PT116005B

PT116005B - DEVICE FOR WATER DEIONIZATION

Info

Publication number: PT116005B
Application number: PT116005A
Authority: PT
Inventors: Nico Cláudio
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-12-13
Also published as: PT116005A

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO REFERE-SE A UM DISPOSITIVO (1) PARA A DESIONIZAÇÃO DE ÁGUA, QUE APRESENTA UM CANAL (2), EM QUE O CANAL (2) APRESENTA UMA DIREÇÃO DE FLUXO (3) E UM CONDENSADOR (4), EM QUE O CONDENSADOR (4) COMPREENDE UM PRIMEIRO ELÉTRODO (5) E UM SEGUNDO ELÉTRODO (6), EM QUE PODE SER APLICADA UMA TENSÃO ELÉTRICA PARA A DESIONIZAÇÃO CAPACITIVA DO PRIMEIRO ELÉTRODO (5) E DO SEGUNDO ELÉTRODO (6), EM QUE UM PRIMEIRO ELÉTRODO (5) APRESENTA UMA PRIMEIRA FACE SUPERIOR DE ELÉTRODO (9) E EM QUE O SEGUNDO ELÉTRODO (6) APRESENTA UMA SEGUNDA FACE SUPERIOR DE ELÉTRODO (10), EM QUE A PRIMEIRA FACE SUPERIOR DE ELÉTRODO (9) APRESENTA UMA PRIMEIRA ESTRUTURA METÁLICA POROSA (11). A PRESENTE INVENÇÃO REFERE-SE AINDA A UM PROCESSO DE PRODUÇÃO PARA UM DISPOSITIVO (1) PARA A DESIONIZAÇÃO DE ÁGUA E A UM PROCESSO OPERACIONAL PARA UM DISPOSITIVO (1) PARA A DESIONIZAÇÃO DE ÁGUA.THE PRESENT INVENTION CONCERNS A DEVICE (1) FOR THE DEIONIZATION OF WATER, WHICH HAS A CHANNEL (2), WHERE THE CHANNEL (2) HAS A FLOW DIRECTION (3) AND A CONDENSER (4), WHERE THE CONDENSER (4) COMPRISES A FIRST ELECTRODE (5) AND A SECOND ELECTRODE (6), TO WHICH AN ELECTRICAL VOLTAGE CAN BE APPLIED FOR THE CAPACITIVE DEIONIZATION OF THE FIRST ELECTRODE (5) AND THE SECOND ELECTRODE (6), WHERE A FIRST ELECTRODE (5) HAS AN UPPER FIRST FACE OF ELECTRODE (9) AND WHERE THE SECOND ELECTRODE (6) HAS A SECOND UPPER FACE ELECTRODE (10), WHERE THE FIRST UPPER FACE OF ELECTRODE (9) HAS A FIRST METALLIC STRUCTURE POROUS (11). THE PRESENT INVENTION FURTHER CONCERNS A PRODUCTION PROCESS FOR A DEVICE (1) FOR THE DEIONIZATION OF WATER AND AN OPERATIONAL PROCESS FOR A DEVICE (1) FOR THE DEIONIZATION OF WATER.

Description

DESCRIÇÃO DISPOSITIVO PARA A DESIONIZAÇÃO DE ÁGUADESCRIPTION DEVICE FOR WATER DEIONIZATION

Domínio técnicotechnical domain

A presente invenção refere-se a um dispositivo para a desionização de água, a um processo de produção para um dispositivo para a desionização de água e a um processo operacional para um dispositivo para a desionização de água.The present invention relates to a device for the deionization of water, a production process for a device for the deionization of water and an operational process for a device for the deionization of water.

Estado da técnicaState of the art

É conhecido desionizar água por desionização capacitiva, pelo facto de iões com uma determinada tensão serem adsorvidos numa superfície de elétrodos e, por conseguinte, serem removidos da água. Os iões depositados no elétrodo neste caso formam uma camada dielétrica, que conduz a um pioramento de desionização correspondente. Para resolver este problema, também é conhecido do estado da técnica, utilizar elétrodos porosos, em que a adsorção dos iões ocorre no interior dos poros. Para este efeito são utilizados materiais com base em carbono, considerando que estes oferecem boas propriedades para serem utilizados como elétrodo durante a desionização capacitiva de água.It is known to deionize water by capacitive deionization, in that ions with a certain voltage are adsorbed onto an electrode surface and therefore removed from the water. The ions deposited on the electrode in this case form a dielectric layer, which leads to a corresponding worsening of deionization. To solve this problem, it is also known from the state of the art to use porous electrodes, in which the adsorption of ions takes place inside the pores. For this purpose, carbon-based materials are used, considering that they offer good properties to be used as an electrode during capacitive deionization of water.

problema da utilização de elétrodos com base em carbono reside no facto de estes, por um lado, apresentarem uma condutividade elétrica reduzida e, por outro lado, uma estabilidade mecânica reduzida. Subsequentemente, os elétrodos com base em carbono têm de ser frequentemente libertados dos iões adsorvidos e simultaneamente não apresentam uma vida útil muito longa.The problem with the use of carbon-based electrodes lies in the fact that, on the one hand, they have a reduced electrical conductivity and, on the other hand, a reduced mechanical stability. Subsequently, carbon-based electrodes have to be frequently freed from the adsorbed ions and at the same time do not have a very long service life.

