CAMPO TÉCNICO

Este pedido de patente se situa no setor técnico de produção de energia, dentro do qual a eletricidade e o hidrogênio têm importância grande e crescente. Cada vez mais atividades e setores econômicos são eletrificados, enquanto a presença de hidrogênio tem aumentado sempre, como vetor energético e como matéria-prima industrial. Nesta invenção, o insumo utilizado para produzir eletricidade e hidrogênio é a água e o processo de produção é eletroquímico, ocorrendo em um dispositivo que é eletrizado pela própria água. Formam-se como subprodutos o peróxido de hidrogênio e o oxigênio, que também são importantes matérias-primas industriais, além de serem muito usados na área de saúde.

ESTADO DA TÉCNICA E PROBLEMA RESOLVIDO.

A obtenção de energia a partir da água do ambiente já foi anunciada em muitas ocasiões diferentes, de várias formas. Entretanto, ela foi sempre desacreditada por alegações teóricas, mas foi descrita na invenção que deu origem aos pedidos de patente PI0905342-5, CI0905342-5 e WO201 1072348A1 . Sua demonstração prática foi publicada pela primeira vez em 2010, em um artigo científico que demonstrou experimentalmente a eletrização espontânea de capacitares assimétricos formados por dois eletrodos metálicos diferentes, em ar úmido. ¹

Na década seguinte, a produção de eletricidade a partir da umidade do ar foi verificada por vários pesquisadores, que utilizaram eletrodos feitos com materiais muito diversificados, inclusive nano-agulhas de proteínas e superfícies de grafeno com gradientes de oxidação.

Surgiram diferentes explicações para esse fenômeno, sem consenso entre os autores. ² Até o presente, as publicações na literatura descrevem sempre a produção de pequenas quantidades de energia, que são suficientes apenas para algumas aplicações de pequena escala, mas não mostram nenhuma perspectiva de contribuírem para o suprimento de energia, mesmo em escala residencial.

Para aumentar a quantidade de energia produzida, foram criados dispositivos higroelétricos que incorporam várias substâncias químicas com função despolarizante, nos dois eletrodos, como está descrito em WO 2016/019449 A1. As duas patentes referidas acima atribuem a eletrificação de materiais pelo ar úmido à adsorção de ions da água atmosférica, o que explica que os materiais adquiram carga elétrica. Quando os materiais eletrificados são condutores elétricos diferentes próximos, forma-se um capacitor assimétrico (feito com eletrodos diferentes) carregado, que pode fornecer corrente elétrica.

Um condutor deve ter uma superfície com caráter ácido e a outra com caráter básico, por exemplo, um condutor de alumínio sempre apresenta uma de suas superfícies recoberta com uma fina camada de óxido de alumínio, que apresenta caráter ácido.

Os condutores formados por ligas de cromo, como o aço inox, apresentam a superfície coberta por uma fina camada de óxido de crômio, que é um óxido básico.

O hidrogênio e peróxido de hidrogênio formados podem ser retirados da célula para serem usados em aplicações usuais, mas também podem ser usados para alimentar uma célula de combustível reversível, inserida entre os eletrodos da célula higroelétrica na qual são consumidos, liberando mais eletricidade.

A presente invenção está baseada em uma característica das células higroelétricas descoberta recentemente: elas também produzem hidrogênio, peróxido de hidrogênio e oxigênio, simultaneamente com a produção de eletricidade. Essa característica é inesperada, porque ela se opõe a raciocínios simplistas, supostamente baseados em argumentos termodinâmicos.

A transformação da água ocorre quando se viabiliza a redução de ions H ⁺ no eletrodo positivo e a oxidação de íons OH’ no eletrodo negativo. A redução ocorre quando o eletrodo positivo recebe elétrons liberados no eletrodo negativo, ao produzir oxigênio gasoso. Dessa forma, a água passa, em um dispositivo gerador, pelas seguintes transformações: ionização, adsorção nos eletrodos, e reação redox de cada um dos ions, no respectivo eletrodo, produzindo hidrogênio, peróxido de hidrogênio e oxigênio.

Estas transformações são compatíveis com a análise baseada na Termodinâmica Química aplicada a um sistema aberto que apresente diferenças de potencial elétrico no seu interior, permitindo a entrada de reagente (a água) e a saída dos produtos da reação (hidrogênio, peróxido de hidrogênio e oxigênio). OBJETIVOS DA INVENÇÃO

O objetivo desta invenção é a produção de energia em um processo espontâneo de transformação da água, resultando hidrogênio, peróxido de hidrogênio, oxigênio e corrente elétrica.

