversas realizaciones de celdas de electrocloración y dispositivos de electrocloración.

Las celdas de electrocloración se usan normalmente en aplicaciones marinas, en alta mar, municipales, industriales y comerciales. Los parámetros de diseño de las celdas de electrocloración, por ejemplo, distancia entre electrodos, espesor de los electrodos y densidad del recubrimiento, áreas de electrodos, métodos de conexiones eléctricas, etc., pueden seleccionarse para distintas aplicaciones. Los aspectos y realizaciones divulgadas en el presente documento no se limitan al número de electrodos, el espacio entre electrodos, el material del electrodo, el material de cualquier espaciador entre electrodos, el número de pasadas dentro de las celdas de electrocloración o en el material de recubrimiento del electrodo.

Los dispositivos electroquímicos que generan reacciones químicas en los electrodos se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales y municipales. El diseño y los controles de los módulos de electrocloración actuales han permanecido estáticos durante un periodo de tiempo considerable. Dos preocupaciones de la industria con respecto al funcionamiento de las celdas electroquímicas en estos sistemas son la incrustación catódica y la generación de hidrógeno. Los métodos convencionales para mitigar estos problemas limitan la potencia total de hipoclorito que puede generarse. Se necesita un sistema que aborde ambos problemas y que, al mismo tiempo, genere hipoclorito de forma eficaz.

Los sistemas de electrocloración pueden alimentarse generalmente con salmuera, agua salobre o agua de mar, aunque la solución de alimentación no es limitante. El agua de mar tiene generalmente una salinidad de entre aproximadamente 3,0 % y 4,0 %, por ejemplo, el agua de mar puede tener una salinidad de aproximadamente el 3,5 %, 3,6 %, o 3,7 %. El agua de mar comprende iones disueltos, incluido el sodio, cloruro, magnesio, sulfato y calcio. El agua de mar puede incluir además uno o más azufres, potasio, bromuro, carbono y vanadio. El agua de mar puede tener un contenido total de sólidos disueltos (TDS) de aproximadamente 35000 mg/l. La salmuera tiene generalmente una salinidad superior a aproximadamente el 3,5 %. Por ejemplo, la salmuera puede tener una salinidad de aproximadamente 4,0 %, 4,5 %, 5,0 %, 7,5 %, o alrededor de 10 %. La salmuera puede tener un contenido de TDS superior a aproximadamente 35000 mg/l. La salmuera saturada puede tener una salinidad de aproximadamente un 25,0 %. El agua salobre suele tener una salinidad inferior al 3,5 %. El agua salobre puede tener una salinidad de aproximadamente el 3,0 %, 2,5 %, 2,0 %, o 1,0 %. El agua salobre puede tener un contenido de TDS inferior a aproximadamente 35000 mg/l. Por ejemplo, el agua salobre puede tener un contenido de TDS entre aproximadamente 1000 mg/l a aproximadamente 10000 mg/l.

La solución de alimentación puede tener una conductividad como la mostrada en el gráfico de la FIG. 8. En general, la conductividad del flujo de alimentación puede estar entre aproximadamente 0 y 25 S/cm, en función de la salinidad. El agua salobre, que tiene una salinidad entre aproximadamente 0,5 % y 2,0 %, puede tener una conductividad de entre aproximadamente 0,5 S/cm y aproximadamente 4,0 S/cm, por ejemplo, de aproximadamente 0,8 S/cm o alrededor de 3,0 S/cm. El agua de mar que tiene una salinidad de aproximadamente 3,5 % puede tener una conductividad de entre aproximadamente 4,5 S/cm y 5,5 S/cm, por ejemplo, de aproximadamente 5,0 S/cm o de aproximadamente 4,8 S/cm. La salmuera que tiene una salinidad entre aproximadamente 5,0 % y 10 % puede tener una conductividad de entre aproximadamente 7 S/cm y 13,0 S/cm, por ejemplo, de aproximadamente 12,6 S/cm. La salmuera saturada que tiene una salinidad de aproximadamente el 25 % puede tener una conductividad de entre aproximadamente 20,0 S/cm y aproximadamente 23,0 S/cm, por ejemplo, de aproximadamente 22,2 S/cm. En general, la salinidad y la conductividad pueden seguir la relación lineal del gráfico de la FIG. 8: y = 0,9132x 1,6332, donde y es la conductividad (S/cm) y x es el porcentaje de salinidad (%NaCl).

Para sistemas basados en salmuera, ya que el pH cambia durante el funcionamiento, el funcionamiento de un sistema de electrocloración puede dar lugar a la producción de Cl2 y ácido (por ejemplo, HCl) en el ánodo y de hidróxido y gas H2 en el cátodo. Las reacciones electroquímicas para la generación de hipoclorito sódico desde cloruro sódico y agua (electrocloración) incluyen las siguientes:

Reacción en el ánodo: 2Cl- ^ C12 2e- (E0ox = -1,358 V)

Reacción en el cátodo: 2 H2O 2e- ^ H2 2OH- (E0rojo = -0,8277 V)

En solución: C12 2OH- ^ ClO- Cl- H2O

Reacción general: NaCl H2O ^ NaOCl H2

En estas reacciones, los potenciales eléctricos indicados están en condiciones de concentración 1M (actividad) de los reactivos y productos, así como en condiciones estándar (25 °C y 1 atm.)

De las reacciones anteriores se desprende que un subproducto de la producción electroquímica de hipoclorito sódico a partir de cloruro sódico y agua es el hidrógeno. La producción de hidrógeno en una celda de electrocloración no es deseable. Si se produce suficiente hidrógeno de tal manera que la concentración de hidrógeno supere el límite de solubilidad del hidrógeno en agua, el hidrógeno puede evolucionar como hidrógeno gaseoso, lo que supone un riesgo de explosión. El hidrógeno gaseoso presente en una celda de electrocloración también puede proteger porciones de los electrodos de las celdas de electrocloración del contacto con el electrolito de la celda, reduciendo el área efectiva del electrodo y reduciendo la eficiencia de generación de hipoclorito sódico. Además, la difusión del hidrógeno en materiales como el titanio, del que suelen estar hechos los electrodos de las celdas de electrocloración, puede provocar la fragilización de los electrodos y aumentar el riesgo de fallo mecánico de los mismos.

La generación de gas H2 requiere el uso de un aparato y métodos para eliminar o diluir el hidrógeno por debajo de los límites explosivos. Así pues, los sistemas de electrocloración para la generación de hipoclorito sódico a partir de cloruro sódico y agua están normalmente equipados con separadores de gas-líquido y/o soplantes para eliminar el hidrógeno de la solución y/o de la atmósfera o, al menos, mantener la concentración de hidrógeno gaseoso por debajo de una concentración en la que pueda inflamarse. Sin embargo, estos separadores de gas-líquido y/o soplantes aumentan los costes de capital y de funcionamiento de los sistemas de electrocloración.

Un enfoque para limitar la producción de hidrógeno gaseoso consiste en introducir un oxidante en el sistema, tal como se describe en general en la publicación de solicitud internacional n.° WO 2017/049052. La reacción de reducción del oxígeno tiene un potencial menor que la de formación de hidrógeno. Las reacciones son las siguientes:

2 H2O 2e- ^ H2 2OH- (E0 = -0,8277 V)

O2 2 H2O 4e- ^ 4OH- (E0 = 0,401 V)

La segunda reacción es un mecanismo de reducción del agua. De este modo, la adición de oxígeno a la solución acuosa que contiene cloruro puede provocar el cambio de las reacciones de generación de cloro e hidróxido en el ánodo y el cátodo de:

A1: Reacción en el ánodo: 2Cl- ^ C12 2e- (E0ox = -1,358 V)

C1: Reacción en el cátodo: 2 H2O 2e- ^ H2 2OH- (E0rojo = -0,8277 V)

E0celda = 2,19 V

a:

A1: Reacción en el ánodo: 2CI- ^ C I2 2e- (E0ox = -1,358 V)

C2: Reacción en el cátodo: O2 2 H2O 4e- ^ 4OH- (E0rojo = 0,401 V)

E0celda = 0,96 V

La adición de oxígeno a la solución acuosa que contiene cloruro puede eliminar la generación y/o acumulación de hidrógeno en estas reacciones y también puede reducir a más de la mitad la tensión necesaria para la producción de cloro e hidróxido. La adición de oxígeno a la solución acuosa que contiene cloruro no solo puede reducir o suprimir la formación y/o acumulación de hidrógeno como subproducto de la generación de hipoclorito sódico a partir de cloruro sódico y agua en una celda de electrocloración, sino que también puede hacer que el proceso de generación de hipoclorito sódico sea más eficiente desde el punto de vista energético.

El suministro de oxígeno puede ser un reto, ya que la solubilidad máxima del oxígeno en agua pura a temperatura y presión ambiente es de solo 5-10 ppm aproximadamente. Un método para superar la baja solubilidad del oxígeno consiste en inyectar oxígeno a una presión superior a la atmosférica, para aumentar la solubilidad del agente oxidante en la solución acuosa, en comparación con la solubilidad del agente oxidante en la solución acuosa a presión atmosférica. Sin embargo, algunos sistemas pueden tener limitaciones físicas de presión.

Los aspectos y realizaciones divulgados en el presente documento incluyen celdas electroquímicas para la formación de compuestos químicos mediante la introducción de energía eléctrica, y métodos para construir y operar dichas celdas electroquímicas. Se hará referencia específica a las celdas de electrocloración configuradas para generar hipoclorito sódico a partir de una solución acuosa que contenga cloruro (p. ej., cloruro sódico), por ejemplo, agua de mar, agua salobre o salmuera.

Generalmente, existe una interacción entre múltiples parámetros que afectan a la fuerza global del hipoclorito producido. Tales parámetros incluyen, por ejemplo, la composición de alimentación, el diseño de electrodo, la corriente/tensión aplicada, el pH, el caudal, la concentración de oxidante y la temperatura. Uno o más de estos parámetros pueden controlarse para generar un producto adecuado. Adicionalmente, uno o más de estos parámetros pueden controlarse para limitar los efectos no deseables, por ejemplo, la generación de hidrógeno.

El rendimiento del sistema de celdas electroquímicas puede depender de la composición del flujo de alimentación. Controlando la composición de alimentación, es posible aumentar la concentración de producción de hipoclorito y disminuir los efectos no deseados, tal como la generación de hidrógeno. Sin pretender quedar ligado a teoría alguna en particular, se cree que la corriente anódica y la concentración de NaCl en la solución pueden tener un efecto sobre la frecuencia a la que se produce Cl2, que a su vez puede tener un efecto sobre la cantidad de NaOCl formado en solución. Así, la cantidad de NaOCl formada en relación con el caudal volumétrico del sistema puede aumentarse controlando la corriente anódica y la composición de la alimentación. En el cátodo, la corriente y la densidad de corriente pueden tener un efecto sobre la frecuencia a la que se producen H2 y OH-. A su vez, estas tasas de producción pueden tener un efecto sobre el pH y la formación de precipitados dentro del sistema.

El flujo de alimentación puede comprender una solución salina acuosa, por ejemplo, agua de mar, agua salobre o salmuera. En algunas realizaciones, el control de la concentración de NaCl en el flujo de alimentación puede controlar la cantidad de NaOCl formado. Con una composición de alimentación estándar que tiene una concentración de Na+ entre aproximadamente 10000 y 16000 ppm y una concentración de Cl- entre aproximadamente 18000 y 23000 ppm, La producción de NaOCl puede incrementarse aumentando la concentración de Na+ y Cl-. Con tal composición de alimentación estándar, Pueden alcanzarse concentraciones de salida de NaOCl de hasta aproximadamente 2000 ppm.

En algunas realizaciones, la composición de alimentación puede controlarse mediante la dosificación de ácidos. La inyección de ácido puede reducir el pH, limitando así la formación de subproductos no deseados. En algunas realizaciones, el pH del flujo de alimentación puede medirse mediante un sensor. La medición puede comunicarse a un sistema de inyección de ácido configurado para dosificar el flujo de alimentación con ácido, en función de la medición del pH. La composición de alimentación puede controlarse mediante cualquier otro método de control del pH como se ha divulgado en el presente documento.