Descrição geralGeneral description

A presente invenção tem por objetivo divulgar um dispositivo para a desionização capacitiva de água melhorado ou um dispositivo para a desionização com elétrodos desta natureza melhorado. A presente invenção tem ainda por objetivo um processo de produção e operacional para dispositivos desta natureza.The present invention aims to disclose an improved device for the capacitive deionization of water or a device for the deionization with electrodes of this improved nature. The present invention also aims at a production and operational process for devices of this nature.

Um dispositivo para a desionização de água apresenta um canal com uma direção de fluxo. 0 dispositivo apresenta ainda um condensador, que compreende um primeiro elétrodo e um segundo elétrodo. Pode ser aplicada uma tensão elétrica para a desionização capacitiva entre o primeiro elétrodo e o segundo elétrodo. 0 primeiro elétrodo apresenta uma primeira face superior de elétrodo e o segundo elétrodo apresenta uma segunda face superior de elétrodo. A primeira face superior de elétrodo ou a segunda face superior de elétrodo neste caso podem estar dispostas no interior do canal. A primeira face superior de elétrodo apresenta uma primeira estrutura metálica porosa.A device for deionizing water has a channel with a direction of flow. The device also has a capacitor, which comprises a first electrode and a second electrode. An electrical voltage for capacitive deionization can be applied between the first electrode and the second electrode. The first electrode has a first electrode top face and the second electrode has a second electrode top face. The first electrode upper face or the second electrode upper face in this case may be arranged inside the channel. The first electrode upper face has a first porous metallic structure.

As estruturas metálicas porosas são melhores para a desionização capacitiva de água do que as estruturas de carbono porosas. Por um lado, a condutividade elétrica de uma estrutura metálica porosa é superior em comparação com uma estrutura de carbono porosa e, por outro lado, uma estrutura mecânica porosa mecanicamente é mais estável do que uma estrutura de carbono porosa. Devido à utilização da primeira estrutura metálica porosa pode ser melhorada a primeira face superior de elétrodo.Porous metal frameworks are better for capacitive deionization of water than porous carbon frameworks. On the one hand, the electrical conductivity of a porous metal structure is superior compared to a porous carbon structure, and on the other hand, a mechanically porous mechanical structure is more stable than a porous carbon structure. Due to the use of the first porous metallic structure, the first electrode top face can be improved.

De acordo com uma forma de realização, a segunda face superior de elétrodo apresenta uma segunda estrutura metálica porosa. Neste caso, ambos os elétrodos do condensador, que é utilizado para a desionização capacitiva, são melhorados.According to one embodiment, the second upper electrode face has a second porous metallic structure. In this case, both electrodes of the capacitor, which is used for capacitive deionization, are improved.

De acordo com ambas as variantes, pode estar previsto que os iões, que são adsorvidos durante a desionização de água do primeiro elétrodo ou no segundo elétrodo, se disponham no interior de poros da estrutura metálica porosa e, por conseguinte, formem uma camada dielétrica na primeira face superior de elétrodo ou na segunda face superior de elétrodo.According to both variants, it can be provided that the ions, which are adsorbed during the deionization of water at the first electrode or at the second electrode, are arranged inside the pores of the porous metallic structure and, therefore, form a dielectric layer on the first electrode top face or on the second electrode top face.

De acordo com uma forma de realização, o primeiro elétrodo e/ou o segundo elétrodo apresentam titânio, nióbio, cobre e/ou alumínio. Mais particularmente, os metais podem estar presentes sob a forma pura ou sob a forma de liga com diferentes proporções em peso dos referidos metais. Os referidos metais são muito adequados para a moldagem de uma estrutura metálica porosa e, por conseguinte, podem ser bem utilizados como elétrodos com estrutura metálica porosa. A estabilidade mecânica e a condutividade elétrica dos referidos materiais ou dos elétrodos constituídos pelos referidos materiais de estrutura metálica porosa são melhoradas em comparação com os elétrodos de carbono porosos conhecidos do estado da técnica.According to one embodiment, the first electrode and/or the second electrode have titanium, niobium, copper and/or aluminum. More particularly, the metals may be present in pure form or in alloy form with different proportions by weight of said metals. Said metals are very suitable for molding a porous metal structure and therefore can be well used as electrodes with a porous metal structure. The mechanical stability and electrical conductivity of said materials or electrodes made up of said porous metallic structure materials are improved compared to porous carbon electrodes known from the prior art.

De acordo com uma forma de realização, a primeira estrutura metálica porosa e/ou a segunda estrutura metálica porosa apresentam poros com um diâmetro de poro entre vinte e cinco e duzentos nanómetros. Os poros do referido tamanho são muito adequados para adsorver iões no interior dos poros, de modo que é alcançado um dispositivo para a desionização de água melhorado através da utilização de elétrodos metálicos porosos com o referido tamanho de poro.According to one embodiment, the first porous metallic structure and/or the second porous metallic structure have pores with a pore diameter between twenty-five and two hundred nanometers. The pores of said size are very suitable for adsorbing ions inside the pores, so that an improved device for deionizing water is achieved through the use of porous metal electrodes of said pore size.

