BR112017026680B1

BR112017026680B1 - Sistema de eletrolisação de água de alto volume e método de uso

Info

Publication number: BR112017026680B1
Application number: BR112017026680-6A
Authority: BR
Inventors: Keith L. Cronce; John Tyler Williams; Robert Adams
Original assignee: Spraying Systems Co
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2016-06-13
Publication date: 2022-06-14
Also published as: RU2017144081A3; US10577262B2; MA41663A1; CA2988984A1; ZA201708384B; CN107921372A; MX2017016123A; CO2018000201A2; AU2016277127A1; MA41663B2; PL3307423T3; BR112017026680A2; AU2016277127B2; NZ738258A; EP3307423B1; CA2988984C; ES2871249T3; WO2016201428A1; CN107921372B; RU2716075C2

Abstract

sistema de eletrolisação de água de alto volume e método de uso. um sistema de eletrolisação é fornecido para produzir quantidades maiores de águas eletrolisadas dentro de faixas de ph prescritas para o uso ideal e que pode ser operado para produzir maiores quantidades de água eletrolisada alcalina do que a água eletrolisada acídica, consistente com os requisitos dos usuários. o sistema inclui um cartucho eletrolítico com células de catodo e anodo que compreendem, cada uma, um par de eletrodos disposto em relação coplanar espaçada lateralmente entre si, com uma respectiva membrana permeável a íon em relação espaçada aos pares de eletrodos. as células são separadas com uma placa separadora comum que mantém as membranas permeáveis aos íons em relação paralela com os respectivos eletrodos e que facilitam a comunicação da solução salina a partir de um banho de salmoura para ambas as células. as células podem ainda ser operadas com correntes de entrada escalonadas e o redirecionamento de água eletrolisada entre as células para o controle ótimo dos níveis de ph dos produtos resultantes.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDO RELACIONADO

[001] Este pedido de patente reivindica o benefício do Pedido de Patente Provisional U.S. de N° 62/174,791, depositado em 12 de Junho de 2015, o qual é incorporado por referência.

CAMPO DA INVENÇÃO

[002] A presente invenção refere-se geralmente a sistemas para produzir soluções ativadas eletroquimicamente (por exemplo, água eletrolisada) para produzir simultaneamente água alcalina eletrolisada e água eletrolisada acídica.

FUNDAMENTO DA INVENÇÃO

[003] Sabe-se que são sistemas que eletrolizam água contendo espécies iônicas (por exemplo, sais alcalinos) para produzir água eletrolisada acídica e água eletrolisada alcalina. A água eletrolisada acídica pode ser um forte agente esterilizante que é cada vez mais usado em uma variedade de aplicações sanitárias, incluindo nas indústrias médica, agrícola e de processamento de alimentos e em outros ambientes institucionais. A água eletrolisada alcalina ou básica também tem um efeito de detergente e é útil em muitas aplicações de limpeza. O cloreto de sódio é comumente usado como o sal alcalino que é dissolvido na água porque produz ácidos e bases ambientalmente amigáveis, potentes e de baixo custo.

[004] Os sistemas de água de eletrolisação comercialmente disponíveis têm uma série de inconvenientes. Os grandes usuários comerciais de tais sistemas podem exigir quantidades significativas de água eletrolisada em uma base diária. Uma vez que a maioria dos sistemas de eletrolisação disponíveis é relativamente lenta no processamento da água alcalina e acídica eletrolisada, a produção de grandes quantidades pode ser tediosa e demorada, algumas vezes, resultando em fonte inadequada para as necessidades comerciais. Embora o aumento da produção possa ser alcançado aumentando o número de pares de células de eletrolisação de acordo com os modelos de células existentes, essa abordagem aumenta proporcionalmente o custo do sistema. Além disso, muitos usuários comerciais requerem significantemente muito mais limpadores alcalinos do que os desinfetantes de ácidos. Uma vez que ambos são eletrolisados simultaneamente, para produzir quantidades suficientes do limpador, quantidades excessivas do desinfetante produzido, muitas vezes, devem ser descartadas.

[005] Os conteúdos (por exemplo, impurezas) de água direcionados ao sistema de eletrolisação podem ainda efetuar a qualidade da água eletrolisada alcalina e acídica processada. Em algumas condições, para obter um pH ótimo do limpador alcalino, a água eletrolisada acídica (o desinfetante) pode ter um pH tão baixo que o ácido é instável para uso seguro ou eficaz. Para corrigir esse problema, o pH do limpador alcalino pode ser indesejavelmente afetado.

[006] Além disso, se as membranas permeáveis aos íons das células de eletrolisação do sistema não forem montadas e mantidas em certas relações espaciais (por exemplo, relação paralela) às placas de eletrodo, o processo de eletrolisação novamente pode ser alterado. Da mesma forma, se a pressão do líquido através da célula de eletrolisação for aumentada em um esforço para aumentar a taxa de processamento, o alinhamento da membrana pode ser distorcido com uma troca iônica inadequada resultante. O aumento da taxa de fluxo através da célula com maiores pressões de líquido pode limitar o tempo para troca iônica adequada. Aumentar a fonte de energia para as células de eletrodo para aumentar a produção também pode afetar adversamente o pH das águas alcalinas ou acídicas eletrolisadas.

OBJETIVOS E SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[007] É um objetivo da presente invenção proporcionar um sistema de eletrolisação que é operável para produzir, de maneira econômica, quantidades maiores de água eletrolisada dentro das faixas de pH prescritas para melhor uso.

[008] Outro objetivo é proporcionar um sistema de eletrolisação como caracterizado acima, que tem uma construção de células de eletrólise que permite a produção aumentada de água eletrolisada.

[009] Um outro objetivo é proporcionar um sistema de eletrolisação do tipo anterior que é operável para produzir maiores quantidades de água eletrolisada alcalina do que a água eletrolisada acídica, consistente com os requisitos de um usuário.

[010] Ainda outro objetivo é proporcionar um sistema de eletrolisação do tipo acima que pode ser controlado para produzir água eletrolisada alcalina e água eletrolisada acídica com faixas de pH para o melhor uso, não obstante a dureza ou a suavidade da água de entrada no sistema.