En determinadas realizaciones, una porción de la solución de producto puede recircularse al flujo de alimentación. La solución de producto puede incluir, por ejemplo, H2O2 que puede recircularse como oxidante. Puede controlarse la proporción entre la recirculación y el flujo de alimentación, por ejemplo, con válvulas de control. Recirculando una porción de la solución de producto al flujo de alimentación, se puede aumentar la fuerza total del hipoclorito producido. El empleo de la recirculación del producto puede reducir el número de celdas electroquímicas necesarias para producir un producto de hipoclorito estable, reduciendo la huella total del sistema y aumentando las opciones de uso final.

Los sistemas y métodos divulgados en el presente documento pueden incluir celdas electroquímicas que tienen características para reducir, mitigar, minimizar, evitar o eliminar la incrustación de los electrodos. En algunas realizaciones, el control del pH puede limitar la precipitación de subproductos no deseados en el cátodo. Durante el funcionamiento de una celda electroquímica convencional, el pH local en el cátodo puede alcanzar o superar 11. Un pH local tan elevado puede provocar la precipitación de iones de Mg y Ca, produciendo incrustaciones en el electrodo. En algunas realizaciones, el pH local en el cátodo se controla entre aproximadamente 8 y 9. El pH medio dentro de la celda electroquímica puede controlarse entre aproximadamente 6 y 9, por ejemplo, entre aproximadamente 7 y 8.

Puede implementarse un control anticipativo del pH. En algunas realizaciones, el pH de la alimentación se mide con un sensor. Uno o más parámetros del sistema pueden ajustarse en función de la medición del pH. Por ejemplo, la composición de alimentación, el caudal, la corriente/tensión aplicada, o la concentración de oxidante en uno o más electrodos puede ajustarse para controlar el pH dentro de un intervalo deseado. En algunas realizaciones, el pH puede controlarse añadiendo un regulador del pH, por ejemplo, un ácido mineral o un cáustico tal como el NaOH. La medición puede comunicarse a un sistema de inyección que puede ajustar uno o más parámetros de funcionamiento para controlar el pH. El sistema de inyección puede controlar el pH de la solución de alimentación o de una solución dentro de la celda electroquímica. Adicionalmente, o como alternativa, puede implementarse un control por retroalimentación del pH. Por ejemplo, el pH de un producto puede medirse con un sensor. Uno o más parámetros pueden ajustarse como se describe o la medición puede comunicarse a un sistema de inyección que puede ajustar uno o más parámetros de funcionamiento como se describe.

Los sistemas y métodos divulgados en el presente documento pueden emplear una inversión periódica de la polaridad del ánodo y el cátodo para mitigar, minimizar, impedir o eliminar la generación o acumulación de hidrógeno gaseoso en el cátodo, por ejemplo, controlando el pH local en los electrodos. En algunas celdas electroquímicas, la polaridad se invierte después de un largo periodo de funcionamiento para reducir la formación de incrustaciones, por ejemplo, cada 12 horas o cada dos días de funcionamiento. Como se divulga en la presente memoria, la polaridad puede invertirse más a menudo para limitar la formación de hidrógeno gaseoso. Por ejemplo, la polaridad puede invertirse cada pocos minutos para limitar la formación de hidrógeno gaseoso, en función de las condiciones del sistema.

Invertir la polaridad para limitar la formación de hidrógeno gaseoso puede limitar también la formación de incrustaciones. Durante el funcionamiento de la celda electroquímica, la generación localizada de ácido se produce normalmente en el ánodo, mientras que el hidrógeno y los subproductos se acumulan en el cátodo. Invirtiendo la polaridad, puede generarse ácido en el antiguo cátodo (ahora ánodo), limitando la producción localizada de hidrógeno gaseoso y precipitados en el cátodo. La generación de ácido en el ánodo también puede controlar el pH localizado, minimizar la posterior precipitación de subproductos en el electrodo e impedir la formación de incrustaciones.

La secuencia de inversión de polaridad puede producirse simétrica o asimétricamente. En algunas realizaciones, la polaridad se invierte cada pocos minutos, por ejemplo, cada 2, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50 o 60 minutos. En algunas realizaciones, la polaridad se invierte cada pocas horas, por ejemplo, cada 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 18 o 24 horas. Cada inversión de polaridad puede durar entre unos minutos y varias horas. El tipo y la duración del ciclo de inversión de polaridad no son limitantes. Generalmente, el tipo y la duración del ciclo de inversión de polaridad pueden depender de la composición de la alimentación y de las condiciones de la celda electroquímica. El tipo y la duración de la inversión de polaridad pueden depender del pH medio dentro de la celda electroquímica o del pH localizado en el ánodo o en el cátodo. En algunas realizaciones, la inversión de la polaridad puede realizarse en respuesta a una medición del pH fuera de un intervalo deseado.

La temperatura puede influir en la formación de productos y en la frecuencia de reacción. En algunas realizaciones, la temperatura se controla entre aproximadamente -2 y 45 °C. Fuera de este intervalo de temperatura, la solución de alimentación puede reaccionar con el catalizador del electrodo para formar subproductos inestables. Puede aplicarse un control anticipativo o por retroalimentación de la temperatura. En algunas realizaciones, la temperatura de la solución de alimentación o producto se mide con un termómetro. Uno o más parámetros del sistema pueden ajustarse en función de la medición de la temperatura. Por ejemplo, el caudal, el pH, la temperatura o la concentración de oxígeno disuelto pueden ajustarse en función de la medición. Se puede ajustar la temperatura, por ejemplo, con un intercambiador de calor.

Los sistemas y métodos divulgados en el presente documento incluyen celdas electroquímicas que tienen características para reducir, mitigar, minimizar, impedir o eliminar la formación de hidrógeno gaseoso en la celda electroquímica y/o de hidrógeno disuelto en un electrolito de la celda electroquímica. La implementación de la reducción de hidrógeno puede estar en función de la densidad de corriente, el caudal, la concentración de hidrógeno disuelto y/o la concentración de oxígeno disuelto (opcionalmente, en función de la presión). Además, la generación de hidrógeno gaseoso puede ser una función de la temperatura, el pH, la composición y el potencial de oxidación-reducción de la solución próxima al cátodo de la celda electroquímica. La relación entre estos parámetros puede cuantificarse explorando la corriente y la tensión y trazando una curva I-V. A partir de la curva I-V puede identificarse un punto de transición entre la generación de agua y la producción de H2. La curva I-V muestra un punto de inflexión cuando la tensión supera un umbral que indica la producción de hidrógeno gaseoso. El rendimiento global del sistema puede calibrarse ajustando los parámetros mencionados.

Los métodos divulgados en el presente documento pueden comprender la aplicación de corriente a través del ánodo y el cátodo a una tensión suficiente para generar un compuesto de producto. La corriente puede aplicarse de modo constante hasta que se requiera un cambio. Por ejemplo, la corriente puede aplicarse de forma constante hasta que se produzca una inversión de polaridad o se aplique ánodo y cátodo o se aplique corriente en forma de onda pulsada. Tal cambio puede producirse, por ejemplo, cuando uno o más parámetros indiquen que puede generarse hidrógeno gaseoso en el cátodo.

Generalmente, como medida de seguridad, Las emisiones de gas H2 pueden supervisarse y controlarse. El gas H2 puede medirse con un sensor. Uno o más de los métodos divulgados en el presente documento pueden aplicarse en respuesta a una medición elevada de gas H2 en el producto o dentro del sistema.

La tensión entre el ánodo y el cátodo puede medirse para determinar cuándo empieza a generarse hidrógeno gaseoso en la celda electroquímica. Parámetros tales como la temperatura, el pH y la composición de los fluidos pueden afectar a la tensión a la que comienza a generarse hidrógeno gaseoso. La presión puede aumentar la difusividad del oxígeno en el fluido, aumentando así la presión, el caudal y las turbulencias también pueden influir en la tensión a la que comienza a generarse hidrógeno gaseoso. Como se muestra en los gráficos de las FIGS. 14A-14D, un punto de inflexión en la curva I-V indica la tensión a la que se genera hidrógeno gaseoso.

Los datos presentados en la FIG. 14A muestran el cambio en el punto de inflexión (entre aproximadamente 1,0 V y aproximadamente 1,5 V) para un caudal de 3,1 m/s a presión variable. Los datos presentados en la FIG. 14B muestran el cambio en el punto de inflexión (entre aproximadamente 0,8 V y aproximadamente 1,1 V) para oxígeno inyectado a una presión de aproximadamente 1,4 bar a caudales variables. El aire introducido a aproximadamente 6,9 bar puede generar un contenido de oxígeno disuelto similar al oxígeno inyectado a 1,4 bar. Los datos presentados en la FIG. 14C muestran el cambio en el punto de inflexión (entre aproximadamente 1,0 V y aproximadamente 1,3 V) para oxígeno inyectado a aproximadamente 3,1 bar a caudales variables. Los datos presentados en la FIG. 14D muestran el cambio en el punto de inflexión (entre aproximadamente 1,0 V y aproximadamente 1,5 V) para oxígeno inyectado a aproximadamente 6,9 bar a caudales variables.

En algunas realizaciones, la tensión puede mantenerse dentro o por debajo de cualquiera de los intervalos identificados anteriormente para limitar la generación de hidrógeno gaseoso en la celda electroquímica. La tensión puede mantenerse por debajo de aproximadamente 0,8 V, 0,9 V, 1,0V, o 1,1V para un sistema que introduce oxígeno a 1,4 bar o aire a 6,9 bar en función del caudal. La tensión puede mantenerse por debajo de aproximadamente 1,0 V, 1,2V, o 1,3V para un sistema que introduce oxígeno a aproximadamente 3,1 bar, en función del caudal. La tensión puede mantenerse por debajo de aproximadamente 1,0 V, 1,1 V, 1,2 V, 1,3 V, 1,4V, o 1,5V para un sistema que introduce oxígeno a aproximadamente 6,9 bar, en función del caudal. La tensión puede mantenerse por debajo de aproximadamente 1,0 V, 1,1 V, 1,2 V, 1,3 V, 1,4 V, o 1,5 V para un sistema con un caudal de aproximadamente 3,1 m/s, en función de la tensión. Otros parámetros pueden determinarse a partir de los gráficos mostrados en las FIGS. 14A-14D.

De acuerdo con la invención, las condiciones se controlan para mantener el sistema dentro de los parámetros predeterminados que se asocian con la no formación de hidrógeno gaseoso. La corriente aplicada a través del par ánodo-cátodo puede alterarse o invertirse en función de las condiciones de indicación de los parámetros, lo que puede dar lugar a la generación de hidrógeno gaseoso. Los parámetros se controlan para mantener la tensión entre aproximadamente 1,5 V y aproximadamente 0,5 V.

En algunas realizaciones, la adición de un oxidante (por ejemplo, oxígeno) a la solución del proceso puede eliminar la generación y/o acumulación de hidrógeno en estas reacciones. La adición de un oxidante puede reducir también a más de la mitad la tensión necesaria para la producción de cloro e hidróxido. Así, en algunas realizaciones, la adición de un oxidante no solo puede reducir o suprimir la formación y/o acumulación de hidrógeno como subproducto de la generación de hipoclorito sódico a partir de cloruro sódico y agua en una celda de electrocloración, sino que también puede hacer que el proceso de generación de hipoclorito sódico sea más eficiente desde el punto de vista energético.

Además de, o como alternativa al aire u oxígeno, el agente oxidante puede incluir uno cualquiera, o más de uno, de aire enriquecido con oxígeno, ozono, dióxido de carbono, peróxido de hidrógeno, flúor, cloro, bromo, yodo, ácido nítrico, óxido nitroso, un nitrato, ácido sulfúrico, ácido peroxisulfúrico, ácido peroximonosulfúrico, un compuesto de cromo hexavalente, un compuesto de permanganato, perborato de sodio, nitrato potásico, o cualquier otro compuesto oxidante conocido. El agente oxidante puede ser un gas, un agente de fase sólida o líquida. El agente oxidante puede incluir un producto de la celda electroquímica. Por ejemplo, el agente oxidante puede ser H2O2 producido por la celda electroquímica. El agente oxidante puede incluir cualquier compuesto químico que tenga un potencial reductor suficientemente bajo para interceptar el paso de electrones a una molécula de agua para generar hidrógeno libre. El agente oxidante puede incluir cualquier compuesto químico que tenga un potencial reductor que sea menos negativo que -0,8277 voltios frente a un electrodo de hidrógeno estándar. El potencial reductor del agente oxidante puede variar en función de factores cinéticos tales como la concentración, temperatura, y el efecto de un catalizador.