De acordo com uma forma de realização, a primeira face superior de elétrodo e/ou a segunda face superior de elétrodo apresenta uma camada de óxido. A camada de óxido neste caso pode cobrir a estrutura metálica subjacente e fazer com que o metal dos elétrodos, quando está em contacto com a água, seja menos intensamente agredido ou oxidado pela água. Quando a camada de óxido é fina (no intervalo de alguns nanómetros a um micrómetro), as propriedades elétricas dos elétrodos não são significativamente pioradas pela camada de óxido, de modo que, em termos gerais, continua a existir uma forma de realização vantajosa dos elétrodos, considerando que é melhorada a estabilidade mecânica dos elétrodos.According to one embodiment, the first electrode upper face and/or the second electrode upper face has an oxide layer. The oxide layer in this case can cover the underlying metallic structure and make the metal of the electrodes, when in contact with water, be less intensely attacked or oxidized by the water. When the oxide layer is thin (in the range of a few nanometers to a micrometer), the electrical properties of the electrodes are not significantly worsened by the oxide layer, so that, in general terms, there remains an advantageous embodiment of the electrodes. , considering that the mechanical stability of the electrodes is improved.

De acordo com uma forma de realização, o primeiro elétrodo e/ou o segundo elétrodo apresentam uma condutividade de pelo menos cem mil Siemens por metro. Preferencialmente, a condutividade elétrica pode ser de um milhão de Siemens por metro ou superior. Com as referidas condutividades, um elétrodo é muito adequado para a desionização capacitiva de água.According to one embodiment, the first electrode and/or the second electrode have a conductivity of at least one hundred thousand Siemens per meter. Preferably, the electrical conductivity can be one million Siemens per meter or higher. With said conductivities, an electrode is very suitable for capacitive deionization of water.

De acordo com uma forma de realização, a primeira estrutura metálica porosa e/ou a segunda estrutura metálica porosa apresentam uma estrutura de poros regular gerada por oxidação anódica eletroquimica. Neste caso, uma estrutura de poros regular apresenta poros com um diâmetro de poro, que é essencialmente idêntico ao longo da totalidade do elétrodo. Um tamanho de poro médio pode ser, por exemplo, de cem nanómetros, enquanto os poros mais pequenos apresentam um diâmetro de oitenta nanómetros e os poros maiores apresentam um diâmetro de cento e vinte nanómetros. Uma estrutura de poros desta natureza pode ser designada por estrutura de poros regular. Além disso, alternativamente ou adicionalmente, o conceito estrutura de poros regular também pode referir-se ao facto de os poros apresentarem uma disposição regular, por exemplo, respetivamente com quatro ou seis poros adjacentes próximos.According to one embodiment, the first porous metallic structure and/or the second porous metallic structure have a regular pore structure generated by electrochemical anodic oxidation. In this case, a regular pore structure has pores with a pore diameter that is essentially identical across the entire electrode. An average pore size can be, for example, one hundred nanometers, while the smallest pores have a diameter of eighty nanometers and the largest pores have a diameter of one hundred and twenty nanometers. A pore structure of this nature may be referred to as a regular pore structure. Furthermore, alternatively or additionally, the concept of regular pore structure may also refer to the fact that the pores have a regular arrangement, e.g. respectively with four or six adjacent pores in close proximity.

Para produzir um dispositivo para a desionização de água, inicialmente é realizado um primeiro elétrodo de metal. Subsequentemente é moldada uma primeira estrutura metálica porosa numa primeira face superior de elétrodo do primeiro elétrodo. Subsequentemente é realizada uma segunda estrutura metálica de modo que o primeiro elétrodo e o segundo elétrodo formam um condensador, em que o condensador está disposto no interior de um canal. Este processo permite realizar o dispositivo de acordo com a presente invenção.To produce a device for the deionization of water, a first metal electrode is initially made. Subsequently, a first porous metallic structure is molded onto a first electrode upper face of the first electrode. Subsequently, a second metallic structure is realized so that the first electrode and the second electrode form a capacitor, where the capacitor is arranged inside a channel. This process makes it possible to make the device according to the present invention.

De acordo com uma forma de realização do processo é moldada uma segunda estrutura metálica porosa numa segunda face superior de elétrodo do segundo elétrodo.According to one embodiment of the process, a second porous metallic structure is molded into a second electrode upper face of the second electrode.

De acordo com uma forma de realização do processo, a moldagem da primeira estrutura metálica porosa e/ou da segunda estrutura metálica porosa é realizada por oxidação anódica eletroquimica. Por meio da oxidação anódica eletroquimica podem ser facilmente produzidas estruturas metálicas porosas.According to one embodiment of the process, the molding of the first porous metallic structure and/or the second porous metallic structure is carried out by electrochemical anodic oxidation. By means of electrochemical anodic oxidation, porous metallic structures can be easily produced.