[011] Outro objetivo ainda é proporcionar um tal sistema de eletrolisação que inclui um sistema de condicionamento de água (por exemplo, leveza, osmose reversa) para suavizar a água antes de direcionar para um eletrolisador e, em que a saída total da leveza é utilizada para produzir água eletrolisada alcalina e água eletrolisada acídica dentro de faixas de pH ótimas.

[012] Contudo, um outro objetivo é proporcionar um sistema de eletrolisação do tipo anterior que é relativamente simples no projeto e se presta à fabricação econômica.

[013] Outros objetos e vantagens da invenção tornar-se- ão evidentes após a leitura da seguinte descrição detalhada e com referência aos desenhos, nos quais:

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[014] A FIG. 1 é uma representação diagramática de um cartucho de célula de eletrodo que incorpora a presente invenção imersa em um banho de salmoura.

[015] A FIG. 2 é uma perspectiva ampliada do cartucho de célula de de eletrolisação ilustrado representado na FIG. 1.

[016] A FIG. 3 é uma perspectiva explodida do cartucho de célula mostrado na FIG. 2.

[017] A FIG. 4 é uma perspectiva de seção vertical diagramática ampliada de um cartucho de célula ilustrado de acordo com a invenção.

[018] A FIG. 5 é uma seção fragmentada ampliada do cartucho de célula mostrado na FIG. 4.

[019] A FIG. 6 é um plano do lado interno do suporte de eletrodo de catodo do cartucho de célula ilustrativo.

[020] A FIG. 7 é uma perspectiva ampliada de um dos eletrodos de catodo do cartucho de célula ilustrativo.

[021] A FIG. 8 é uma perspectiva da membrana de troca iônica da célula de catodo do cartucho de célula ilustrado.

[022] A FIG. 9 é uma perspectiva da placa divisória central do cartucho de célula ilustrativo com fechos representados diagramaticamente através de aberturas de fixação da placa divisória.

[023] A FIG. 10 é uma vista elevacional lateral do divisor mostrado na FIG. 9.

[024] A FIG. 11 é uma perspectiva de um lado interno do suporte para a célula de anodo do cartucho de célula ilustrado.

[025] A FIG. 12 é uma perspectiva de um dos eletrodos de anodo da célula de anodo do cartucho de célula ilustrado.

[026] A FIG. 13 é uma perspectiva da membrana de troca iônica da célula de anodo do cartucho de célula ilustrativo.

[027] A FIG. 14 é uma vista elevacional lateral do suporte de anodo do cartucho de célula ilustrativo com uma junta de vedação montada sobre o mesmo.

[028] A FIG. 15 é um diagrama de fluxo de um sistema exemplar.

[029] A FIG. 16 é um diagrama elétrico do sistema exemplar da FIG. 15.

[030] A FIG. 17 é um diagrama de fluxo de um outro sistema exemplificativo que incorpora osmose reversa.

[031] A FIG. 18 é um diagrama elétrico do outro sistema exemplar da FIG. 17.

[032] Embora a invenção seja suscetível de várias modificações e construções alternativas, certas modalidades ilustrativas da mesma foram mostradas nos desenhos e serão descritas abaixo em detalhes. Deve ser entendido, no entanto, que não há intenção de limitar a invenção às formas específicas descritas, mas pelo contrário, a intenção é abranger todas as modificações, construções alternativas, e equivalentes que estejam dentro do espírito e escopo da invenção.

DESCRIÇÃO DAS MODALIDADES PREFERIDAS

[033] Referindo agora mais particularmente às figuras 1-14, dos desenhos, é mostrado um sistema de eletrolisação ilustrativo de alto volume 10, de acordo com a invenção, que é operável para eletrolisação de uma solução de água e sal (por exemplo, sal inorgânico) para produzir água eletrolisada alcalina ou base e água eletrolisada acídica. O sistema de eletrolisação ilustrado 10 compreende um cartucho 11 que contém ambas células de eletrolisação de catodo e anodo 14, 15, respectivamente, imersas em um banho de salmoura aberto 16 contido dentro de um recipiente 18.

[034] De acordo com uma característica importante desta modalidade, a célula eletrolisada de catodo 14 é projetada para produzir uma saída de alto volume de água eletrolisada alcalina ou base, enquanto a célula eletrolisada de anodo 15 é operada para produzir uma quantidade menor de água eletrolisada acídica consistente com as necessidades de um usuário. Para este fim, a célula eletrolisada de catodo ilustrada 14 compreende um par de eletrodos de catodo negativamente carregáveis C1, C2, um suporte de eletrodo 20 dentro do qual os eletrodos C1, C2 são montados, uma membrana permeável de troca iônica, catiônica ou positiva 21, uma junta de vedação 22, e um divisor e placa de suporte de membrana 24 (FIG. 3).

[035] Os eletrodos de catodo C1, C2, neste caso, estão montados em uma relação lado a lado co-planar adjacente às respectivas câmaras 23 (FIG. 6) no suporte de eletrodo 20. Os eletrodos C1, C2, neste exemplo, são suportados com as bordas periféricas dos seus lados adjacentes em relação lateralmente espaçadas entre si. Para aumentar a área de superfície dos eletrodos de catodo C1, C2 para troca iônica melhorada durante o funcionamento do sistema, os eletrodos C1, C2 compreendem, cada um, um par de placas de malha de titânio 25 (FIG. 7) suportadas em relação paralela lado a lado, próxima. As placas de espaçamento 26 são soldadas entre as duas placas de malha 25 de cada eletrodo C1, C2 para criar tanto uma conexão estrutural e elétrica entre as placas 26, mantendo um espaçamento consistente. Os eletrodos C1, C2 têm, cada um, um respectivo pino de conexão elétrica 27 que se projeta para fora a partir de uma localização central do eletrodo C1, C2 para fixação a um respectivo cabo elétrico e para fornecer energia aos eletrodos, como se tornará evidente. Cada pino de ligação elétrica 27 neste caso é soldado a uma respectiva placa de conexão 28, que por sua vez, é soldada a um lado externo da placa de malha 26 do eletrodo de catodo C1, C2 virado para a parede interna da câmara de suporte 23. Cada pino 27 neste caso, é roscado externamente para facilitar o acoplamento a um cabo de alimentação elétrica.