La introducción del agente oxidante en una solución de proceso puede incluir el contacto de la solución con el gas del agente oxidante o la inyección de un líquido que contenga agente oxidante en la solución. El agente oxidante puede introducirse en el flujo de alimentación o en otra solución del proceso. En algunas realizaciones, el gas oxidante es un gas que contiene oxígeno. El líquido que contiene el agente oxidante puede ser un líquido que contiene oxígeno.

Puede aplicarse el control de una concentración de oxígeno disuelto. En algunas realizaciones, la concentración de oxígeno disuelto puede medirse en la alimentación o dentro del sistema con un sensor. La medición puede comunicarse a un sistema de inyección que puede introducir gas oxígeno u oxígeno disuelto en solución para controlar la concentración de oxígeno disuelto dentro del sistema. En algunas realizaciones, la concentración de oxígeno disuelto se controla para que esté dentro de aproximadamente 1-100 ppm. La concentración de oxígeno disuelto puede controlarse al menos a aproximadamente 1 ppm, 5 ppm, 10 ppm, 20 ppm, 30 ppm, 40 ppm, 50 ppm, 60 ppm, 70 ppm, 80 ppm, 90 ppm, 95 ppm, o 100 ppm. La concentración de oxígeno disuelto puede aumentarse inyectando el oxidante a presión o introduciendo la solución acuosa a presión.

En algunas realizaciones, se puede medir el potencial de oxidación-reducción (ORP) en la alimentación, dentro del sistema, o en el producto, con un sensor. Uno cualquiera o más parámetros del sistema pueden ajustarse en función de la medición del ORP. Por ejemplo, la concentración de oxígeno disuelto, el caudal, el pH, la temperatura o la composición de alimentación pueden ajustarse en función de la medición del ORP.

La composición de la solución dentro del sistema puede modificarse alterando el caudal o la velocidad del flujo de alimentación. Generalmente, el aumento del caudal o de la velocidad del flujo puede aumentar la turbulencia y la mezcla de la solución dentro del sistema. Dado que normalmente las reacciones se producen localmente en el ánodo o el cátodo de la celda electroquímica, el aumento de la turbulencia puede tener un efecto en la normalización de la composición de la solución y el pH dentro del sistema. En particular, el aumento de la turbulencia o del caudal puede aumentar la tasa de producción de producto, por ejemplo, H2O2 o NaOCl, y disminuir una frecuencia de generación de hidrógeno gaseoso no deseado.

Puede aplicarse un control anticipativo o por retroalimentación del caudal o de la velocidad del flujo. En algunas realizaciones, el caudal o la velocidad del flujo de la alimentación se miden con un caudalímetro. Uno o más parámetros del sistema pueden ajustarse en función de la medición del caudal o de la velocidad del flujo. Por ejemplo, caudal o velocidad del flujo, el pH, la temperatura o la concentración de oxígeno disuelto pueden ajustarse en función de la medición. La medición puede comunicarse a una bomba de circulación para controlar el caudal o la velocidad del flujo según sea necesario. El caudal puede controlarse para que esté entre aproximadamente 0,1-10 m3/h. El caudal puede controlarse para que sea de 0,1 m3/h, 0,5 m3/h, 1,0 m3/h, 2,0 m3/h, 3,0 m3/h, 4,0 m3/h, 5,0 m3/h, 6,0 m3/h, 7,0 m3/h, 8,0 m3/h, 9,0 m3/h, 9,5 m3/h, o 10 m3/h.

La velocidad del flujo puede controlarse entre aproximadamente 1,0 m/s y 4,0 m/s. La velocidad del flujo puede controlarse para que sea de aproximadamente 1,0 m/s, 2,0 m/s, 3,0 m/s, o 4,0 m/s. En algunas realizaciones, la velocidad del flujo puede controlarse entre aproximadamente 2,0 y 2,5 m/s. La velocidad del flujo puede controlarse entre aproximadamente 2,5 m/s y 3,0 m/s. La velocidad del flujo puede controlarse para que esté entre aproximadamente 3,0 m/s y 3,5 m/s. En algunas realizaciones, la velocidad del flujo puede controlarse para que sea de aproximadamente 2,0 m/s, 2,1 m/s, 2,2 m/s, 2,3 m/s, 2,4 m/s, 2,5 m/s, 2,6 m/s, 2,7 m/s, 2,8 m/s, 2,9 m/s, 3,0 m/s, 3,1 m/s, 3,2 m/s, 3,3 m/s, 3,4 m/s, o 3,5 m/s. El caudal o la velocidad del flujo pueden aumentarse o reducirse según sea necesario para aumentar o disminuir la turbulencia y la mezcla. Por ejemplo, una celda de electrocloración de tubo concéntrico puede emplearse en aplicaciones marinas y de alta mar con agua de mar como alimentación. La velocidad del flujo del líquido a través de la celda puede ser de aproximadamente 2,1 m/s, dando lugar a un flujo altamente turbulento que puede reducir el potencial de ensuciamiento y formación de incrustaciones en las superficies de los electrodos.

Adicionalmente, pueden medirse uno o más parámetros del producto o dentro del sistema para determinar el ajuste necesario del caudal o de la velocidad del flujo. Por ejemplo, el caudal o la velocidad del flujo pueden aumentarse o reducirse en función de una medición del pH local dentro del sistema o de la composición del producto. El caudal o la velocidad del flujo pueden aumentarse cuando el pH local dentro del sistema varía mucho para neutralizar el pH, o cuando una medición del producto indica que puede haber incrustación de los electrodos.

En algunas realizaciones, el pH del sistema y el pH local en el cátodo pueden controlarse ajustando el caudal o la velocidad del flujo. El pH del volumen del agua de alimentación se encuentra generalmente en un intervalo neutro. Por ejemplo, el pH del agua de mar está normalmente entre aproximadamente 7,5 y 8,4. Sin embargo, la cinética de las reacciones que tienen lugar dentro de la celda electroquímica puede hacer subir el pH dentro del sistema. Como se ha descrito anteriormente, el pH local alrededor del cátodo puede superar 10 u 11. La concentración local de OH-en el cátodo puede incrementarse aumentando la velocidad (es decir, la turbulencia y la mezcla). En algunas realizaciones, se aumenta el caudal para aumentar la concentración local de OH- en el cátodo. Así, en algunas realizaciones, se aumenta el caudal o la velocidad del flujo para disminuir el pH local en el cátodo.

En concentraciones superiores a su solubilidad, H2 puede desgasificarse tal como se produce, desplazando el volumen de fluido y cegando el cátodo. En algunas realizaciones, el caudal y la velocidad del flujo pueden controlarse para reducir el volumen local de fluido en el cátodo. Disminuyendo el volumen de fluido local mientras se mantiene la misma tasa de producción de OH-, puede aumentar el pH local en el cátodo. El caudal y la velocidad del flujo pueden controlarse para garantizar un volumen adecuado en los electrodos para las reacciones.

Los sistemas y métodos pueden funcionar con una densidad de corriente controlada. En algunas realizaciones, la densidad de corriente se controla para generar solución de producto suprimiendo al mismo tiempo la generación de hidrógeno. La densidad de corriente correspondiente a la generación inducida de hidrógeno puede variar con otros parámetros. En un ejemplo, para un flujo de alimentación ejemplar (salmuera) que se expone al aire a presión atmosférica, la generación de hidrógeno puede comenzar a una densidad de corriente de aproximadamente -200 A/m2. Por el contrario, para el mismo flujo de alimentación expuesto al aire a 6,9 bar, la generación de hidrógeno puede no comenzar hasta aproximadamente -2250 A/m2. Así, una presión elevada de oxígeno disuelto en la alimentación puede proporcionar un cambio significativo en la densidad de corriente, y un aumento resultante en la cantidad de hipoclorito de sodio que puede generarse antes del inicio de la generación de hidrógeno. Del mismo modo, el aumento del caudal o de la oxigenación del flujo de alimentación puede permitir que el dispositivo electroquímico funcione a densidades de corriente más elevadas y, por tanto, produzca más solución de producto antes de que comience la generación de hidrógeno. En algunas realizaciones, la densidad de corriente se optimiza (es decir, se aumenta) para generar solución de producto suprimiendo al mismo tiempo la generación de hidrógeno. En función de los parámetros, la densidad de corriente puede estar entre aproximadamente -200 A/m2 y -3000 A/m2.

Se puede aumentar la corriente funcionando con una velocidad de flujo lineal elevada. Sin quedar ligados a una teoría en particular, se cree que, al aumentar el caudal del flujo de alimentación, el oxígeno consumido por reacción con el hidrógeno puede reponerse más rápidamente con alimentación nueva. Aumentar el caudal del flujo de alimentación puede hacer que los electrodos funcionen a densidades de corriente más altas y produzcan más solución de producto antes de que comience la generación de hidrógeno. En algunas realizaciones, el aumento de la oxigenación puede aumentar de forma similar la corriente, por ejemplo, ya sea aumentando el caudal o la disponibilidad de oxidante en el flujo de alimentación.

La corriente a través del par ánodo-cátodo puede aplicarse a una tensión suficiente para generar solución de producto. Generalmente, la celda electroquímica puede estar diseñada para funcionar a una corriente/tensión aplicada que permita que todo o casi todo el hidrógeno reaccione con el oxígeno suministrado por el flujo de alimentación. En algunas realizaciones, la corriente/tensión aplicada a través del par ánodo-cátodo puede controlarse para limitar la generación de hidrógeno libre. En algunas realizaciones, la corriente y la tensión pueden medirse a través del par de electrodos con un sensor eléctrico. Por ejemplo, puede utilizarse un potenciostato para medir parámetros eléctricos y generar una curva corriente-tensión. Uno cualquiera o más parámetros del sistema pueden ajustarse en función de la medición eléctrica. Por ejemplo, la corriente y la tensión aplicadas pueden ajustarse en consecuencia. En algunas realizaciones, el caudal o la composición de la alimentación (por ejemplo, la concentración de oxidante) pueden ajustarse en función de la medición del parámetro eléctrico.

Adicionalmente, las variaciones en el total de sólidos disueltos (TDS) del flujo de alimentación pueden afectar a su conductividad. La tensión y la conductividad de la celda están inversamente relacionadas. Así, en algunas realizaciones, el consumo total de energía de una celda electroquímica puede controlarse mediante el control de la concentración de TDS en el flujo de alimentación. La concentración de TDS del flujo de alimentación puede controlarse introduciendo selectivamente agua de mar, agua salobre o salmuera. La conductividad del flujo de alimentación o de la corriente de producto puede medirse con un sensor. Uno cualquiera o más parámetros del sistema pueden ajustarse en función de la medición de la conductividad. En algunas realizaciones, el caudal, composición de alimentación, o el pH puede ajustarse en función de la medición de la conductividad. En algunas realizaciones, el oxidante puede sobredosificarse para alcanzar un límite de saturación del oxidante en el flujo de alimentación. Como se ha descrito anteriormente, el límite de solubilidad del oxígeno puede suponer un reto para eliminar la generación y/o acumulación de hidrógeno dentro de la celda electroquímica. En algunas realizaciones, la concentración de oxígeno disuelto puede incrementarse aumentando la presión del flujo de alimentación o aumentando la presión del oxidante inyectado (por ejemplo, oxígeno o aire). La cantidad de sobredosis de oxígeno puede depender de, por ejemplo, condiciones de flujo o turbulencia dentro de la celda electroquímica, difusividad del oxígeno dentro de la celda electroquímica, corriente de funcionamiento, área catódica, etc.