De acordo com uma forma de realização do processo, a oxidação anódica eletroquimica é realizada numa solução de ácido fluoridrico. Neste caso pode estar previsto que com uma proporção em peso da molécula de fluoreto de hidrogénio na solução de ácido fluoridrico seja de entre um décimo e um milésimo. Pode estar previsto que para a oxidação anódica eletroquimica seja aplicada uma tensão, que seja de entre um Volt e trinta Volts. Neste caso, a tensão é aplicada, de modo que o elétrodo a ser trabalhado, em que deve ser gerada a estrutura metálica porosa, sirva como ânodo. Pode estar previsto que a tensão seja aplicada durante um período entre um minuto e duas horas.According to one embodiment of the process, the electrochemical anodic oxidation is carried out in a hydrofluoric acid solution. In this case, it can be envisaged that a proportion by weight of the hydrogen fluoride molecule in the hydrofluoric acid solution is between one tenth and one thousandth. It can be foreseen that for the electrochemical anodic oxidation a voltage is applied, which is between one volt and thirty volts. In this case, voltage is applied, so that the electrode to be worked, on which the porous metallic structure must be generated, serves as an anode. It may be anticipated that voltage will be applied for a period of between one minute and two hours.

Num processo operacional de um dispositivo para a desionização de água de acordo com a presente invenção é aplicada uma primeira tensão nos elétrodos. A primeira tensão aplicada faz com que os iões, que se encontram no interior do canal, em função da carga dos iões, sejam deslocados na direção do primeiro elétrodo ou do segundo elétrodo e se depositem na primeira estrutura metálica porosa ou na segunda estrutura metálica porosa. Além disso, o processo compreende um procedimento de limpeza, em que é aplicada uma segunda tensão nos elétrodos. Neste caso, a segunda tensão é polarizada de forma oposta à primeira tensão. Por conseguinte, os iões adsorvidos nos elétrodos voltam a ser libertados e voltam a transitar para a água que se encontra no canal. Esta água subsequentemente pode ser descartada como água de limpeza ou como água que circula através do dispositivo durante o procedimento de limpeza, em que subsequentemente voltam a estar disponíveis elétrodos purificados para iniciar novamente o procedimento de limpeza. No caso dos elétrodos com base em carbono porosos este procedimento de limpeza não é possível, considerando que devido à inversão da tensão, os iões não se libertam das estruturas de carbono porosas e, por conseguinte, durante a limpeza tem de ser conduzido um meio com base em ácido, por exemplo, ácido acético, através do dispositivo para a desionização de água e, por conseguinte, a limpeza dos elétrodos com base em carbono representa uma complexidade significativamente mais elevada.In an operational process of a device for the deionization of water according to the present invention, a first voltage is applied to the electrodes. The first applied voltage causes the ions, which are inside the channel, depending on the charge of the ions, to be moved towards the first or second electrodes and deposited in the first porous metallic structure or in the second porous metallic structure. . Furthermore, the process comprises a cleaning procedure, wherein a second voltage is applied to the electrodes. In this case, the second voltage is polarized opposite to the first voltage. As a result, the ions adsorbed on the electrodes are released again and return to the water in the channel. This water can subsequently be discarded as cleaning water or as water that circulates through the device during the cleaning procedure, whereupon purified electrodes are subsequently made available to start the cleaning procedure again. In the case of porous carbon-based electrodes, this cleaning procedure is not possible, considering that due to the inversion of voltage, the ions do not release from the porous carbon structures and therefore, during cleaning, a medium with acid-based, e.g. acetic acid, through the device for deionizing water and therefore cleaning the carbon-based electrodes represents a significantly higher complexity.

Breve descrição das figurasBrief description of figures

Os exemplos de realização da presente invenção são explicados com base nas figuras seguintes. Nas figuras esquemáticas a:Examples of embodiments of the present invention are explained on the basis of the following figures. In the schematic figures:

Fig. 1 apresenta um dispositivo para a desionização de água;Fig. 1 shows a device for deionizing water;

Fig. 2 apresenta uma face superior de elétrodo;Fig. 2 shows an electrode top face;

Fig. 3 apresenta um corte transversal através do elétrodo;Fig. 3 shows a cross-section through the electrode;

Fig. 4 apresenta um dispositivo para a desionizaçãode água durante um procedimento de desionização;Fig. 4 shows a device for deionizing water during a deionization procedure;

Fig. 5 apresenta um dispositivo para a desionizaçãode água durante um procedimento de limpeza;Fig. 5 shows a device for deionizing water during a cleaning procedure;

Fig. 6 apresenta um elétrodo durante um processode produção, e;Fig. 6 shows an electrode during a production process, and;

Figs. 7 a 11 apresentam diferentes etapas intermédias durante o processo de produção,Figs. 7 to 11 show different intermediate steps during the production process,

Fig. 12 apresenta um dispositivo para a desionização de água.Fig. 12 shows a device for deionizing water.