[036] O suporte de eletrodo 20 é concebido para suportar os eletrodos de catodo C1, C2 de modo que existe uma cavidade ou espaço 30 (figuras 1, 4 e 5) entre cada catodo C1, C2 e uma parede lateral interna do suporte de eletrodo 20. O catodo C1, C2 é suportado pelo respectivo pino de conexão elétrica 27. Em algumas modalidades, o suporte de eletrodo 20 pode ainda incorporar rebites rebaixados 32 (FIG. 6) para suportar as extremidades superior e inferior dos eletrodos C1, C2 em predeterminada relação espaçada à parede lateral interna do suporte de eletrodo de catodo 20. Nessa posição, o pino de conexão elétrica 27 de cada eletrodo se projeta através de uma respectiva abertura disposta centralmente dentro de uma parede lateral adjacente do suporte com um anel-O apropriado em torno do pino 27 para selar a solução de salmoura a partir da entrada no cartucho 11. A junta 22, neste caso, define janelas retangulares 22a que circundam os eletrodos de catodo C1, C2 efetivos para vedar o perímetro dos eletrodos C1, C2 um do outro e do banho de salmoura exterior, como se tornará evidente.

[037] A membrana de troca iônica positiva (isto é, cátion) 21 pode ser hidratada antes da montagem e é mantida em certa relação espacial, para este exemplo, relação paralela, ao eletrodo de catodo C1, C2 pela placa divisória 24 que serve o duplo propósito de capturar a membrana 21, de tal forma que não pode ser afastada a partir dos eletrodos C1, C2 devido a pressões de células internas e que ainda fornece passagens de fluxo para permitir que a salmoura a partir do banho 16 circule entre a célula de catodo 14 e a célula de anodo 15. A placa divisória 24 neste caso, tal como ilustrado nas figuras 9 e 10, tem uma estrutura de grade que define as passagens de fluxo de líquido 35, 36 em torno do perímetro e a área central da placa divisória 24, respectivamente.

[038] A célula de anodo 15, como a célula de catodo 14, compreende um par de eletrodos A1, A2, neste caso, carregáveis positivamente, um suporte de eletrodo de anodo 40, uma junta 41, e uma membrana permeável aniônica 42 negativa, posicionada adjacente e suportada por um lado oposto da placa divisória 24 em oposição à membrana de catodo 21. Os eletrodos de anodo A1, A2, neste exemplo, têm um projeto de placa plana ininterrupto, de preferência, titânio revestido (FIG. 12). Um pino de conexão elétrica similar aos eletrodos de catodo novamente é soldado centralmente no lado de cada um dos eletrodos A1, A2 para posicionamento através de uma respectiva abertura em uma parede lateral do suporte de eletrodo de anodo 40. Um anel de vedação apropriado novamente está disposto em torno do pino de ligação elétrica e a abertura de acesso no suporte.

[039] Ao contrário dos eletrodos de catodo C1, C2, os eletrodos de anodo A1, A2 são montados imediatamente adjacentes, em relação de contato com a parede interna de um suporte de anodo 40. Uma junta 41, similar à junta de catodo 22, define janelas para o entorno e sela os eletrodos de anodo A1, A2 individualmente dentro do suporte 40. Em certas modalidades dos sistemas, os eletrodos de anodo A1, A2 são dimensionados, de modo a absorver menos do que todo o espaço da câmara do suporte 40 em que os mesmos estão localizados, de modo a definir uma passagem de fluxo auxiliar 43 (FIG. 14) sobre o perímetro exterior dos eletrodos de anodo A1, A2 para permitir um fluxo de líquido auxiliar com o objetivo de auxiliar na estabilização do pH de, pelo menos, o ácido, se não os dois produtos. O uso de um eletrodo de anodo menor permite que a água passe entre os eletrodos de anodo A1, A2 e a membrana 42, mas também ao redor do perímetro dos eletrodos de anodo A1, A2 (isto é, um "fluxo combinado"), permitindo assim um maior fluxo sem problemas de pressão. Acredita-se que o fluxo de combinação permita a manutenção da certa relação espacial entre os eletrodos de anodo A1, A2 e a membrana 42, enquanto permite maior tempo de permanência para o fluido na câmara, o que, por sua vez, acredita-se aumentar o cloro ativo livre no ácido e obter um pH preferido do produto resultante.

[040] De acordo com uma outra característica do sistema de eletrolisação ilustrado 10, as células de catodo e anodo 14, 15 são fixas junto para formar um cartucho singular 11 para facilitar a montagem dentro do banho de salmoura 16 e uso eficiente e confiável. Para este fim, os suportes de eletrodo de catodo e anodo 20, 40, as membranas 21, 42, as juntas de vedação 22, 41, e a placa divisória 24 são formados com matrizes retangulares de aberturas de recepção de parafusos de montagem alinhadas 45 que circundam os eletrodos para receber os parafusos de fixação 46, de preferência, feitos de náilon ou outro material não-metálico e protegidos por porcas de fixação de náilon 48 (FIG. 5). Na condição de montagem e durante o uso do cartucho 11, a placa divisória central 24 manterá as membranas 21, 42 em relação paralela às placas de eletrodos C1, C2, A1, A2 para um processamento ótimo. "Em relação paralela" pode ser usado para descrever a placa divisória central e/ou as placas de eletrodo que são planas e paralelas, mas também podem ser usadas para descrever a placa divisória central e/ou as placas de eletrodo com alguma curvatura (um ou mais placas divisórias centrais e/ou placas de eletrodo), mas estão dispostas de uma maneira que seria paralela na ausência da curvatura. Para este fim, as juntas 22, 41 e suas montagens são projetadas de modo a garantir que as mesmas não impeçam o alinhamento paralelo dos componentes do cartucho. As juntas 22, 41 são formadas de material deformável, tal como borracha de silicone, e cada uma tem uma espessura transversal superior à profundidade das ranhuras de recepção 50 nos suportes 20, 40 em que as mesmas estão montadas. Após a fixação dos componentes do cartucho pelos parafusos de fixação 46, as juntas 22, 41 são completamente comprimidas transversalmente dentro das ranhuras de recepção 50. Em tal condição comprimida, as juntas 22, 41 efetuam uma vedação confiável em torno dos eletrodos montados A1, A2, C1, C2, assegurando que as juntas 22, 41 não apresentam uma superfície de assento irregular que possa conduzir a um alinhamento não-paralelo dos componentes do cartucho resultantes a partir do aperto dos parafusos de retenção 46 com forças diferentes. Na modalidade ilustrada, as ranhuras de recepção podem ter uma profundidade de 0,020 polegada e as juntas uma espessura de 0,025 polegada. Por conseguinte, os parafusos 46 podem ser fixos com um torque predeterminado que garante tanto o contato de vedação apropriado como o alinhamento dos componentes da montagem, e particularmente, o alinhamento dos eletrodos A1, A2, C1, C2 e as membranas 21, 42.