El oxidante puede inyectarse a una presión superior a la atmosférica para aumentar la solubilidad del oxidante en el flujo de alimentación o en la solución del proceso en comparación con la solubilidad del oxidante en la solución a presión atmosférica. Por ejemplo, oxígeno, aire y/u otro oxidante puede introducirse en el flujo de alimentación a una presión elevada desde aproximadamente 1 bar manométrico hasta aproximadamente 7 bar manométricos, alrededor de 3 bar manométricos a aproximadamente 5 bar manométricos, o a cualquier otra presión deseada para introducir una cantidad deseada de oxidante en la solución. En algunas realizaciones, el oxidante puede formar microburbujas en la celda electroquímica a medida que la alimentación oxigenada entra en la celda electroquímica. La presión aplicada a la solución acuosa oxigenada puede reducirse en relación con la presión aplicada al flujo de alimentación durante la introducción o exposición al agente oxidante.

De acuerdo con ciertas realizaciones, los electrodos pueden aplicar energía en forma de onda pulsada para limitar o eliminar los factores que inhiben las reacciones electroquímicas tales como la polarización y la adsorción superficial. La aplicación de energía en una forma de onda pulsada puede minimizar la polarización en la superficie del electrodo y mitigar el bloqueo de la superficie del electrodo debido a la adsorción. Generalmente, cuando se utiliza un cátodo para reducir el oxígeno disuelto, su superficie puede bloquearse con especies iónicas. Para mantener una corriente constante es necesario un aumento correspondiente de la tensión. La reducción de los sitios de catálisis de la superficie puede dar lugar a un aumento de la densidad de corriente o del potencial en el electrodo.

El bloque temporal de adsorción superficial en el electrodo puede ser reversible. Sin pretender quedar ligado a teoría alguna en particular, se cree que la aplicación de una forma de onda pulsada puede superar el agotamiento, presumiblemente como resultado del bloqueo temporal de adsorción superficial. La forma de onda pulsada puede suministrar electrones para la reacción de electrólisis a fin de evitar la desactivación de la superficie del electrodo resultante de la polarización, la adsorción superficial y otros procesos que provocan oscilaciones entre los modos activo y pasivo. En algunas realizaciones, la forma de onda pulsada puede aplicarse acoplando un pulso no electroquímico con un pulso electroquímico para perfeccionar la eficacia de la reacción.

Se puede utilizar una forma de onda pulsada de CC para proporcionar modos de reacción y relajación intermitentes para una reacción electroquímica. Por ejemplo, la forma de onda pulsada puede aplicarse para alternar de forma reversible un electrodo entre un estado “activo” y “desactivado” durante el funcionamiento en CC en estado estacionario. La forma de onda pulsada puede aplicarse a cualquier reacción electroquímica. La forma de onda pulsada puede aplicarse a cualquier electrodo, recubierto por catalizador o de otra forma. La forma de onda pulsada puede ser especialmente beneficiosa cuando se usa la electroquímica para generar productos químicos, tal como el hipoclorito, que tienden a producir subproductos no deseables, por ejemplo, hidrógeno. La forma de onda pulsada puede aplicarse cuando el electrodo catalítico está reaccionando con una molécula redox en solución para impedir la formación de gas H2.

En algunas realizaciones, los estados activo y desactivado pueden comprender un aumento/disminución de la magnitud de la corriente aplicada, respectivamente. Los estados activo y desactivado pueden comprender un funcionamiento en modo encendido/apagado. Los estados activo y desactivado pueden comprender una inversión de la corriente eléctrica, de tal manera que los electrodos anódico y catódico invierten su función periódicamente. Al funcionar en forma de onda pulsada, la celda de electrólisis puede funcionar con menos potencial. La forma de la onda pulsada no es limitativa. La forma puede comprender una onda cuadrada, una onda sinusoidal, una onda triangular, u otras formas. El pulso puede ser simétrico o asimétrico. Por ejemplo, la forma del pulso puede ser el resultado de una generación aleatoria de la forma de onda. La temporización entre pulsaciones puede ser regular o irregular.

La forma de onda pulsada puede diseñarse para optimizar la reducción del oxígeno disuelto limitando al mismo tiempo la generación de hidrógeno. Por ejemplo, el pulso puede diseñarse para funcionar el mayor tiempo posible hasta que se calcule que se generará hidrógeno o hasta que se detecte hidrógeno. En algunas realizaciones, la potencia se aplica en un pulso inferior a 500 segundos, inferior a 200 segundos, o inferior a 100 segundos. Por ejemplo, la corriente puede funcionar en un modo pulsado que tiene una duración de aproximadamente 90 segundos, 80 segundos, 70 segundos, 60 segundos, 50 segundos, 40 segundos, 30 segundos, 20 segundos, o 10 segundos por cada pulso. Adicionalmente, tal fuente de alimentación pulsante puede dar lugar a un potencial catódico inferior a 1,6 voltios, 1,5 voltios, 1,3 voltios, o 1,0 voltios. Otras realizaciones de temporización de pulsos y del potencial catódico pueden extrapolarse desde los datos presentados en la FIG. 1. Por ejemplo, la potencia puede aplicarse en un pulso que dure entre 0 y 500 segundos, para limitar la tensión al potencial catódico correspondiente, como se muestra en la FIG. 1.

El diseño de los electrodos puede afectar a uno o más de los parámetros aquí descritos. En algunas realizaciones, la concentración de oxígeno disuelto puede aumentarse empleando un electrodo basado en carbono poroso. El electrodo basado en carbono puede tener un área específica inferior a aproximadamente 10 m2/g. La densidad de corriente que pasa por un electrodo de este tipo suele ser baja, mientras que la densidad de corriente total respectiva es generalmente inferior a 5000 A/m2. En algunas realizaciones, la densidad de corriente total es inferior a 4000 Alm2, inferior a 3000 Alm2, inferior a 2000 Alm2, inferior a 1500 Alm2, o inferior a 1000 A/m2.

En algunas realizaciones, puede incorporarse un catalizador en la superficie del electrodo para mitigar la generación y/o acumulación de hidrógeno. El catalizador puede emplearse para promover la formación de agua a partir de oxígeno disuelto e hidrógeno generado. Por lo general, el catalizador puede incorporarse en la superficie de un cátodo, donde se genera hidrógeno gaseoso. El catalizador puede comprender un metal de la serie del platino, un metal noble, un metal de tierras raras, un óxido, o una combinación de los mismos. Los catalizadores ejemplares incluyen óxidos metálicos de tierras raras, por ejemplo, óxidos de iridio y rutenio, y otros óxidos metálicos mixtos (MMO). El catalizador puede comprender estaño, titanio, tántalo o antimonio. El MMO puede comprender platino. En algunas realizaciones, el recubrimiento puede depositarse mediante electrodeposición o deposición térmica.

El electrodo basado en carbono poroso, junto con un catalizador de platino, pueden sufrir una escasa resistencia mecánica, inestabilidad del catalizador y bloqueo del electrodo. En algunas realizaciones, los electrodos pueden ser no porosos. Por ejemplo, los electrodos pueden ser de titanio platinado. El electrodo de titanio platinado con un área de superficie geométrica puede combinarse con cualquiera de los enfoques antes considerados, concretamente, aumentando la presión del flujo de alimentación o del oxidante, funcionando a una velocidad de flujo lineal elevada, o aplicando una fuente de alimentación de forma de onda pulsada.

La proporción área/volumen del electrodo puede manipularse mediante la selección de factores tales como el grosor del electrodo, distancia entre electrodos, así como el tamaño total de la celda. La composición y el área del electrodo pueden seleccionarse para permitir la inversión de polaridad. En algunas realizaciones, el ánodo y el cátodo tienen un área sustancialmente igual. En algunas realizaciones, el ánodo y el cátodo están recubiertos con un catalizador. El área sustancialmente igual y la composición catalítica de ambos electrodos favorecen la intercambiabilidad del ánodo y el cátodo, permitiendo la inversión de la polaridad de los electrodos para mitigar la incrustación.

Los sistemas también pueden diseñarse para promover una fuente de alimentación pulsada eficiente. Un electrodo desactivado durante la pulsación puede recuperarse cuando no está en funcionamiento o en un potencial opuesto. En algunas realizaciones, los sistemas aquí divulgados pueden contener múltiples electrodos en cada ánodo y cátodo. Durante el funcionamiento, un electrodo puede estar activado mientras otro electrodo está desactivado, es decir, recuperándose para el funcionamiento. El estado activado y desactivado de cada electrodo puede ser reversible. Entre pulsos, el electrodo previamente desactivado puede activarse, mientras que el electrodo previamente activado puede desactivarse para su recuperación.

En la FIG. 2 se muestra una celda electroquímica 100 ejemplar. La celda electroquímica 100 incluye un ánodo 102 y un cátodo 103 dispuestos dentro de una carcasa. Los electrodos pueden estar dispuestos en serie, como se muestra en la FIG. 2. En algunas celdas electroquímicas, los electrodos pueden estar dispuestos en paralelo, como se muestra en las realizaciones de las FIGS. 15A - 15D. Los electrodos pueden estar en comunicación fluida mediante flujo directo en serie, flujos que se dividen, flujos que se fusionan, o una combinación de los mismos. En algunas realizaciones, los electrodos pueden estar separados por fluidos y unidos por una o más conexiones iónicas, por ejemplo, un puente salino o una membrana permeable a los iones. La membrana permeable a los iones puede ser selectiva a los iones monovalentes.

Las celdas electroquímicas para usar en los sistemas y métodos descritos en el presente documento pueden incluir electrodos tubulares concéntricos (ETC), electrodos planos (por ejemplo, dispuestos en una celda de electrocloración de placas paralelas (EPP)), electrodos enrollados en espiral, electrodos dispuestos radialmente, o electrodos intercalados. La celda electroquímica puede ser un dispositivo de una sola pasada o de múltiples pasadas. Los electrodos pueden comprender un sustrato metálico de válvula, por ejemplo, titanio, tántalo o niobio. Los electrodos pueden ser electrodos metálicos rígidos. Los electrodos pueden formarse por extrusión. Los electrodos pueden formarse por doblado de chapa metálica, por ejemplo, doblando la chapa metálica sobre sí misma. Los electrodos pueden ser electrodos de difusión de gas, por ejemplo, electrodos porosos de difusión de gas. Las celdas electroquímicas ejemplares se describen en más detalle en la solicitud internacional con n.° de publicación WO 2017/049052.

Los electrodos pueden ser monopolares o bipolares. Los electrodos pueden estar dispuestos de tal manera que la corriente fluya en una sola pasada entre los electrodos. La corriente puede fluir del ánodo al cátodo. Como alternativa, los electrodos pueden estar dispuestos de tal manera que la corriente fluya en más de una pasada a través del dispositivo. Dicho dispositivo puede contener electrodos exteriores y electrodos interiores. En algunas realizaciones, uno de los electrodos exteriores está recubierto en la superficie interior para servir de ánodo. El otro electrodo puede estar sin recubrir o recubierto (por ejemplo, para permitir la inversión de polaridad). En algunas realizaciones, el electrodo interior puede ser un electrodo bipolar, de tal manera que una porción de la superficie exterior del electrodo interior puede estar recubierta y la parte restante puede estar sin recubrir. En una realización ejemplar, la corriente puede fluir a través del electrolito desde el electrodo exterior recubierto hasta la porción no recubierta del electrodo interior, a lo largo del electrodo interior hasta la porción recubierta, a continuación, de nuevo a través del electrolito hasta el electrodo exterior sin recubrimiento.

En algunas realizaciones, los electrodos pueden estar dispuestos de tal manera que la corriente fluya en múltiples pasadas a través del dispositivo con múltiples electrodos exteriores y un electrodo interior. Alternando electrodos exteriores recubiertos y no recubiertos y recubriendo los electrodos interiores a intervalos coincidentes, la corriente puede fluir de un lado a otro del electrolito en múltiples pasadas. En algunas realizaciones, los electrodos exterior e interior están recubiertos para permitir la inversión de polaridad. Al permitir múltiples pasadas, la tasa global de producción de desinfectante (p. ej., hipoclorito de sodio), puede aumentarse sin un aumento proporcional de la corriente aplicada. El aumento de la corriente eléctrica requeriría cables o barras colectoras más grandes desde la fuente de alimentación de CC hasta la celda de electrocloración, conectores eléctricos más grandes en la celda y titanio más grueso para los electrodos.