Descrição das formas de realizaçãoDescription of embodiments

As Fig. 1 e 12 apresentam um dispositivo 1 para a desionização de água. 0 dispositivo (1) apresenta um canal (2) com uma direção de fluxo (3) . A água, que tem de ser desionizada, pode circular através do canal (2) na direção de fluxo (3). 0 dispositivo (1) para a desionização de água apresenta ainda um condensador (4), que está disposto no interior do canal (2). 0 condensador (4) apresenta um primeiro elétrodo (5) e um segundo elétrodo (6) . Uma primeira conexão (7) está ligada ao primeiro elétrodo (5). Uma segunda conexão (8) está ligada ao segundo elétrodo (6). Através da primeira conexão (7) ou da segunda conexão (8) pode ser aplicada uma tensão no condensador (4). Por meio da tensão os iões, que se encontram na água no interior do canal, podem ser desviados na direção de um dos elétrodos (5, 6) e aí adsorvidos e, por conseguinte, ser removidos da água, que se encontra no canal (2). 0 primeiro elétrodo (5) apresenta uma primeira face superior de elétrodo (9) . A primeira face superior de elétrodo (9) apresenta uma primeira estrutura metálica porosa (11) com poros (13). Os poros (13) formam a primeira estrutura metálica porosa (11) da primeira face superior de elétrodo (9).Figs. 1 and 12 show a device 1 for deionizing water. The device (1) has a channel (2) with a flow direction (3). The water, which has to be deionized, can circulate through the channel (2) in the flow direction (3). The device (1) for the deionization of water also has a condenser (4), which is arranged inside the channel (2). The capacitor (4) has a first electrode (5) and a second electrode (6). A first connection (7) is connected to the first electrode (5). A second connection (8) is connected to the second electrode (6). Via the first connection (7) or the second connection (8) a voltage can be applied to the capacitor (4). By means of the voltage, the ions, which are in the water inside the channel, can be deflected towards one of the electrodes (5, 6) and adsorbed there and, therefore, removed from the water, which is in the channel ( two). The first electrode (5) has a first top electrode face (9). The first electrode upper face (9) has a first porous metallic structure (11) with pores (13). The pores (13) form the first porous metallic structure (11) of the first electrode upper face (9).

Nas Figs. 1 e 12 estão ainda representados que o segundo elétrodo (6) apresenta uma segunda face superior de elétrodo (10), que é realizada sob a forma de uma segunda estrutura metálica porosa (12) . Também a segunda estrutura metálica porosa (12) apresenta poros (13) correspondentes. De acordo com um exemplo de forma de realização alternativo não representado, o segundo elétrodo (6) apenas apresenta a segunda face superior de elétrodo (10), mas nenhuma segunda estrutura metálica porosa (12).In Figs. 1 and 12 it is also shown that the second electrode (6) has a second upper electrode face (10), which is made in the form of a second porous metallic structure (12). Also the second porous metallic structure (12) has corresponding pores (13). According to an example of alternative embodiment not shown, the second electrode (6) only has the second electrode upper face (10), but no second porous metallic structure (12).

Considerando que os elétrodos (5, 6) apresentam uma estrutura metálica porosa (11, 12), pode ser gerada uma densidade de corrente mais elevada por meio dos elétrodos (5, 6) do que seria possível com os elétrodos com base em carbono conhecidos do estado da técnica. Por conseguinte, o dispositivo (1) pode ser mais eficazmente operado para a desionização de água.Since the electrodes (5, 6) have a porous metallic structure (11, 12), a higher current density can be generated via the electrodes (5, 6) than would be possible with known carbon-based electrodes. of the state of the art. Therefore, the device (1) can be more effectively operated for the deionization of water.

A Fig. 2 apresenta uma face superior de elétrodo (9, 10), que apresenta uma estrutura metálica porosa (11, 12). A face superior de elétrodo (9, 10) neste caso é apresentada numa vista de cima, em que estão dispostos, de forma distribuída, poros (13) redondos ao longo da face superior de elétrodo (9, 10) e, por conseguinte, formam a estrutura metálica porosa (11, 12) . O primeiro elétrodo (5) e o segundo elétrodo (6) podem assim apresentar uma estrutura metálica porosa (11, 12) realizada de forma análoga, conforme apresentada na Fig. 2 .Fig. 2 shows an electrode top face (9, 10), which has a porous metal structure (11, 12). The electrode upper face (9, 10) in this case is shown in a top view, in which round pores (13) are arranged in a distributed manner along the electrode upper face (9, 10) and, therefore, form the porous metallic structure (11, 12). The first electrode (5) and the second electrode (6) can thus have a porous metallic structure (11, 12) made in a similar way, as shown in Fig. two .

De acordo com um exemplo de realização, o primeiro elétrodo (5) e/ou o segundo elétrodo (6) apresentam titânio, nióbio e/ou alumínio. Mais particularmente, o primeiro elétrodo (5) e o segundo elétrodo (6) podem ser constituídos pelos referidos metais. Alternativamente, o primeiro elétrodo (5) e o segundo elétrodo (6) também podem ser constituídos por uma liga dos referidos metais. Neste caso não é necessário que o primeiro elétrodo (5) e o segundo elétrodo (6) apresentem um material idêntico. Também pode estar previsto, por exemplo, que o primeiro elétrodo (5) seja constituído por cobre e o segundo elétrodo (6) seja constituído por alumínio ou por qualquer outra combinação dos referidos materiais ou ligas. Os poros (13) na Fig. 2 são representados, de modo que cada poro (13) esteja circundado por seis poros (13) adicionais numa disposição hexagonal. Alternativamente também podem estar previstas outras disposições de poros (13).According to an example of embodiment, the first electrode (5) and/or the second electrode (6) have titanium, niobium and/or aluminum. More particularly, the first electrode (5) and the second electrode (6) can be constituted by said metals. Alternatively, the first electrode (5) and the second electrode (6) can also be constituted by an alloy of said metals. In this case it is not necessary that the first electrode (5) and the second electrode (6) have an identical material. It can also be envisaged, for example, that the first electrode (5) is made of copper and the second electrode (6) is made of aluminum or any other combination of said materials or alloys. The pores (13) in Fig. 2 are shown so that each pore (13) is surrounded by six additional pores (13) in a hexagonal arrangement. Alternatively, other pore arrangements (13) can also be envisaged.