[041] Com o cartucho montado 11 suportado dentro do banho de salmoura 16, a salmoura é permitida para circular livremente através da placa divisória 24 para troca iônica eficiente através das membranas 21, 42 em cada lado da placa divisória 24. Um par de orifícios de entrada de água 55 (FIG. 6) comunicando através de um lado do suporte de catodo 20 adjacente a um fundo do suporte 20 permite que as correntes de fluxo de água avancem separadamente através das câmaras que contêm individualmente os eletrodos de catodo C1, C2. O suporte de eletrodo 20, de forma similar, tem um par de orifícios de saída 56 adjacentes a uma parte superior do suporte através da qual a água alcalina eletrolisada processada sai das câmaras contendo catodo do suporte 20. Será apreciado que a passagem de água em tais direções para cima evita áreas estagnadas e acúmulo de gás dentro das câmaras de catodo que podem impedir a troca eficiente.

[042] De acordo com outra característica importante desta modalidade, as bolsas 30 (figuras 1, 4 e 5) definidas entre a parede interior do suporte de eletrodo de catodo 20 e os eletrodos de catodo C1, C2 permitem um fluxo de fluido aumentado através da célula de catodo 14 com um tempo de permanência na célula para aumentar a troca iônica a partir da salmoura circulante. Isto é feito sem aumentar o espaçamento crítico entre os eletrodos de catodo C1, C2 e a membrana 21. Em vez disso, uma parte do fluxo de líquido das entradas 55 é capaz de contornar os pequenos espaços de folga entre os eletrodos de catodo C1, C2 e a membrana 21, o que de outra forma poderia causar um aumento da pressão aumentada, maiores tensões sobre a membrana, e uma maior velocidade de fluxo através da célula com tempo de permanência insuficiente para troca iônica adequada. Em certas modalidades, as bolsas 30 têm uma profundidade D de, pelo menos, 2 vezes o espaçamento entre a membrana e os eletrodos de catodo, incluindo pelo menos 10 vezes o espaçamento entre a membrana e os eletrodos de catodo. Em certas modalidades, as bolsas 30 têm uma profundidade D de cerca de 2 vezes a cerca de 100 vezes o espaçamento entre a membrana e os eletrodos de catodo, incluindo cerca de 10 vezes a cerca de 50 vezes o espaçamento entre a membrana e os eletrodos de catodo. Em uma modalidade típica, o espaçamento entre a membrana e o eletrodo do catodo é de 0,02 polegada e a profundidade do bolso é de 0,5 polegada.

[043] Tal como aqui descrito, quando imerso em solução de salmoura do banho de salmoura aberto 16 e provido com uma fonte de água fresca e ligado a fontes de alimentação de corrente direta, o cartucho 11 pode ser utilizado para produzir água eletrolisada acídica e água eletrolisada alcalina. Água fresca (por exemplo, água leve) 130 entra na célula eletrolisada de catodo 14, de modo a entrar em contato com cada eletrodo de catodo C1, C2. Quando alimentados, os íons positivos (por exemplo, Na+) são retirados da solução de salmoura do banho de salmoura aberto 16, através de membranas de troca iônica de cátions 21, e em um fluxo de eletrodos de catodo em contato com água fresca C1, C2.

[044] O projeto exclusivo da célula de catodo 14 foi encontrado para permitir a produção de alto fluxo de uma concentração pronta para uso de católito. Pelo que precede, pode ver-se que o suporte de catodo 20 é eficaz para reter os eletrodos de catodo C1, C2 a uma distância apropriada a partir da membrana de troca iônica de cátions 21 para eficiência elétrica ótima e concentração de católito. Os caminhos de fluxo duplo em relação à membrana 21 permitem que o católito altamente concentrado produzido entre os eletrodos de catodo e a membrana 21 se misturem prontamente com a corrente de solução passando atrás dos eletrodos de catodo C1, C2. Isso efetivamente dilui o católito para uma concentração pronta para uso internamente dentro da célula de catodo 14. Assim, o usuário nunca tem acesso externo ou exposição à corrente de católito concentrada entre os eletrodos de catodo C1, C2 e a membrana 21. Os bolsos ou câmaras relativamente mais profundos 30 atrás dos eletrodos de catodo C1, C2 também permitem um fluxo maior através das bolsas ou câmaras 30 a uma pressão gerenciável enquanto aumenta o tempo de permanência em que a solução permanece nas câmaras para um determinado fluxo, o que por sua vez aumenta a concentração do católito. Os orifícios de saída 56 ainda podem ser concebidos para manter a pressão dentro da célula de catodo 14 a um nível controlável.