Para la misma corriente, un dispositivo de múltiples pasadas puede lograr una mayor tasa de producción que una celda de una sola pasada. Sin embargo, la caída de tensión global puede ser mayor en un dispositivo de múltiples pasadas, y aproximadamente proporcional al número de pasadas. Para una misma tasa de producción, una celda de múltiples pasadas puede requerir una corriente menor, aproximadamente inversamente proporcional al número de pasadas. Adicionalmente, para la misma salida de alimentación (kW), los costes de la fuente de alimentación pueden ser más sensibles a la corriente de salida que a la tensión de salida, favoreciendo de este modo las celdas de múltiples pasadas.

En alguna realización, un sistema puede incluir grupos de electrodos dispuestos en paralelo. Los grupos de electrodos pueden estar conectados eléctricamente en paralelo, con un grupo conectado a una salida positiva de una fuente de alimentación de CC y otro grupo conectado a la salida negativa. En algunas realizaciones, los electrodos situados entre ellos pueden ser bipolares. Los grupos de electrodos planos pueden permitir una mayor densidad de empaquetamiento del área de electrodos activos por unidad de volumen del dispositivo, cuando se disponen de tal manera que ambos lados de cada electrodo están expuestos a la solución electrolítica y, por tanto, participan en las reacciones del electrodo. El empaquetamiento más ajustado y las múltiples pasadas pueden provocar una mayor caída de presión.

Los electrodos pueden estar dentro de una carcasa diseñada para aislarlos eléctricamente del entorno exterior y para soportar la presión del electrolito que pasa a través de la celda electroquímica. La carcasa puede ser un recipiente cilíndrico o sustancialmente cilíndrico. La carcasa puede ser no conductora, químicamente no reactiva a las soluciones electrolíticas, y puede tener suficiente resistencia para soportar las presiones del sistema. Por ejemplo, la carcasa puede estar diseñada para soportar hasta 10 bar de presión o hasta 16 bar de presión para ser compatible con la inyección de oxidante a presión, según sea necesario. En algunas realizaciones, un núcleo sólido, se puede proporcionar un elemento de núcleo central, o un director de flujo de fluido que impida que el fluido fluya por el centro y que sortee el espacio entre los electrodos. Se pueden proporcionar espaciadores entre el ánodo y el cátodo para mantener una separación fija. Se puede proporcionar un conducto central de gas para la entrega de oxígeno para que el oxígeno pueda combinarse con hidrógeno producido por, por ejemplo, reacciones de electrocloración en la celda para producir agua. Un fluido, por ejemplo, un electrolito sometido a tratamiento en la celda puede fluir a través de los canales de fluido de la carcasa. Por ejemplo, el fluido puede dirigirse en una dirección paralela, o al menos sustancialmente paralela, a un eje longitudinal central de la celda electroquímica.

En realizaciones divulgadas en el presente documento que incluyen múltiples electrodos anódicos o catódicos, los múltiples electrodos anódicos pueden denominarse colectivamente ánodo o tubo anódico, y los múltiples electrodos catódicos pueden denominarse colectivamente cátodo o tubo catódico. En realizaciones que incluyen múltiples electrodos anódicos y/o catódicos, los múltiples electrodos anódicos y/o múltiples electrodos catódicos pueden denominarse colectivamente en el presente documento como un par ánodo-cátodo.

La conexión eléctrica puede realizarse entre pares de electrodos mediante uno o más puentes conductores, que pueden ser del mismo material que los electrodos, por ejemplo, titanio. La celda electroquímica puede incluir una pluralidad de ánodos separados de los cátodos por canales de fluido. Se producen reacciones electroquímicas y químicas en las superficies de los electrodos y en la solución a granel para generar una solución de producto, por ejemplo, hipoclorito sódico para la desinfección.

Celdas electroquímicas, incluidos electrodos enrollados en espiral, concéntricos, dispuestos radialmente e intercalados, se describen en más detalle en la publicación de solicitud internacional n.° WO 2016/133985.

De acuerdo con determinados aspectos, se proporciona un sistema electroquímico. El sistema electroquímico puede ser un sistema de electrocloración. El sistema electroquímico puede incluir una celda electroquímica, una fuente de solución acuosa, uno o más sensores, y un controlador.

En la FIG. 3 se ilustra una realización ejemplar de un sistema electroquímico, indicado generalmente en 800. En la FIG. 3, el elemento 1000 representa una celda electroquímica para la producción de un compuesto de producto a partir de una solución acuosa. El compuesto de producto comprende un compuesto a base de cloro, por ejemplo, un desinfectante. El compuesto de producto puede comprender peróxido de hidrógeno. La solución acuosa comprende una solución acuosa que contiene cloruro. La solución acuosa puede comprender agua a tratar, por ejemplo, una solución acuosa salina tal como agua de mar, salmuera o agua salobre.

La celda electroquímica 1000 puede ser similar a cualquiera de las realizaciones de celdas electroquímicas divulgadas anteriormente. La carcasa 1005 de la celda electroquímica 1000 incluye una entrada 1010 y una salida 1015. Un par ánodo-cátodo como se ha descrito anteriormente con referencia a las diversas celdas electroquímicas divulgadas está dispuesto dentro de la carcasa 1005. Una fuente de solución acuosa 900 incluye una salida 905 que es conectable hidráulicamente (y en funcionamiento, está conectada hidráulicamente) a la entrada 1010 de la celda electroquímica 1000.

Una fuente de un agente oxidante 805 es conectable hidráulicamente (y en funcionamiento, está conectada hidráulicamente) a la fuente de solución acuosa 900 aguas arriba de la entrada 1010 de la celda electroquímica 1000. La fuente de agente oxidante 805 puede ser conectable o conectarse hidráulicamente a la fuente de solución acuosa 900 directamente, o puede ser conectable o conectarse hidráulicamente a un punto de inyección 810 en un conducto 815 conectable o conectado hidráulicamente entre la fuente de solución acuosa 900 y la entrada 1010 de la celda electroquímica 1000. La salida 1015 de la celda electroquímica 1000 es conectable hidráulicamente (y en funcionamiento, está conectada hidráulicamente) a un tanque de almacenamiento o punto de uso 1100, por ejemplo, a través del conducto 820.

Pueden incluirse varias bombas en la porción del sistema 800 para provocar el flujo de las diversas soluciones acuosas implicadas, pero no se ilustran en aras de la claridad. También pueden estar presentes varios sensores que pueden medir diversos parámetros de funcionamiento de la porción del sistema 800 y de las diversas soluciones acuosas implicadas, pero se omiten de la FIG. 3 en aras de la claridad.

Durante el funcionamiento, una solución acuosa puede fluir desde la fuente de la solución acuosa 900 a través del conducto 815 y hacia la entrada 1010 de la celda electroquímica 1000. Un agente oxidante de la fuente de agente oxidante 805 puede introducirse en la solución acuosa. El agente oxidante procedente de la fuente de agente oxidante 805 puede introducirse directamente en la fuente de la solución acuosa 900 y/o en el conducto 815 aguas arriba de la celda electroquímica 1000, donde se mezcla con la solución acuosa que fluye hacia la celda electroquímica 1000. En la celda electroquímica 1000 se genera una solución de producto a partir de la solución acuosa. La solución de producto fluye fuera de la celda electroquímica 1000 a través de la salida 1015 y a través del conducto 820 hasta el tanque de almacenamiento o punto de uso 1100.

La fuente de agente oxidante 805 puede incluir un sistema para mezclar un agente oxidante gaseoso, por ejemplo, aire u oxígeno puro en una solución acuosa, por ejemplo, agua o la solución acuosa. La fuente del agente oxidante 805 puede recibir la solución acuosa a la que se va a añadir el agente oxidante desde la fuente de la solución acuosa 900, por ejemplo, a través del conducto 910 o a través de un ramal del conducto 815. La fuente de agente oxidante 805 puede incluir, por ejemplo, una bomba de flotación por aire disuelto, un difusor tubular de burbujas finas, un recipiente de aireación, un recipiente mezclador, un venturi, u otra forma de sistema de oxigenación configurado para mezclar el agente oxidante con la solución acuosa aguas arriba de la celda electroquímica. En algunas realizaciones, como se ilustra en la FIG. 4, la fuente de agente oxidante 805 puede estar en línea en el conducto 815. En algunas realizaciones, la fuente de un agente oxidante puede incluir un conducto 835 dispuesto para recircular un producto de la celda electroquímica 1000 como agente oxidante.

En otra realización, la celda electroquímica 1000 incluye además uno o más puntos de inyección de agente oxidante 825 en la carcasa 1005 entre la entrada 1010 y la salida 1015, como ilustra la FIG. 5. Los puntos de inyección de agente oxidante 825 pueden estar espaciados sustancialmente de forma uniforme a lo largo de la carcasa 1005. Estos puntos de inyección de agente oxidante adicionales 825 pueden proporcionar la introducción de agente oxidante adicional en la celda electroquímica 1000, solo en la medida deseada y donde se desee. Por ejemplo, si el agente oxidante incluye un gas tal como aire u oxígeno, puede no ser deseable introducir demasiado agente oxidante en la entrada 1010 de la celda electroquímica 1000 porque podría salir de la solución en forma de burbujas de gas y cubrir parcialmente el ánodo o el cátodo en la celda electroquímica 1000, reduciendo el área del electrodo disponible para generar el producto.

La inclusión de múltiples puntos de inyección de agente oxidante 825 puede proporcionar la introducción de una cantidad menor de agente oxidante en la entrada 1010 que la que podría desearse para reaccionar con el hidrógeno a lo largo de toda la celda electroquímica. Se puede introducir agente oxidante adicional en los puntos de inyección de agente oxidante adicional 825 para compensar la pérdida de agente oxidante que se introdujo a través de la entrada 1010 mediante reacción con hidrógeno en la celda electroquímica 1000. El uso de múltiples puntos de inyección de agente oxidante 825 en la carcasa 1005 puede facilitar el mantenimiento de una concentración sustancialmente uniforme de agente oxidante a lo largo de la celda electroquímica 1000. El uso de múltiples puntos de inyección de agente oxidante 825 en la carcasa 1005 puede facilitar la entrega de agente oxidante a las áreas deseadas en la celda electroquímica 1000 que el agente oxidante introducido a través de la entrada 1010 podría no alcanzar debido a, por ejemplo, baja turbulencia y una pequeña cantidad de mezcla o un bajo número de Reynolds para el flujo de fluido dentro de la celda electroquímica 1000.

El punto de uso 1100 puede incluir un sistema a bordo de una embarcación, un sistema de plataforma de perforación, un sistema acuático (por ejemplo, una piscina o una fuente), un sistema de agua potable, o un fondo de pozo de un sistema de perforación petrolífera. El punto de uso 1100 puede incluir un sistema de agua de refrigeración de un buque o plataforma marítima o un tanque de lastre de un buque.

En la FIG. 6 se ilustra otra realización de un sistema electroquímico ejemplar, indicado generalmente en 1200. El sistema 1200 incluye una celda electroquímica 1000 que puede ser similar a cualquiera de las realizaciones de celdas electroquímicas divulgadas anteriormente. Una fuente de agente oxidante o sistema oxidante 805 puede disponerse en el conducto 815 aguas arriba de la celda electroquímica 1000. La fuente de la solución acuosa 900 se ilustra como un tanque. El punto de uso 1100 puede estar situado aguas abajo de la celda electroquímica 1000. Entre la celda electroquímica 1000 y el punto de uso 1100 puede haber un tanque de retención o almacenamiento 1105 conectado al punto de uso 1100 mediante una válvula (sin etiquetar) que puede abrirse, cerrarse, o ajustarse para dosificar el punto de uso 1100 con cantidades deseadas de producto generado en la celda electroquímica 1000.