A Fig. 3 apresenta um corte transversal através de um elétrodo (5, 6) em que o elétrodo (5, 6) é constituído por uma camada metálica (15) e por uma camada de óxido (16). Os poros (13) são tão profundos, que a camada de óxido (16) é fina em comparação com uma profundidade de poro dos poros (13) . Além disso, os poros (13) apresentam um diâmetro de poro (14), em que o diâmetro de poro pode ser de entre vinte e cinco nanómetros e duzentos nanómetros. De acordo com exemplos de realização preferidos, o diâmetro de poro (14) é de entre cinquenta nanómetros e cento e cinquenta nanómetros e, de acordo com exemplos de realização particularmente preferidos, de entre oitenta nanómetros e cento e vinte nanómetros.Fig. 3 shows a cross-section through an electrode (5, 6) in which the electrode (5, 6) consists of a metal layer (15) and an oxide layer (16). The pores (13) are so deep that the oxide layer (16) is thin compared to a pore depth of the pores (13). Furthermore, the pores (13) have a pore diameter (14), wherein the pore diameter can be between twenty-five nanometers and two hundred nanometers. According to preferred embodiments, the pore diameter (14) is between fifty nanometers and one hundred and fifty nanometers and, according to particularly preferred embodiments, between eighty nanometers and one hundred and twenty nanometers.

Pode estar previsto que uma condutividade do primeiro elétrodo (5) ou do segundo elétrodo (6) seja de, pelo menos, cem mil Siemens por metro. De acordo com exemplos de realização preferidos, a condutividade do primeiro elétrodo (5) ou do segundo elétrodo (6) é superior a um milhão Siemens por metro.It can be envisaged that a conductivity of the first electrode (5) or of the second electrode (6) is at least one hundred thousand Siemens per meter. According to preferred examples, the conductivity of the first electrode (5) or of the second electrode (6) is greater than one million Siemens per meter.

A Fig. 4 apresenta uma representação simplificada do dispositivo (1) para a desionização de água da Fig. 1 durante um procedimento de desionização. Na primeira conexão (7) é aplicada uma tensão positiva, enquanto na segunda conexão (8) é aplicada uma tensão negativa. Neste caso, em termos gerais, é aplicada uma primeira tensão com as referidas polaridades nas conexões (7, 8) . Os catiões (17) que se encontram a água no interior do canal (2) são atraídos pelo segundo elétrodo (6) de carga negativa. Os aniões (18) existentes são atraídos pelo primeiro elétrodo (5) de carga positiva. Os catiões (17) neste caso depositam-se nos poros (13) do segundo elétrodo (6), enquanto os aniões (18) se depositam nos poros (13) do primeiro elétrodo (5).Fig. 4 shows a simplified representation of the device (1) for the deionization of water in Fig. 1 during a deionization procedure. On the first connection (7) a positive voltage is applied, while on the second connection (8) a negative voltage is applied. In this case, in general terms, a first voltage with said polarities is applied to the connections (7, 8). The cations (17) found in the water inside the channel (2) are attracted by the second negatively charged electrode (6). The existing anions (18) are attracted by the first electrode (5) of positive charge. The cations (17) in this case are deposited in the pores (13) of the second electrode (6), while the anions (18) are deposited in the pores (13) of the first electrode (5).

A Fig. 5 apresenta o dispositivo (1) para a desionização de água da Fig. 4 durante um procedimento de limpeza. É aplicada uma segunda tensão nas conexões (7, 8), em que a segunda tensão é polarizada de forma oposta em relação à primeira tensão. Durante o procedimento de limpeza a tensão é, portanto, invertida, de modo que apenas existe uma tensão negativa no primeiro elétrodo (5) e existe uma tensão positiva no segundo elétrodo (6). Considerando que apenas existe uma tensão negativa no primeiro elétrodo (5) e uma tensão positiva no segundo elétrodo (6), os aniões (18) (observados na Fig. 4) são rejeitados pelo primeiro elétrodo (5) e os catiões (18) (observados na Fig. 4) são rejeitados pelo segundo elétrodo (6) e voltam a ser transportados para o canal (2). Por conseguinte é aumentada uma concentração de iões no interior da água do canal (2) durante o procedimento de limpeza e é descartada a água daí resultante.Fig. 5 shows the device (1) for the deionization of water of Fig. 4 during a cleaning procedure. A second voltage is applied to connections (7, 8), wherein the second voltage is polarized opposite to the first voltage. During the cleaning procedure the voltage is therefore inverted so that there is only a negative voltage on the first electrode (5) and there is a positive voltage on the second electrode (6). Considering that there is only a negative voltage on the first electrode (5) and a positive voltage on the second electrode (6), the anions (18) (seen in Fig. 4) are rejected by the first electrode (5) and the cations (18) (seen in Fig. 4) are rejected by the second electrode (6) and returned to the channel (2). Therefore, a concentration of ions inside the water of the channel (2) is increased during the cleaning procedure and the resulting water is discarded.