[045] O projeto de eletrodo de catodo de placa dupla maximiza a área de superfície de contato entre as superfícies de eletrodo e a corrente de água de entrada, o que aumenta adicionalmente a eficiência da produção de eletrólitos. A grande área de superfície do eletrodo por determinada quantidade de energia elétrica aplicada e o volume de água, por sua vez, facilita a criação de uma maior concentração de católito. As superfícies de metal da placa de catodo expandido permitem ainda que a corrente de água de entrada circule nos espaços entre os eletrodos de catodo C1, C2 e a membrana 21 e entre os eletrodos C1, C2 e o suporte de eletrodo 20. Isso permite o católito de alta concentração produzido entre os eletrodos de catodo C1, C2 e a membrana 21 para misturar prontamente com a corrente de solução passando por trás das placas de eletrodo, o que efetivamente dilui o católito ao seu estado pronto para usar. O católito de alta concentração passa internamente na célula de catodo 14, de modo que, como indicado, o usuário nunca tem acesso externo à corrente de católito de alta concentração. As superfícies de eletrodo de metal expandido também introduzem turbulência nas correntes de solução que limitam a capacidade de bolhas de gás hidrogênio para acumular sobre as superfícies dos eletrodos de catodo. Isso efetivamente aumenta a eficiência da produção de católitos, mantendo a área de contato máxima da solução com os eletrodos de catodo C1, C2. Também elimina a capacidade de grandes bolhas de gás formarem o que potencialmente causaria aumento de temperatura localizada e possível falha prematura da célula de catodo.

[046] O projeto de célula de anodo único permite o fluxo especificado de anólito de concentração pronto para usar a um pH, de preferência, entre 5 e 6. O suporte de eletrodo de anodo 40 novamente é projetado para manter os eletrodos de anodo A1, A2 a uma distância apropriada a partir da membrana permeável de ânion ou negativa 42 para eficiência elétrica otimizada e concentração de anólito. O suporte de eletrodo 40 neste caso cria uma configuração de caminho de fluxo duplo diferente que facilita o anólito de alta concentração produzido entre os eletrodos de anodo A1, A2 e a membrana 42 para misturar prontamente com a corrente de solução passando pelas passagens auxiliares 43 em torno dos perímetros externos da eletrodos de anodo A1, A2. Esta disposição de fluxo duplo é alcançada pelo suporte do eletrodo de anodo que possui câmaras mais largas do que os eletrodos (câmara de largura de 4 polegadas versus eletrodo de largura de 3 polegadas), de modo que as correntes de fluxo duplo ou auxiliar através das passagens auxiliares 43 efetivamente diluem o anólito para sua concentração pronto para uso internamente na célula de anodo. Assim, o usuário novamente nunca tem acesso externo à corrente de anólito concentrado. A célula de anodo 15 permite o controle do pH de anólito misturando prontamente a baixa corrente de pH localizada entre os eletrodos de anodo A1, A2 e a membrana 42 com a corrente de pH mais alta que passa sobre o perímetro dos eletrodos de anodo A1, A2. Assim, o usuário não possui acesso externo a uma corrente de anólito que não está entre a faixa de pH preferida de 5 e 6. As correntes de fluxo auxiliares diminuem ainda mais a pressão dentro da célula de anodo 15 aumentando a área da seção transversal da corrente de fluxo sem afetar o espaçamento da membrana crítico e dos eletrodos de anodo.

[047] A FIG. 15 ilustra uma modalidade exemplar de um sistema que inclui taxas de fluxo exemplares. As células de catodo e anodo 14, 15 possuem eletrodos de catodo e anodo C1, C2, A1 e A2 como descrito acima. Uma fonte de água leve 130 alimenta os eletrodos de catodo C1 e C2. O eletrodo de catodo C1 (isto é, um primeiro eletrodo de catodo) gera o produto 150 (isto é, água eletrolisada alcalina) a, por exemplo, 1,6 GPM, e o eletrodo de catodo C2 (isto é, um segundo eletrodo de catodo) gera uma corrente de alimentação alcalina 160 que é encaminhado para alimentar os eletrodos de anodo A1 e A2 (isto é, um primeiro eletrodo de anodo e um segundo eletrodo de anodo). Na modalidade ilustrada, os eletrodos de anodo A1 e A2 geram, por exemplo, um total de 0,6 GPM do produto 170 (água eletrolisada ácida), cujo pH pode ser monitorado, por exemplo, pelo sensor 175 de pH.

[048] Em certas modalidades, os eletrodos de catodo C1, C2 podem ser operados em um modo de "corrente escalonada", que está representado nas figuras 15 e 16, particularmente a FIG. 16, que ilustra um exemplo esquemático elétrico para a modalidade da FIG. 15. Por exemplo, o eletrodo de catodo C1 pode ser operado a uma taxa de fluxo de água maior e corrente elétrica do que o eletrodo de catodo C2, que pode ser feito para gerar uma produção do produto maior 150 (isto é, água eletrolisada alcalina). Em certas modalidades, o eletrodo de catodo C1 é operado a uma corrente de cerca de 2 a cerca de 5 vezes maior do que o eletrodo de catodo C2. Como ilustrado na FIG. 16, um exemplo de corrente escalonada é o seguinte: o eletrodo de catodo C1 é operado a -24 A, enquanto o eletrodo de catodo C2 é operado a -10 A, com passagem de corrente positiva correspondente para um eletrodo de anodo apropriado. Outra função do modo de "corrente escalonada" é para liberar a corrente total colocada sobre um eletrodo de anodo. A redução e/ou equilíbrio da corrente atravessa dois anodos que permitem controlar o pH da água eletrolisada alcalina e/ou a água eletrolisada ácida. Em certas modalidades, utilizando o modo da corrente escalonada, pelo menos, três fontes de energia (por exemplo, PS 1, PS 2, e PS 3) são conectadas aos eletrodos de catodo e anodo C1, C2, A1, A2.

[049] Nas modalidade ilustradas nas figuras 15 e 16, o produto do eletrodo de catodo C1 150 é água eletrolisada alcalina e sai do sistema. Produto 150 pode ser utilizado como, por exemplo, um limpador alcalino. Em certas modalidades, o sistema 10 é operado de modo a produzir um produto do eletrodo de catodo C1 (isto é, o produto 150) tendo um pH de cerca de 10 a cerca de 13, incluindo um pH de cerca de 11,5 a cerca de 12,5, e um produto do eletrodo de catodo C2 (isto é, corrente de alimentação alcalina 160) com um pH superior a 7, por exemplo, de cerca de 8 a cerca de 12.