Varias bombas pueden controlar el flujo de fluido a través del sistema. Uno o más sensores pueden controlar uno o más parámetros del fluido que circula por el sistema, por ejemplo, de solución acuosa que se introducirá en una celda electroquímica de uno o más sistemas electroquímicos, de fluido interno de la celda electroquímica, de líquido en el punto de uso, o de la solución de producto producida o generada en la celda electroquímica. Estos parámetros pueden incluir, por ejemplo, el caudal, concentración iónica, concentración de cloro, concentración de oxígeno, concentración de hidrógeno, el pH, parámetros eléctricos, temperatura, potencial de reducción de oxígeno (ORP), o cualquier otro parámetro de interés. Sensores adicionales pueden controlar parámetros de la propia celda electroquímica, por ejemplo, corriente y/o tensión a través de un par ánodo-cátodo en la celda electroquímica, temperatura de la celda electroquímica o dentro de ella, o caudal de electrolito a través de la celda electroquímica.

Las bombas y los sensores pueden estar en comunicación con un sistema de control o controlador que se comunica con los sensores y las bombas y controla el funcionamiento de las bombas y otros elementos del sistema para lograr los parámetros de funcionamiento deseados.

Diversos parámetros de funcionamiento de los sistemas electroquímicos divulgados en el presente documento pueden ser controlados o ajustados por un sistema de control asociado o controlador basado en diversos parámetros medidos por varios sensores situados en diferentes porciones de los sistemas electroquímicos. El controlador puede programarse o configurarse para regular la introducción del agente oxidante en la solución acuosa que se va a introducir en la celda electroquímica de un sistema basándose al menos en uno o más de un caudal de la solución acuosa, una concentración de cloruro en la solución acuosa, o un potencial de oxidación-reducción de un líquido en un punto de uso de una solución de producto generada en la celda electroquímica. El controlador puede programarse o configurarse para regular la introducción del agente oxidante en la solución acuosa basándose al menos en una concentración de un compuesto de producto generado en la celda electroquímica. El controlador puede configurarse además para regular la concentración del compuesto de producto generado en la celda electroquímica basándose al menos en un potencial de oxidación-reducción del líquido en un punto de uso conectable hidráulicamente a la salida de la carcasa de la celda electroquímica. En algunas realizaciones, el controlador puede configurarse para introducir el agente oxidante en la solución acuosa en una cantidad suficiente para impedir la formación de hidrógeno gaseoso durante el funcionamiento de la celda electroquímica.

El controlador puede programarse o configurarse para regular la introducción del agente oxidante en la solución acuosa o la introducción de la solución acuosa en la celda electroquímica basándose al menos en uno o más de la temperatura en la celda electroquímica, el pH de la solución acuosa, el pH de una solución de producto generada en la celda electroquímica, el caudal de la solución acuosa o de producto, el ORP de la solución acuosa o de producto, o la corriente o tensión aplicada a través del ánodo y del cátodo. El controlador puede programarse o configurarse para regular la introducción del agente oxidante en la solución acuosa o la introducción de la solución acuosa en la celda electroquímica basándose al menos en uno o más de una cantidad de hidrógeno gaseoso presente en la celda electroquímica, una concentración de hidrógeno disuelto en la solución acuosa, una concentración de oxígeno disuelto en la solución acuosa, o una concentración de oxígeno disuelto en una solución de producto generada en la celda electroquímica.

El controlador puede programarse o configurarse para regular una corriente a través del par ánodo-cátodo en función de un caudal de la solución acuosa o de una frecuencia de introducción del agente oxidante en la solución acuosa. El controlador puede programarse o configurarse para invertir la polaridad del ánodo y el cátodo para reducir, impedir o suprimir la generación de hidrógeno gaseoso en la celda electroquímica. Por ejemplo, el controlador puede programarse o configurarse para invertir la polaridad de los electrodos en respuesta a la tensión medida a través del par ánodo-cátodo o a que la concentración de hidrógeno disuelto supere un umbral predeterminado. En algunas realizaciones, el controlador puede programarse o configurarse para invertir la polaridad del ánodo y el cátodo para impedir la generación de hidrógeno gaseoso en la celda electroquímica.

El controlador está programado o configurado para hacer que la corriente se aplique en una forma de onda pulsada como se ha divulgado en el presente documento. El controlador puede configurarse para cambiar, alterar o regular la corriente aplicada por los electrodos. En algunas realizaciones, el controlador está configurado para regular una duración de pulsos de corriente. El controlador puede regular adicionalmente o alternativamente una frecuencia de incidencia de la corriente pulsada. La duración de los pulsos y/o la frecuencia de incidencia pueden producirse a intervalos regulares o irregulares (por ejemplo, según sea necesario o según lo determine un sensor). El controlador puede regular una tensión aplicada a través del ánodo y el cátodo. El controlador puede programarse o configurarse para regular la corriente aplicada, la tensión aplicada, o la forma de onda pulsada que responda a un caudal de la solución acuosa en la celda electroquímica, una tensión medida a través del ánodo y el cátodo, o la concentración de hidrógeno gaseoso en la solución de producto. El controlador puede programarse o configurarse para regular la corriente aplicada, la tensión aplicada, la polaridad de los electrodos, o la forma de onda pulsada que responda a un caudal, una medición del pH, una medición de la temperatura, o un potencial de oxidación-reducción de al menos una solución del proceso. El controlador puede programarse o configurarse para regular la corriente aplicada, la tensión aplicada, la polaridad de los electrodos, o la forma de onda pulsada que responda a una concentración de oxígeno disuelto o de hidrógeno disuelto de al menos una solución del proceso.

En algunas realizaciones, el controlador puede programarse o configurarse para aplicar corriente en forma de onda pulsada para reducir, impedir o suprimir la generación o acumulación de hidrógeno gaseoso. Por ejemplo, el controlador puede programarse o configurarse para aplicar corriente en forma de onda pulsada que responda a una concentración de hidrógeno gaseoso que supere un umbral predeterminado suficiente para provocar la generación de hidrógeno gaseoso durante el funcionamiento de la celda electroquímica. En algunas realizaciones, el controlador puede programarse o configurarse para aplicar corriente en una forma de onda pulsada para suprimir sustancialmente toda la acumulación de hidrógeno gaseoso dentro de la celda electroquímica.

El controlador puede programarse o configurarse para regular la corriente aplicada, la tensión aplicada, la polaridad de los electrodos, o la forma de onda pulsada suficiente para impedir la generación de hidrógeno gaseoso dentro de la celda electroquímica. La corriente aplicada, la tensión aplicada, la polaridad de los electrodos, o la forma de onda pulsada pueden depender de, por ejemplo, condiciones de flujo o turbulencia dentro de la celda electroquímica, difusividad del oxígeno dentro de la celda electroquímica, corriente de funcionamiento, área catódica, etc.

En algunas realizaciones, el controlador puede programarse o configurarse para regular una o más condiciones de la solución acuosa en cantidad suficiente para impedir la generación de hidrógeno gaseoso dentro de la celda electroquímica. El controlador puede programarse o configurarse para regular el caudal o la composición de la solución acuosa, de tal manera que el oxidante disponible se proporcione en una cantidad aproximadamente estequiométrica con una cantidad de compuesto de producto producido en la celda electroquímica. La regulación de la solución acuosa puede depender de, por ejemplo, condiciones de flujo o turbulencia dentro de la celda electroquímica, difusividad del oxígeno dentro de la celda electroquímica, corriente de funcionamiento, área catódica, etc. La composición de la solución acuosa puede regularse mediante la dosificación de uno o más compuestos, por ejemplo, un agente equilibrante del pH o un oxidante.

En algunas realizaciones, el controlador puede estar adicionalmente programado o configurado para introducir el agente oxidante en la solución acuosa en una cantidad suficiente para impedir la generación de hidrógeno gaseoso dentro de la celda electroquímica. El controlador puede programarse o configurarse para introducir el agente oxidante en la solución acuosa en una cantidad aproximadamente estequiométrica con una cantidad de compuesto de producto producido en la celda electroquímica, y potencialmente sobredosificar el agente oxidante por encima de la cantidad estequiométrica, por ejemplo, proporcionar suficiente disponibilidad de agente oxidante en el cátodo o cátodos de la celda electroquímica de tal manera que no se genere hidrógeno en el cátodo o cátodos durante el funcionamiento. La cantidad de sobredosis de oxígeno puede depender de, por ejemplo, condiciones de flujo o turbulencia dentro de la celda electroquímica, difusividad del oxígeno dentro de la celda electroquímica, corriente de funcionamiento, área catódica, etc. El controlador puede programarse o configurarse para introducir el agente oxidante en la solución acuosa en una cantidad suficiente para que se oxide prácticamente todo el hidrógeno libre de la celda electroquímica.

En general, el controlador puede programarse para realizar cualquier cambio que limite o impida la generación de hidrógeno gaseoso. En una curva I-V, un cambio en la tensión puede indicar la generación de hidrógeno gaseoso. Así, el controlador puede estar habilitado para controlar las condiciones que mantienen la tensión indicativa de la producción de hidrógeno gaseoso (o la tensión umbral predeterminada) por debajo del límite que puede indicar la generación de hidrógeno gaseoso. Dado que la generación de hidrógeno gaseoso depende generalmente de condiciones tales como la temperatura, el pH, el ORP, concentración de oxígeno disuelto y concentración de hidrógeno disuelto, uno cualquiera de estos parámetros, o más de uno, podrá controlarse para que se mantenga dentro de un intervalo predeterminado que indique una producción limitada o nula de hidrógeno gaseoso dentro del sistema.

El controlador para supervisar y controlar el funcionamiento de los distintos elementos del sistema puede incluir un sistema de control informatizado. Los dispositivos de salida configurados para actuar en respuesta a las instrucciones del controlador pueden comprender válvulas, bombas o interruptores que pueden utilizarse para introducir una solución acuosa (por ejemplo, salmuera, agua salobre o agua de mar) desde la fuente hasta el sistema electroquímico y/o para controlar la velocidad de las bombas. Uno o más sensores también pueden proporcionar información al controlador. Estos sensores pueden incluir, por ejemplo, sensores que pueden ser, por ejemplo, sensores de presión, sensores de concentración química, sensores de temperatura, o sensores para cualquier otro parámetro de interés para el sistema. Estos sensores pueden situarse en cualquier porción del sistema donde resulten útiles, por ejemplo, aguas arriba del punto de uso en comunicación fluida con una solución de producto, dentro de la celda electroquímica o en comunicación fluida con una solución próxima al ánodo o al cátodo, y/o aguas arriba de una entrada de la celda electroquímica en comunicación fluida con la fuente de solución acuosa. Además, el controlador puede contener uno o más interfases (no mostrados) que conectan el controlador a una red de comunicación adicionalmente o como alternativa a los mecanismos de interconexión divulgados.

Haciendo referencia de nuevo al sistema ejemplar mostrado en la FIG. 6, el sistema 1200 puede incluir múltiples sensores S1-S6 que pueden suministrar datos a un sistema de control o controlador 2000 que puede ajustar los parámetros de funcionamiento de los componentes del sistema 1200 basándose en los datos de los sensores.

Los sensores pueden incluir un sensor para medir la concentración de hidrógeno gaseoso. El sensor para la medición de hidrógeno gaseoso puede estar en comunicación fluida con la solución de producto. Por ejemplo, el sensor puede estar aguas abajo de un cátodo, donde tiende a generarse hidrógeno gaseoso. El sensor puede estar provisto para determinar cuándo el hidrógeno gaseoso se ha acumulado hasta una concentración umbral peligrosa. El sensor de medición de la concentración de hidrógeno gaseoso puede usarse para proporcionar datos al controlador que pueden utilizarse para invertir la polaridad de los electrodos, modificar la corriente o la tensión aplicadas (por ejemplo, aplicar una forma de onda pulsada), o modificar una frecuencia de introducción de solución acuosa u oxidante en respuesta a que la concentración de dureza divalente supere un umbral predeterminado.

Los sensores pueden incluir un sensor de temperatura S1 aguas abajo del intercambiador de calor 1210 que puede proporcionar retroalimentación para el control del intercambiador de calor, un sensor de temperatura S1 en o sobre la celda electroquímica 1000 que puede utilizarse para proporcionar datos que el controlador puede utilizar para invertir la polaridad del ánodo y el cátodo, modificar o aplicar corriente en forma de onda pulsada, ajustar una frecuencia de introducción de la solución acuosa en la celda electroquímica, ajustar las dosis de agente oxidante en la solución acuosa, o cualquier otra acción que pueda tomarse en respuesta a una medición de temperatura. El sistema puede incluir adicionalmente o alternativamente un sensor de temperatura S1 en o sobre el punto de uso 1100, que puede proporcionar retroalimentación al controlador, que puede utilizarse para determinar cuándo y cuánto producto debe dosificarse en el punto de uso 1100.