Por conseguinte, durante o procedimento de desionização da Fig. 4 são removidos os iões (17, 18) da água no interior do canal, enquanto durante o procedimento de limpeza da Fig. 5 os iões (17, 18) voltam a ser libertados na água e, por conseguinte, os elétrodos (5, 6) voltam a estar disponíveis para uma etapa de desionização adicional.Therefore, during the deionization procedure of Fig. 4 ions (17, 18) are removed from the water inside the channel, while during the cleaning procedure of Fig. 5 the ions (17, 18) are released back into the water and therefore the electrodes (5, 6) are again available for an additional deionization step.

A Fig. 6 apresenta um recipiente (19), em que pode ser produzido um elétrodo (5, 6), que pode ser utilizado num exemplo de realização apresentado nas Figuras de 1 a 5. Para este efeito, o elétrodo (5, 6) está ligado a um polo positivo de uma fonte de tensão (21) . Um polo negativo da fonte de tensão (21) está ligado a um contra elétrodo (22) . 0 elétrodo (5, 6) e o contra-elétrodo (22) neste caso estão dispostos num líquido (20) no interior do recipiente (19). Devido à tensão positiva no elétrodo (5, 6) pode ser produzida a estrutura metálica porosa apresentada nas Figuras 2 e 3 dos elétrodos.Fig. 6 shows a container (19), in which an electrode (5, 6) can be produced, which can be used in an example of embodiment shown in Figures 1 to 5. For this purpose, the electrode (5, 6) is connected to a positive pole of a voltage source (21). A negative pole of the voltage source (21) is connected to a counter electrode (22). The electrode (5, 6) and the counter electrode (22) in this case are arranged in a liquid (20) inside the container (19). Due to the positive voltage on the electrode (5, 6) the porous metallic structure shown in Figures 2 and 3 of the electrodes can be produced.

O elétrodo (5, 6) neste caso é constituído por uma camada metálica (15) e por uma camada de óxido (16) . Alternativamente, a camada de óxido (16) também pode ser suprimida e estar prevista apenas a camada metálica (15) .The electrode (5, 6) in this case consists of a metallic layer (15) and an oxide layer (16). Alternatively, the oxide layer (16) can also be omitted and only the metallic layer (15) provided.

O líquido (20) pode ser ácido fluorídrico com uma proporção em peso da molécula de ácido fluorídrico entre 0,1 por cento e 10 por cento. A tensão disponibilizada através da fonte de tensão (21) pode ser de entre um Volt e trinta Volts e ser aplicada durante um período entre um minuto e duas horas, para gerar a estrutura metálica porosa do elétrodo (5, 6) .Liquid (20) may be hydrofluoric acid with a weight ratio of the hydrofluoric acid molecule between 0.1 percent and 10 percent. The voltage provided through the voltage source (21) can be between one volt and thirty volts and be applied for a period of between one minute and two hours, to generate the porous metallic structure of the electrode (5, 6).

As Figuras de 7 a 11 apresentam diferentes etapas intermédias durante esta geração da estrutura metálica porosa do elétrodo (5, 6) por oxidação anódica eletroquímica. A oxidação anódica eletroquímica ocorre, quando no recipiente (19), cheio de líquido (20), é aplicada uma tensão correspondente no elétrodo (5, 6) e no contra-elétrodo (22) por meio da fonte de tensão (21).Figures 7 to 11 show different intermediate steps during this generation of the porous metallic structure of the electrode (5, 6) by electrochemical anodic oxidation. Electrochemical anodic oxidation occurs when in the container (19), filled with liquid (20), a corresponding voltage is applied to the electrode (5, 6) and counter electrode (22) by means of the voltage source (21).

A Fig. 7 apresenta a situação inicial do elétrodo (5, 6), em que uma camada metálica (15) está coberta por uma camada de óxido (16). Na superfície limite (23) a camada metálica (15) e a camada de óxido (16) entram em contacto.Fig. 7 shows the initial situation of the electrode (5, 6), in which a metallic layer (15) is covered by an oxide layer (16). At the boundary surface (23) the metallic layer (15) and the oxide layer (16) come into contact.

Quando a tensão é aplicada por meio da fonte de tensão (21) (observada na Fig. 5), então a camada de óxido (16) começa a dissolver-se em alguns pontos e formam-se entalhes na camada de óxido (16), que inicialmente ainda alcançam a superfície limite (23). Isto é representado na Fig. 8.When voltage is applied through the voltage source (21) (seen in Fig. 5), then the oxide layer (16) begins to dissolve in places and notches form in the oxide layer (16) , which initially still reach the boundary surface (23). This is represented in Fig. 8.

A Fig. 9 apresenta um corte transversal através do elétrodo (5, 6) de acordo com o qual a tensão foi aplicada durante um período de tempo adicional. Na camada de óxido (16) formamse primeiros poros (13), que alcançam a superfície limite (23) .Fig. 9 shows a cross-section through the electrode (5, 6) according to which voltage has been applied for an additional period of time. In the oxide layer (16) first pores (13) are formed, which reach the boundary surface (23).