[050] Nas modalidades ilustradas nas figuras 15-16, particularmente a FIG. 15, o produto do eletrodo de catodo C2 (isto é, corrente de alimentação alcalina 160) é encaminhado para entrar em contato com a superfície dos eletrodos de anodo A1, A2 da célula de eletrolisador de anodo 15. O fluxo do produto do eletrodo de catodo C2 pode ser dividido aproximadamente de forma uniforme (por exemplo, 0,3 GPM) entre os eletrodos de anodo A1, A2, que está ilustrado na FIG. 15. Quando alimentado, a carga positiva dos eletrodos de anodo A1, A2 desenha os íons negativos (por exemplo, C1) a partir da solução de salmoura do banho de salmoura aberto 16 (por exemplo, FIG. 1), através da membrana permeável de ânion de anodo 42 (por exemplo, FIG. 3), e no fluxo do produto do eletrodo de catodo C2, que forma água eletrolisada acídica (por exemplo, produto 170). A soma das correntes dos eletrodos de anodo A1, A2 equilibra a corrente negativa fornecida aos eletrodos de catodo C1, C2. Por exemplo, se os eletrodos de catodo C1, C2 forem operados com uma corrente de soma de 35 A, em seguida, os eletrodos de anodo A1, A2 devem ser operados com uma corrente de soma de +35 A, por exemplo, cada eletrodo de anodo pode ser fornecido com 17,5 A da corrente.

[051] A fonte do produto de eletrodo de catodo aos eletrodos de anodo proporciona o benefício de aumentar o pH do produto de anodo (isto é, a água eletrolisada ácida) de modo que o produto de anodo possa ter um pH ótimo, por exemplo, de cerca de 4,5 a cerca de 6, incluindo de cerca de 5,2 a cerca de 5,5.

[052] As figuras 17 e 18 ilustram uma outra modalidade exemplar que incorpora a osmose reversa (por exemplo, a modalidade de osmose reversa), uma fonte de água que passa através de um sistema de leveza de água, e proporciona uma fonte de água leve 130. A água leve passa através de um sistema de osmose reversa 210. A corrente do produto 212 do sistema de osmose reversa 210 é fornecida como água de alimentação para a célula de eletrolisador de catodo 14 e em contato com os eletrodos de catodo C1, C2, cada um dos quais é operado para produzir o produto 150 (isto é, água eletrolisada alcalina). Ao contrário das modalidades das figuras 15 e 16, nas modalidades das figuras 17 e 18, nenhuma das águas eletrolisadas alcalinas das modalidades das figuras 17 e 18 é enviada para a célula de eletrolisador de anodo 15 ou em contato com os eletrodos de anodo A1, A2. Em certas modalidades, a água leve de, por exemplo, a fonte de água leve 130 e a corrente de lavagem de contracorrente 214 a partir do sistema de osmose reversa 210 são combinadas (por exemplo, através de um dispositivo de mistura 220) e contactadas com os eletrodos de anodo A1, A2, permitindo assim para o sistema de osmose reversa 210 a ser operado com eficiência essencialmente máxima em relação ao uso de água. Quando utilizada, a configuração estabelecida neste parágrafo, as figuras 17 e 18 podem ser operadas com um número par de fontes de alimentação (por exemplo, dois: PS 1 e PS 2) porque os eletrodos de catodo e anodo C1, C2, A1, A2 podem, cada um, ser operados em operação da corrente correspondente (por exemplo, C1 = 17,5 A, C2 = 17,5 A, A1 = + 17,5 A, A2 = + 17,5 A), em oposição à operação de corrente escalonada aqui descrita. Portanto, a configuração elétrica da modalidade de osmose reversa pode ser simples em relação às modalidades das figuras 15 e 16. As taxas de fluxo mostradas nas figuras 15-18 devem ser exemplares na natureza e não devem ser interpretadas como limitativas.

[053] De acordo com o que precede, pode ver-se que um sistema de eletrolisação é proporcionado, o qual é operável para produzir em uma maneira econômica quantidades maiores de águas eletrolisadas dentro de faixas de pH prescritas para o melhor uso. O sistema compreende células de eletrolisador com uma construção única que permite o aumento da produção de água eletrolisada e que são operáveis para produzir maiores quantidades de água eletrolisada alcalina do que a água eletrolisada acídica, de acordo com os requisitos dos usuários. As células podem ainda ser operadas com correntes de entrada escalonadas e o redirecionamento de água eletrolisada para o controle ótimo dos níveis de pH dos produtos eletrolisados alcalinos e acídicos resultantes.

Claims

1. Sistema de eletrolisação para eletrolisar uma solução salina de água e íons de um sal alcalino para produzir água eletrolisada acídica e água eletrolisada alcalina, o sistema caracterizado pelo fato de que compreende: um recipiente para conter a solução de salmoura compreendendo cátions e ânions e definindo um banho de salmoura; um cartucho eletrolítico disposto no referido recipiente e imerso no banho de salmoura; o referido cartucho eletrolítico compreendendo uma célula de catodo e uma célula de anodo; a referida célula de catodo incluindo um par de eletrodos de catodo conectado a uma fonte elétrica que carrega negativamente os eletrodos de catodo; um suporte de eletrodo de catodo que suporta os referidos eletrodos de catodo em uma relação coplanar lado a lado espaçada lateralmente entre si nas respectivas câmaras seladas umas das outras; pelo menos, uma membrana permeável a cátions disposta em um lado de cada um dos referidos eletrodos de catodo que define um espaço entre cada eletrodo de catodo e a membrana permeável a cátion através da qual os cátions a partir da solução de salmoura podem entrar através da membrana permeável a cátions; os referidos espaços entre eletrodos de catodo e membrana permeável a cátions estão cada um em comunicação com uma entrada de fonte de água fresca em uma extremidade de entrada do espaço e em comunicação com uma saída química de limpeza em uma extremidade de saída do espaço; os referidos espaços entre os referidos eletrodos de catodo e a membrana permeável a cátions são selados um do outro e a solução de salmoura de tal modo que o único caminho para a solução de salmoura entrar nos espaços é através da membrana permeável a cátions; a referida célula de anodo incluindo um par de eletrodos de anodo conectado a uma fonte elétrica que carrega positivamente os eletrodos de anodo; um suporte de eletrodo de anodo que suporta os referidos eletrodos de anodo em uma relação coplanar lado a lado espaçada lateralmente entre si nas respectivas câmaras seladas umas das outras; pelo menos, uma membrana permeável a ânions disposta em um lado dos referidos eletrodos de anodo que define um espaço entre cada eletrodo de ânion e a membrana permeável a ânions através da qual os ânions da solução de salmoura podem entrar através da membrana permeável a ânions; os referidos espaços entre o referido eletrodo de anodo e a membrana permeável a ânions, cada um, estando em comunicação com uma entrada de fonte de água fresca em uma extremidade de entrada do espaço e em comunicação com uma saída química de limpeza em uma extremidade de saída do espaço; e os referidos espaços entre os referidos eletrodos de anodo e a membrana permeável a ânions são selados um do outro e a solução de salmoura de modo que o único caminho para a solução de salmoura entrar nos espaços é através da membrana permeável a ânions.