En algunas realizaciones, los sensores de pH S2 pueden estar situados aguas arriba y/o aguas abajo de la celda electroquímica 1000, y pueden proporcionar retroalimentación al controlador, que puede utilizarse para ajustar el funcionamiento del sistema de ajuste de pH 1205 para mantener el pH de la solución acuosa que entra en la celda electroquímica 1000 y/o la solución de producto que sale de la celda electroquímica 1000 dentro de los intervalos deseados. Por ejemplo, el sistema de ajuste del pH 1205 puede funcionar para mantener el pH de la solución acuosa que entra en la celda electroquímica 1000 entre aproximadamente 4 y aproximadamente 10. Un sensor de pH S2 puede utilizarse para proporcionar datos que el controlador puede utilizar para invertir la polaridad del ánodo y el cátodo, modificar o aplicar corriente en forma de onda pulsada, ajustar una frecuencia de introducción de la solución acuosa en la celda electroquímica, ajustar las dosis de agente oxidante en la solución acuosa, o cualquier otra acción que pueda realizarse en respuesta a una medición del pH.

El sistema 1200 puede incluir un sistema de ajuste de pH 1205 que incluye una fuente de regulador del pH, por ejemplo, un ácido mineral o un cáustico tal como NaOH y un intercambiador de calor 1210. El sistema de ajuste de pH 1205 puede ajustar el pH de la solución acuosa a un pH que haga favorables las reacciones para la generación de una especie deseada de producto en la celda electroquímica 1000, a un pH suficientemente alto como para suprimir la formación de hidrógeno gaseoso en la celda electroquímica 1000, y/o a un pH suficientemente bajo como para suprimir la precipitación de magnesio de la solución acuosa en la celda electroquímica 1000. El sistema de ajuste de pH 1205 puede ajustar el pH de la solución acuosa a un pH de, por ejemplo, entre aproximadamente 2 y aproximadamente 14 o entre aproximadamente 7 y aproximadamente 10. El intercambiador de calor puede usarse para ajustar la temperatura de la solución acuosa a una temperatura que dé lugar a la cinética de reacción deseada en la celda electroquímica 1000 y/o para ajustar la solubilidad del oxígeno o del hidrógeno en la solución acuosa.

Puede usarse un sensor de oxígeno disuelto S3 para medir los niveles de oxígeno disuelto en la solución acuosa. Puede usarse un sensor de hidrógeno disuelto S3 para medir los niveles de hidrógeno disuelto en la solución acuosa. Un sensor de oxígeno o hidrógeno disuelto puede medir el oxígeno o el hidrógeno en un electrodo del sistema o en la solución de producto. El controlador puede utilizar una indicación del nivel de oxígeno disuelto o hidrógeno en la solución acuosa para controlar la fuente de agente oxidante o sistema oxidante 805 para mantener el nivel de oxígeno disuelto en la solución acuosa que se introducirá en la celda electroquímica dentro de un intervalo deseado. El controlador puede utilizar una indicación del nivel de oxígeno disuelto o hidrógeno en la solución de producto para controlar la fuente de agente oxidante o sistema oxidante 805 para mantener el nivel de oxígeno disuelto en la solución acuosa que se introducirá en la celda electroquímica dentro de un intervalo deseado.

Un sensor de caudal S4 puede proporcionar datos de caudal de solución de producto al controlador, que puede utilizar estos datos para controlar el funcionamiento de la bomba P, la fuente de agente oxidante o el sistema oxidante 805, y/o la corriente o la tensión aplicados a través del par ánodo-cátodo de la celda electroquímica 1000. En algunas realizaciones, un sensor de flujo puede proporcionar datos de caudal de solución acuosa al controlador.

Puede utilizarse un contador eléctrico S5, por ejemplo, un potenciostato para medir parámetros eléctricos y/o generar una curva corriente-tensión de la solución acuosa o de la solución de producto, que puede utilizarse para obtener información sobre si la celda electroquímica está funcionando en el intervalo deseado. En algunas realizaciones, el intervalo deseado es aquel en el que una concentración de dureza divalente cae por debajo de un umbral predeterminado de tal manera que no se genera hidrógeno gaseoso dentro de la celda electroquímica. En algunas realizaciones, el intervalo deseado es aquel en el que prácticamente todo el hidrógeno de la celda electroquímica está reaccionando con el oxígeno suministrado en la solución acuosa. El controlador puede utilizar los datos del contador eléctrico S5 para controlar el funcionamiento de la bomba P (es decir, una frecuencia de introducción de la solución acuosa en la celda electroquímica), la fuente de agente oxidante o el sistema oxidante 805, y/o la corriente o la tensión aplicados a través del par ánodo-cátodo de la celda electroquímica 1000. El controlador puede utilizar los datos del contador eléctrico S5 para invertir la polaridad del ánodo y el cátodo o modificar o aplicar corriente en una forma de onda pulsada.

Se puede proporcionar un medidor de potencial de oxidación-reducción (ORP) S6 para obtener lecturas de ORP del líquido en el punto de uso 1100, que pueden ser utilizadas por el controlador para determinar cuándo y cuánta solución de producto debe dosificarse en el punto de uso 1100. En algunas realizaciones, puede proporcionarse un medidor de potencial de oxidación-reducción (ORP) para obtener lecturas de ORP de la solución de producto que pueden ser utilizadas por el controlador para regular una frecuencia de introducción de la solución acuosa en la celda electroquímica.

El sistema 1200 puede incluir además una columna de separación de gases 1215 que puede utilizarse para eliminar el hidrógeno residual de la solución de producto. Se puede proporcionar un bucle de ruptura 1220 para permitir el muestreo de la solución de producto y/o la adición de sensores adicionales o alternativos, por ejemplo, sensores para la medición del cloro, niveles de oxígeno o hidrógeno en la solución de producto.

Varios componentes del sistema 1200 pueden repetirse en serie en línea unos con otros. Por ejemplo, el sistema 1200 puede tener múltiples subsistemas repetidos, incluyendo un intercambio de calor 1210, un sistema de ajuste del pH 1205, una fuente de agente oxidante o un sistema oxidante 805, una celda electroquímica 1000, y, posiblemente, una bomba P, dispuestos en serie en línea entre sí.

Otra realización de un sistema electroquímico se indica generalmente en 1300 en la FIG. 7. El sistema 1300 incluye componentes similares al sistema 1200 de la FIG. 6 que están etiquetados con indicadores idénticos. El sistema 1300 difiere del sistema 1200 en que el sistema 1300 es un sistema de "alimentación y purga" mientras que el sistema 1200 es un sistema de tipo "una vez a través". En el sistema 1300, la solución de producto generada por la celda electroquímica 1000 circula por el bucle L hasta que se desea enviar parte de la solución de producto al tanque de almacenamiento 1105 y/o al punto de uso 1100. Mientras o después de que la solución de producto se retira del bucle L, puede introducirse adicionalmente solución acuosa en el bucle L desde la fuente de solución acuosa 900.

Las celdas y dispositivos electroquímicos o de electrocloración como se ha divulgado en el presente documento pueden incluirse como parte de un sistema más amplio. En algunas realizaciones, el sistema es marítimo, por ejemplo, un buque o una plataforma petrolífera, y en otras realizaciones es un edificio terrestre, por ejemplo, una central eléctrica, una instalación o sistema de perforación petrolífera u otra instalación industrial. En otras realizaciones, el sistema es o puede incluir una piscina, o un sistema de tratamiento de agua potable, aguas residuales, o procesos de tratamiento de aguas industriales, que usa uno o más productos de dispositivos electroquímicos en el sistema, por ejemplo, un desinfectante para tratar o desinfectar el agua.

Dicho sistema puede extraer líquido de proceso o electrolito, que en algunas realizaciones es agua de mar, agua salobre o salmuera, de fuentes externas y/o internas al sistema. Por ejemplo, si el sistema es marítimo, una fuente externa puede ser el océano y una fuente interna puede ser, por ejemplo, un tanque de lastre en un buque. En un sistema terrestre, una fuente externa puede ser el océano y una fuente interna puede ser el agua residual salobre de un proceso industrial realizado en el sistema.

Uno o más sistemas electroquímicos pueden producir una solución de producto, por ejemplo, agua clorada y/o una solución que incluya hipoclorito sódico a partir de la solución acuosa y distribuirla a un punto de uso. El punto de uso puede ser una fuente de agua de refrigeración para el sistema, una fuente de agente desinfectante para un tanque de lastre de un buque, un sistema de perforación petrolífera de fondo de pozo, o cualquier otro sistema en el que pueda ser útil una solución desinfectante a base de cloro.

Ejemplos

La función y las ventajas de las realizaciones comentadas anteriormente y de otras realizaciones de la invención pueden comprenderse mejor a partir de los ejemplos siguientes, que ilustran aún más los beneficios y/o ventajas de uno o más sistemas y técnicas de la invención, pero que no ejemplifican todo el alcance de la invención.

Ejemplo 1: Variación de la tensión aplicada a lo largo del tiempo

Se hizo funcionar una celda electroquímica como se ha divulgado en el presente documento. Concretamente, se aplicó una corriente continua a una solución de NaCl al 3,5 % saturada a 6,89 bar (100 psi) con gas oxígeno. Como se muestra en la FIG. 1, la tensión aumentó a 1,6 voltios dentro de 500 segundos. Se detectó hidrógeno gaseoso generado a partir de la solución.

Como se muestra en la FIG. 1, el potencial catódico está limitado dentro de -1,5 voltios si la corriente continua se aplica como un pulso con una duración de 200 segundos o menos. En 100 segundos o menos, la tensión se limita por debajo de -1,3 voltios. A los 50 segundos o menos, la tensión se limita por debajo de -1,0 voltios.

Así, la corriente puede aplicarse en pulsos limitados, haciendo posible el funcionamiento de la celda electroquímica con menos potencial. La forma de onda pulsada permite la generación de un compuesto de producto al tiempo que limita la generación de hidrógeno gaseoso.

Ejemplo 2: Generación de hidrógeno

Se hizo funcionar una celda electroquímica como se ha divulgado en el presente documento. En la FIG. 9 se muestra una ilustración esquemática de una celda electroquímica experimental ejemplar. La celda electroquímica incluía un par ánodo-cátodo fabricado con malla de Ti chapada en Pt. Se colocó un electrodo de referencia de Ag/AgCl en la línea de flujo para recoger los datos de potencial eléctrico. Una solución de NaCl al 3,5 % en peso y agua presurizada a 6,55 bar (95 psi) de gas oxígeno se bombeó a través de la celda electroquímica a una velocidad lineal de aproximadamente 2 m/s.

Después de aproximadamente 500 segundos, se detectó hidrógeno gaseoso en la línea de escape. El inicio de la generación de hidrógeno se produjo alrededor de -1,6 voltios de potencial a través del par ánodo-cátodo. En condiciones similares, la corriente puede aplicarse durante menos de 500 segundos para limitar la generación de hidrógeno dentro de una celda electroquímica.

Ejemplo 3: Fuente de alimentación de pulsos invertidos a ±1A (±1.000 A/m2)

Se hizo funcionar una celda electroquímica como se ha divulgado en el Ejemplo 2. Los electrodos funcionaron con una fuente de alimentación de pulsos invertidos. En pulso negativo, el ánodo designado genera hipoclorito y un subproducto de oxígeno. Las reacciones anódicas son las siguientes:

Cl- 2e- ^ Cl2 1,358 V

4 H2O 4e- ^ O2 4H+ 1,229 V

Se aplicó una corriente de 1A (1000 A/m2) en modo pulsado en pulsos que tienen una duración de 50 segundos. La tensión a través de los electrodos de la celda electroquímica se muestra en la FIG. 10A. No se detectó hidrógeno durante 18000 segundos. La eficacia de la corriente de generación de hipoclorito fue de aproximadamente el 59 % cuando se midió un total de 160 ppm de hipoclorito sódico en un depósito de 17 litros.