A Fig. 10 apresenta o elétrodo (5, 6) de acordo com o qual a tensão foi aplicada adicionalmente e o metal da camada metálica (15) foi oxidada abaixo da superfície limite (23) e, por conseguinte, os poros (13) foram adicionalmente aprofundados e a camada de óxido (16) na zona dos poros (13) já penetrou na camada metálica (15).Fig. 10 shows the electrode (5, 6) according to which voltage was additionally applied and the metal of the metallic layer (15) was oxidized below the boundary surface (23) and therefore the pores (13) were further deepened. and the oxide layer (16) in the pore area (13) has already penetrated the metallic layer (15).

A Fig. 11 apresenta um corte transversal, de acordo com o qual a tensão foi aplicada adicionalmente, em que os poros (13) ainda penetram mais profundamente na camada metálica (15) e podem então apresentar a estrutura conforme apresentado nas Figuras 2 e 3.Fig. 11 shows a cross-section, according to which the tension was additionally applied, in which the pores (13) still penetrate deeper into the metallic layer (15) and can then present the structure as shown in Figures 2 and 3.

Embora a presente invenção tenha sido detalhadamente descrita através dos exemplos de realização preferidos, a presente invenção não está limitada aos exemplos divulgados, sendo possíveis outras variantes a realizar pelo perito na técnica, sem abandonar o âmbito de proteção da presente invenção.Although the present invention has been described in detail by means of preferred embodiments, the present invention is not limited to the disclosed examples, other variants being possible to be carried out by the person skilled in the art, without departing from the scope of protection of the present invention.

Mais particularmente, apenas o primeiro elétrodo (5) pode apresentar uma estrutura metálica porosa (11), enquanto o segundo elétrodo (6) apresenta uma segunda face superior de elétrodo (10) lisa. Também pode estar previsto prever uma camada de óxido (16) em apenas um dos dois elétrodos (5, 6).More particularly, only the first electrode (5) can have a porous metallic structure (11), while the second electrode (6) has a smooth second electrode upper face (10). It is also possible to provide for an oxide layer (16) on only one of the two electrodes (5, 6).

Lista dos números de referênciaList of reference numbers

DispositivoDevice

CanalChannel

Direção de fluxoflow direction

CondensadorCondenser

Primeiro elétrodofirst electrode

Segundo elétrodosecond electrode

Primeira conexãofirst connection

Segunda conexãosecond connection

Primeira face superior de elétrodoFirst electrode top face

Segunda face superior de elétrodoSecond electrode top face

Primeira estrutura metálica (porosa)First metallic structure (porous)

Segunda estrutura metálica (porosa)Second metallic structure (porous)

PoroPore

Diâmetro de poropore diameter

Camada metálicametallic layer

Camada de óxidooxide layer

CatiõesCations

Aniõesanions

RecipienteContainer

LíquidoLiquid

Fonte de tensãovoltage source

Contra-elétrodocounter electrode

Superfície limiteboundary surface

Lisboa, 08 de novembro de 2021Lisbon, November 08, 2021

Claims

1. Device (1) for the deionization of water, which has a channel (2), in which the channel (2) has a flow direction (3), and a condenser (4), in which the condenser comprises a first electrode (5) and a second electrode (6), wherein an electrical voltage for capacitive deionization can be applied between the first electrode (5) and the second electrode (6), wherein the first electrode (5) has a first electrode upper face (9) and wherein the second electrode (6) has a second electrode upper face (10), wherein the first electrode upper face (9) has a first porous metallic structure (11), characterized in that the first electrode (5) and/or the second electrode (6) have a conductivity of at least one hundred thousand Siemens per meter.

Device (1) according to claim 1, characterized in that the second upper electrode face (10) has a second porous metallic structure (12).

Device (1) according to any one of claims 1 to 2, characterized in that the first electrode (5) and/or the second electrode (6) comprise titanium, niobium, copper and/or aluminium.

Device (1) according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the first porous metal structure (11) and/or the second porous metal structure (12) have pores (13) with a pore diameter (14) ) between twenty-five and two hundred nanometers.

Device (1) according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the first electrode upper face (9) and/or the second electrode upper face (10) have an oxide layer.

Device (1) according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the first porous metallic structure (11) and/or the second porous metallic structure (12) have a regular pore structure generated by electrochemical anodic oxidation. .

Process (1) for producing a device (1) for the deionization of water, according to any one of claims 1 to 6, characterized in that it comprises the following steps:

Providing a first metallic electrode (5);

forming a first porous metallic structure (11) on a first electrode upper face (9) of the first electrode (5);

Provision of a second electrode (6) so that the first electrode (5) and the second electrode (6) form a capacitor (4), wherein the capacitor (4) is arranged inside the channel (2).

Process according to claim 7, characterized in that a second porous metallic structure (12) is formed on a second electrode upper face (10) of the second electrode (6).

Process according to any one of claims 7 to 8, characterized in that the formation of the first porous metallic structure (11) and/or the second porous metallic structure (12) is carried out by electrochemical anodic oxidation.

Process according to claim 9, characterized in that the electrochemical anodic oxidation is carried out in a hydrofluoric acid solution with a proportion by weight of the hydrogen fluoride molecule between one tenth and one thousandth, wherein during the electrochemical anodic oxidation is applied a voltage between one and thirty volts for a period of between one minute and two hours.

Lisbon, November 08, 2021