2. Sistema de eletrolisação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que inclui, pelo menos, um separador entre as referidas membranas permeáveis a ânions e cátions que separam as membranas permeáveis a ânions e permeáveis a cátions e que permitem a passagem da solução de salmoura a partir do referido banho de salmoura para as referidas membranas permeáveis a ânions e cátions.

3. Sistema de eletrolisação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os referidos eletrodos de catodo têm áreas de superfície maiores do que os referidos eletrodos de anodo.

4. Sistema de eletrolisação, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que os referidos eletrodos de catodo compreendem um par de placas de malha fixas juntas em relação lado a lado, e os referidos eletrodos de anodo compreendem, cada um, uma placa plana ininterrupta.

5. Sistema de eletrolisação, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que as referidas placas de malha estão estruturalmente e eletricamente ligadas entre si por uma placa espaçadora intermediária, e as referidas placas de malha, cada uma, tendo um terminal acoplado à respectiva placa espaçadora e que se projeta a partir do invólucro do cartucho.

6. Sistema de eletrolisação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida pelo menos uma membrana permeável a cátions é uma membrana única disposta em um lado dos referidos eletrodos de catodo, e a referida pelo menos uma membrana permeável a ânions é uma membrana única disposta em um lado dos referidos eletrodos de anodo.

7. Sistema de eletrolisação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido suporte de eletrodo de catodo forma uma respectiva bolsa com os referidos eletrodos de catodo que definem, cada um, um caminho de fluxo de líquido auxiliar em comunicação entre a entrada de fonte de água fresca e a saída química da célula de catodo.

8. Sistema de eletrolisação, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que as referidas bolsas têm uma profundidade de pelo menos 2 vezes o espaçamento entre a membrana permeável a cátions e os eletrodos de catodo.

9. Sistema de eletrolisação, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o referido pelo menos um separador suporta as referidas membranas em relação paralela aos referidos eletrodos durante o fluxo de líquido pressurizado através dos espaços entre as referidas membranas e eletrodos.

10. Sistema de eletrolisação, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o referido separador possui passagens de líquido para permitir a livre circulação de solução de salmoura a partir do referido banho de salmoura para as referidas membranas de ânions e cátions para a troca de íons através das membranas em cada lado do separador.

11. Sistema de eletrolisação, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o referido suporte de eletrodo de anodo define uma passagem de fluxo de líquido auxiliar em torno de um perímetro exterior dos eletrodos de anodo que comunicam entre a entrada de água fresca e a saída química da célula de anodo.

12. Sistema de eletrolisação, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o referido pelo menos um separador é uma placa separadora única disposta imediatamente entre as referidas membranas permeáveis a cátions e ânions.

13. Sistema de eletrolisação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida entrada de água fresca dos referidos espaços entre os referidos eletrodos de catodo e a membrana permeável a cátions estão em comunicação com uma corrente de produto de um sistema de osmose reversa.

14. Sistema de eletrolisação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a referida entrada de água fresca dos referidos espaços entre cada eletrodo de anodo e membrana permeável a ânions está em comunicação com uma corrente de lavagem de contracorrente de um sistema de osmose reversa.

15. Sistema de eletrolisação para eletrolisar uma solução de salmoura de água e íons de um sal alcalino para produzir água eletrolisada acídica e água eletrolisada alcalina, o sistema caracterizado pelo fato de que compreende: um recipiente para conter a solução de salmoura compreendendo cátions e ânions e definindo um banho de salmoura; um cartucho eletrolítico disposto no referido recipiente e imerso no banho de salmoura; o referido cartucho eletrolítico compreendendo uma célula de catodo e uma célula de anodo; a referida célula de catodo incluindo um primeiro eletrodo de catodo e um segundo eletrodo de catodo conectado a uma fonte elétrica que carrega negativamente os eletrodos de catodo; os referidos eletrodos de catodo sendo suportados em uma relação coplanar lado a lado espaçada lateralmente entre si nas respectivas câmaras seladas umas das outras; pelo menos, uma membrana permeável a cátions disposta em um lado de cada um dos referidos eletrodos de catodo que define um primeiro espaço entre o primeiro eletrodo de catodo e a, pelo menos, uma membrana permeável a cátions, e um segundo espaço entre o segundo eletrodo de catodo e a, pelo menos, uma membrana permeável a cátions através da qual os cátions a partir da solução de salmoura podem entrar através de, pelo menos, uma membrana permeável a cátions; os referidos primeiro e segundo espaços estão em comunicação com uma entrada de fonte de água fresca em uma extremidade de entrada dos primeiro e segundo espaços, o primeiro espaço com uma extremidade de saída estando em comunicação com uma saída química de limpeza; os referidos espaços entre os referidos eletrodos de catodo e a membrana permeável a cátions são selados um do outro e a solução de salmoura de tal modo que o único caminho para a solução de salmoura para entrar nos espaços é através da membrana permeável a cátions; a referida célula de anodo incluindo, pelo menos, um eletrodo de anodo ligado a uma fonte elétrica que carrega positivamente o eletrodo de anodo; pelo menos, uma membrana permeável a ânions disposta em um lado do referido, pelo menos, um eletrodo de anodo que define um espaço entre o referido pelo menos um eletrodo de anodo e a membrana permeável a ânions através da qual os ânions a partir da solução de salmoura podem entrar através da membrana permeável a ânions; o referido espaço entre o referido pelo menos um eletrodo de ânion e a referida membrana permeável a ânions tendo uma extremidade de entrada que está em comunicação com uma extremidade de saída do segundo espaço entre o segundo eletrodo de catodo e a, pelo menos, uma membrana permeável a cátions, o referido espaço entre o referido pelo menos um eletrodo de anodo e a referida membrana permeável a ânions estando em comunicação com uma saída química de limpeza em uma extremidade de saída; e o referido espaço entre o referido pelo menos um eletrodo de anodo e a referida pelo menos uma membrana permeável a ânions são selados um do outro e a solução de salmoura de tal modo que o único caminho para a solução de salmoura entrar no referido espaço é através da referida membrana permeável a ânions.