La forma de onda pulsada permite hacer funcionar la celda electroquímica con un valor absoluto constante de tensión y un potencial estable dentro de la celda electroquímica a lo largo del tiempo, como se muestra en la FIG. 10B. Aplicando corriente en forma de onda pulsada, la celda electroquímica puede funcionar durante largos periodos de tiempo sin que se produzcan caídas de tensión ni producción de hidrógeno gaseoso.

Ejemplo 4: Fuente de alimentación de pulsos invertidos a ±1,3 A (±1.300 A/m2)

Se hizo funcionar una celda electroquímica como se ha divulgado en el Ejemplo 3. La corriente pulsada se aplicó a ±1,3 A (±1.300 A/m2), como se muestra en la FIG. 11A. No se detectó hidrógeno durante 13000 segundos. Se detectó un total de hipoclorito de sodio de 220 ppm en un depósito de 17 litros. El valor absoluto de la tensión entre los electrodos o la celda electroquímica permaneció constante, como se muestra en la FIG.

11B.

Ejemplo 5: Fuente de alimentación de pulsos invertidos a ±1,75 A (±1.750 A/m2)

Se hizo funcionar una celda electroquímica como se ha divulgado en el Ejemplo 3. El oxígeno se presurizó a 6,89 bar (100 psi). La corriente pulsada se aplicó a ±1,75 A (±1.750 A/m2) en pulsos de 50 segundos de duración. Se detectó hidrógeno en la línea de escape a aproximadamente un 10-15 % del límite inferior de explosividad (LEL, por sus siglas en inglés).

A medida que avanzaba la ejecución, la solución se saturó de oxígeno. El hidrógeno disminuyó hasta alcanzar el 0 % de LEL a aproximadamente 1.500 segundos. La tensión se estabilizó, como se muestra en la FIG. 12. El hidrógeno se mantuvo al 0 % de LEL mientras el sistema estuvo presurizado con oxígeno.

Alrededor de los 2.200 segundos se liberó la presión del sistema y la concentración de oxígeno disuelto disminuyó significativamente. La tensión aumentó en este punto, correspondiente a una detección de generación de hidrógeno.

Se reintrodujo oxígeno en el sistema. La detección de hidrógeno disminuyó cuando la concentración de oxígeno disuelto alcanzó la saturación.

Así, a una corriente de ±1,75 A (±1750 A/m2), la generación de hidrógeno puede suprimirse introduciendo oxígeno disuelto en saturación en una solución acuosa de NaCl introducida en una celda electroquímica como se describe en la presente memoria.

Ejemplo 6: Generación de peróxido de hidrógeno

La reacción de generación de H2O2 (+0,682 V) es energéticamente más favorable que la reacción de generación de H2O (+0,4 V). Desplazando el potencial aplicado, es posible cambiar la química de reacción de las celdas electroquímicas divulgadas para producir H2O2.

El área del electrodo depende de la densidad de corriente aplicada. Para una reacción de 1,57 kA/h por 1 kg (suponiendo una eficacia farádica del 100 %), y una frecuencia de generación de 1 kg/h, se puede prever un área de electrodo de 0,71 m2 (1,57 kA/(2,2 kA/m2)).

En el ejemplo de realización mostrado en la FIG. 13A, agua y oxígeno disuelto se hicieron pasar por una celda electroquímica a alta velocidad (> 2 m/s). La química de reacción en cada electrodo es la siguiente:

Ánodo: 2 H2O ^ O2 4H+ 4e- E0ox = -1,23 V (generación de oxígeno)

Cátodo: O2 2H+ 2e- ^ H2O2 E0rojo = 0,682 V (consumo de oxígeno)

E0celda = -0,548 V

En el ejemplo de realización mostrado en la FIG. 13B, el agua de mar y el oxígeno disuelto se hicieron pasar por una celda electroquímica a alta velocidad (> 2 m/s). La química de reacción en cada electrodo es la siguiente:

Ánodo: 2Cl- ^ Cl2 2e- E0ox = -1,236 V (generación de cloro)

Cátodo: O2 2 H2O 4e- ^ 4OH- E0rojo = 0,40 V (consumo de oxígeno)

E0celda = -0,96 V

El peróxido de hidrógeno puede generarse a partir de agua y oxígeno disuelto para mitigar la formación de hidrógeno gaseoso en una celda electroquímica.

Ejemplo 7: Resistencia por unidad de longitud

La resistencia de canal por unidad de longitud en celdas electroquímicas que tienen un área de canal variable se calculó ejecutando una variedad de soluciones acuosas a temperatura y presión estándar (1 ATM, 20 °C). Los resultados se muestran en los gráficos de las FIGS. 16A y 16B. La línea de tendencia del agua de mar (3,7 % de salinidad) para la resistencia por área (O/mm2) se muestra como la serie central en la FIG. 16A. La línea de tendencia del agua de mar (3,7 % de salinidad) para la resistencia por diámetro de canal (O/mm) se muestra como la serie central en la FIG. 16B. Por encima de la serie de agua de mar, la resistencia (Q) para soluciones acuosas con menos salinidad (0,5 % - 2,0 %) que el agua de mar se representan gráficamente para el aumento del área del canal (mm2) o del diámetro (mm). Por debajo de la serie de agua de mar, la resistencia (Q) para soluciones acuosas que tienen una salinidad (5,0 % - 25 %) superior a la del agua de mar se representa gráficamente para el aumento del área del canal (mm2) o del diámetro (mm).

Como se muestra en el gráfico, la resistencia por unidad de longitud tiende a disminuir al aumentar la salinidad y el área del canal. Las celdas de electrocloración divulgadas en el presente documento diseñadas para usar con soluciones acuosas de alta salinidad pueden estar provistas de un área de canal creciente, sin la preocupación de que una resistencia debilitante impida su funcionamiento. Así, las celdas de electrocloración que tienen cámaras primera y segunda situadas a distancia una de otra pueden ser ventajosas para generar NaOCl a partir de agua de mar.

Los aspectos y realizaciones aquí divulgados no se limitan a los detalles de construcción y a la disposición de los componentes expuestos en la siguiente descripción o ilustrados en los dibujos. Los aspectos y realizaciones aquí divulgados pueden ponerse en práctica o llevarse a cabo de diversas maneras. También, la fraseología y la terminología utilizadas en la presente descripción tienen fines descriptivos y no deben considerarse limitativas. El uso de las palabras "incluido", "que incluye", "incluyendo", "que comprende", "que tiene", "que contiene", "que implica", y sus variaciones, se entiende en el presente documento que abarca los elementos enumerados a continuación y sus equivalentes, así como otros elementos adicionales.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método de funcionamiento de una celda electroquímica, comprendiendo el método los pasos de:

introducir una solución acuosa que contenga cloruro en una celda electroquímica entre un ánodo y un cátodo de la celda electroquímica;

aplicar una corriente a través del ánodo y el cátodo a una tensión suficiente para generar un compuesto de producto que contenga hipoclorito a partir de la solución acuosa que contiene cloruro en la celda electroquímica;

controlar al menos un parámetro seleccionado del grupo que consiste en la tensión, una concentración de hidrógeno disuelto en una solución de producto generada en la celda electroquímica, y una condición de la solución acuosa asociada a la producción de hidrógeno gaseoso, en donde la condición de la solución acuosa se selecciona del grupo que consiste en el caudal, la concentración de oxígeno disuelto, la concentración de hidrógeno disuelto, el pH, el ORP y la temperatura de la solución acuosa que se introduce en la celda electroquímica; y se caracteriza por

aplicar la corriente a través del ánodo y el cátodo en una forma de onda pulsada que responda a que al menos un parámetro está fuera de un intervalo predeterminado, en donde los parámetros se controlan para mantener la tensión entre 1,5 voltios y 0,5 voltios.

2. El método de la reivindicación 1, comprendiendo además controlar uno o más de una duración de pulsos de corriente, una frecuencia de incidencia de la corriente pulsada, y una magnitud de la corriente aplicada a través del ánodo y el cátodo basada en la condición de la solución acuosa que contiene cloruro.

3. El método de la reivindicación 1, comprendiendo además controlar una frecuencia de introducción de la solución acuosa que contiene cloruro en función de la condición de la solución acuosa que contiene cloruro.

4. El método de la reivindicación 1, comprendiendo además controlar uno o más de una duración de pulsos de corriente, una frecuencia de incidencia de la corriente pulsada, y una magnitud de la corriente aplicada a través del ánodo y el cátodo basada en al menos uno de los siguientes factores: un caudal de la solución acuosa que contiene cloruro, la tensión y la concentración de hidrógeno disuelto en la solución de producto.

5. El método de la reivindicación 1, comprendiendo además controlar una frecuencia de introducción de la solución acuosa que contiene cloruro basada al menos en uno o más de un caudal de salida de la solución de producto de la celda electroquímica, una concentración de un compuesto de producto en la solución de producto, y una concentración de cloruro en la solución acuosa.

6. El método de la reivindicación 1, comprendiendo además la introducción de un agente oxidante en la solución acuosa que contiene cloruro aguas arriba de la celda electroquímica.

7. El método de la reivindicación 6, en donde la introducción del agente oxidante en la solución acuosa que contiene cloruro comprende la introducción de uno o más gases de oxígeno, ozono, aire, aire enriquecido con oxígeno y peróxido de hidrógeno en la solución acuosa que contiene cloruro.

8. Un sistema electroquímico (1200) que comprende:

una celda electroquímica (1000) que incluye una carcasa (1005) que tiene una entrada (1010), una salida (1015), un ánodo y un cátodo dispuestos dentro de la carcasa (1005);

una fuente de una solución acuosa que contiene cloruro (900) que tiene una salida (905) conectable hidráulicamente a la entrada de la celda electroquímica (1000);

un primer sensor construido y dispuesto para medir al menos una tensión y una concentración de hidrógeno disuelto en una solución de producto generada en la celda electroquímica (1000); y

un controlador (2000) conectable eléctricamente al primer sensor y configurado para hacer que se aplique corriente a través del ánodo y el cátodo en una forma de onda pulsada que responda a que al menos uno de la tensión y la concentración de hidrógeno disuelto supere un umbral predeterminado, y que comprende además un segundo sensor construido y dispuesto para medir una condición de la solución acuosa que contiene cloruro seleccionado desde el grupo que comprende el caudal, la concentración de oxígeno disuelto, la concentración de hidrógeno disuelto, el pH, el ORP y la temperatura de la solución acuosa que contiene cloruro, en donde el controlador (2000) puede conectarse eléctricamente al segundo sensor y está configurado para hacer que se aplique corriente a través del ánodo y el cátodo en la forma de onda pulsada en respuesta a la condición de que la solución acuosa esté fuera de un intervalo predeterminado, en donde los parámetros se controlan para mantener la tensión entre 1,5 voltios y 0,5 voltios.

9. El sistema de la reivindicación 8, en donde el controlador (2000) está configurado para regular el ánodo y el cátodo en uno o más de una duración de pulsos de corriente, una frecuencia de incidencia de la corriente pulsada, y una magnitud de la corriente aplicada a través del ánodo y el cátodo basada en al menos uno de los siguientes factores: un caudal de la solución acuosa que contiene cloruro, la tensión, una concentración de oxígeno disuelto en la solución acuosa, y una concentración de hidrógeno disuelto en la solución acuosa que contiene cloruro.

10. El sistema electroquímico de la reivindicación 8, comprendiendo además una fuente de un agente oxidante conectable hidráulicamente a la fuente de la solución acuosa que contiene cloruro aguas arriba de la celda electroquímica.

11. El sistema electroquímico de la reivindicación 10, en donde la fuente del agente oxidante está construida y dispuesta para suministrar peróxido de hidrógeno a la fuente de la solución acuosa desde la salida de la celda electroquímica.

12. El sistema electroquímico de la reivindicación 10, en donde el controlador (2000) está configurado para regular una frecuencia de introducción del agente oxidante en la solución acuosa que contiene cloruro basándose al menos en una de una cantidad de hidrógeno gaseoso presente en la celda electroquímica, una concentración de hidrógeno disuelto en la solución acuosa, una concentración de oxígeno disuelto en la solución acuosa que contiene cloruro, y una concentración de oxígeno disuelto en la solución de producto.