16. Sistema de eletrolisação, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que inclui um suporte de eletrodo de catodo que suporta os referidos eletrodos de catodo em uma relação coplanar lado a lado espaçada lateralmente entre si.

17. Sistema de eletrolisação, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que inclui, pelo menos, um separador entre as referidas membranas permeáveis a ânions e cátions que separa as membranas permeáveis a ânions e permutáveis a cátions e que permite a passagem da solução de salmoura a partir do referido banho de salmoura para as referidas membranas permeáveis a ânions e a cátions.

18. Sistema de eletrolisação para eletrolisar uma solução de salmoura de água e íons de um sal alcalino para produzir água eletrolisada acídica e água eletrolisada alcalina, o sistema caracterizado pelo fato de que compreende: um recipiente para conter a solução de salmoura compreendendo cátions e ânions e definindo um banho de salmoura; um cartucho eletrolítico disposto no referido recipiente e imerso no banho de salmoura; o referido cartucho eletrolítico compreendendo uma célula de catodo e uma célula de anodo; a referida célula de catodo incluindo um primeiro eletrodo de catodo e um segundo eletrodo de catodo; os referidos eletrodos de catodo sendo suportados em uma relação coplanar lado a lado espaçada lateralmente entre si nas respectivas câmaras seladas umas das outras; pelo menos, uma membrana permeável a cátions disposta em um lado de cada um dos referidos eletrodos de catodo que define um primeiro espaço entre o primeiro eletrodo de catodo e a, pelo menos, uma membrana permeável a cátions, e um segundo espaço entre o segundo eletrodo de catodo e a, pelo menos, uma membrana permeável a cátions através da qual os cátions a partir da solução de salmoura podem entrar através de, pelo menos, uma membrana permeável a cátions; os referidos primeiro e segundo espaços estão em comunicação com uma entrada de fonte de água fresca em uma extremidade de entrada dos primeiro e segundo espaços; os referidos espaços entre os referidos eletrodos de catodo e a membrana permeável a cátions são selados um do outro e a solução de salmoura de tal modo que o único caminho para a solução de salmoura entrar nos espaços é através da membrana permeável a cátions; a referida célula de anodo incluindo, pelo menos, um eletrodo de anodo; pelo menos, uma membrana permeável a ânions disposta em um lado do referido, pelo menos, um eletrodo de ânion que define um espaço entre cada eletrodo de anodo e a membrana permeável a ânions através da qual o ânion a partir da solução de salmoura pode entrar através da membrana permeável a ânions; o referido espaço entre cada eletrodo de anodo e a referida membrana permeável a ânions está em comunicação com uma fonte aquosa e uma saída química de limpeza em uma extremidade de saída; os referidos espaços entre o referido eletrodo de anodo e a referida membrana permeável a ânions são selados um do outro e a solução de salmoura de tal modo que o único caminho para a solução de salmoura entrar nos espaços é através da referida membrana permeável a ânions; e em que o primeiro eletrodo de catodo está ligado a terminais negativos de uma primeira e uma segunda fonte de alimentação de corrente contínua, o segundo eletrodo de catodo é conectado a um terminal negativo de uma terceira fonte de energia de corrente contínua, e o pelo menos um eletrodo de anodo está conectado a terminais positivos das primeira, segunda e terceira fontes de alimentação de corrente contínua.

19. Sistema de eletrolisação, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que inclui um suporte de eletrodo de catodo que suporta os referidos eletrodos de catodo em uma relação lado a lado espaçada lateralmente entre si.

20. Sistema de eletrolisação, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a referida célula de anodo inclui um par dos referidos eletrodos de anodo conectados a uma fonte elétrica que carrega positivamente os eletrodos de anodo; os referidos eletrodos de anodo são suportados em uma relação coplanar lado a lado espaçada lateralmente entre si nas respectivas câmaras seladas umas das outras; a referida pelo menos uma membrana permeável a ânions sendo disposta em um lado dos referidos eletrodos de anodo que define um espaço entre cada eletrodo de anodo e a pelo menos uma membrana permeável a ânions através da qual os íons da solução de salmoura podem entrar através da membrana permeável a ânions, e os referidos espaços entre cada eletrodos de anodo e a referida pelo menos uma membrana permeável a ânions tendo, cada uma, uma entrada em comunicação com a extremidade de saída do segundo espaço entre o segundo eletrodo de catodo e a pelo menos uma membrana permeável a cátions.

21. Sistema de eletrolisação, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a referida célula de anodo inclui um par de eletrodos de anodo; os referidos eletrodos de anodo são suportados em uma relação coplanar lado a lado espaçada lateralmente entre si nas respectivas câmaras seladas umas das outras; a referida pelo menos uma membrana permeável a ânions sendo disposta em um lado dos referidos eletrodos de anodo que define um espaço entre cada eletrodo de anodo e a pelo menos uma membrana permeável a ânions através da qual os íons da solução de salmoura podem entrar através da membrana permeável a ânions, e um dos referidos eletrodos de anodo sendo conectados ao terminal positivo da primeira fonte de energia e o outro dos eletrodos de anodo sendo conectado aos terminais positivos da segunda e terceira fontes de energia.