A implementação da invenção é feita construindo e operando dispositivos e equipamentos alimentados com água, dos quais se extrai hidrogênio, peróxido de hidrogênio, oxigênio e corrente elétrica, simultaneamente, em proporções que são determinadas pelos parâmetros de operação. O atual estado da arte não apresenta nenhum dispositivo com essas características.

Os dispositivos que constituem a presente invenção são escalonáveis, o que viabiliza a sua aplicação na produção industrial de hidrogênio, peróxido de hidrogênio, oxigênio e corrente elétrica.

Outro exemplo de equipamento é semelhante ao anterior, com uma diferença: o filme de material isolante é substituído por uma célula de combustível que absorve o hidrogênio e o peróxido em água, e os transforma novamente em água, produzindo mais corrente elétrica, portanto aumentando a potência produzida.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

Trata-se da invenção de um processo de decomposição da água, produzindo hidrogênio, peróxido de hidrogênio, oxigênio e eletricidade, ocorrendo à temperatura e pressão ambiente, mas também em toda a faixa de temperaturas e pressões em que existe a água líquida. O processo é implementado em equipamentos associados com as seguintes características: têm um eletrodo feito com material condutor que adquira carga positiva, ao adsorver íons H+ da água; outro eletrodo feito com material condutor que adquira carga negativa, ao adsorver íons OH da mesma água. Os eletrodos são justapostos um ao outro, separados por um filme que seja isolante elétrico e permita o acesso da água às superfícies dos eletrodos, bem como a saída dos produtos de reação: hidrogênio, peróxido de hidrogênio e oxigênio. Portanto, o equipamento se caracteriza como um sistema aberto e eletricamente neutro, isto é, contendo no seu interior regiões com potenciais elétricos diferentes.

Um exemplo de equipamento que pode ser citado é um recipiente fechado, que apresenta, em seu interior, uma célula formada por um sanduíche de três componentes, sendo dois eletrodos feitos de materiais diferentes entre si, separados por um filme de um material isolante, que possa ser umedecido.

O recipiente possui quatro septos ou tomadas, sendo um usado para a entrada de fios condutores de eletricidade, para conectar a célula a um circuito elétrico externo. Um segundo usado para a coleta dos gases produzidos. Um terceiro, para a entrada de água ou vapor e um quarto septo para a tomada de amostras de gases ou líquidos do interior do recipiente, ou ainda para a injeção de reagentes.

Outro exemplo de equipamento passível de ser utilizado apresenta um sistema aberto, no qual a célula permanece imersa em um recipiente ou vaso de plantas. Nesse caso, o hidrogênio produzido é liberado diretamente no solo, sendo aproveitado para estimular o crescimento das plantas.

Por fim, em um terceiro exemplo, a célula fica imersa na água de uma piscina, na qual libera o peróxido de hidrogênio, de forma a substituir a utilização de cloro.

Neste documento de Adição, o hidrogênio e peróxido de hidrogênio formados podem ser retirados da célula para serem usados em aplicações usuais, mas também podem ser usados para alimentar uma célula de combustível reversível, inserida entre os eletrodos da célula higroelétrica na qual são consumidos, liberando mais eletricidade.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

A figura 1 é uma representação esquemática do processo de produção simultânea de eletricidade, hidrogênio e oxigênio, a partir da água;

Afigura 2 mostra quatro células higroelétricas, feitas com eletrodos de alumínio e de papel Kraft revestido com grafite, separados por uma folha de papel de filtro. Esse gerador forneceu 51 mW de potência continuamente, alimentando um resistor de 100 ohms. Alimentando ciclicamente um capacitor, forneceu 23 mW de potência média e picos de potência de 1 ,2 W;

A figura 3 mostra a corrente elétrica e a concentração de hidrogênio obtidas durante a operação de um dispositivo montado com eletrodos de alumínio e de um filme poroso de PET (tereftalato de polietileno) revestido com tinta condutora de grafite esfoliado, reassociado e colocado no interior de um frasco de 480 ml, contendo 20 ml de água, sendo que a corrente elétrica foi medida em um resistor e a concentração de H2 foi medida na camada de ar; A figura 4 mostra a corrente elétrica produzida por um dispositivo como o descrito na reivindicação 1 , contido em um recipiente aberto e exposto ao ar ambiente, durante dez dias. O recipiente recebeu uma pequena quantidade de água, a cada dia;

A figura 5 mostra o aumento na corrente elétrica produzida no processo descrito na reivindicação 6, mostrando o efeito da adição de pequenas quantidades de bissulfito de sódio;

A figura 6 mostra à esquerda, um equipamento para produção simultânea de eletricidade, hidrogênio e oxigênio ou peroxido de hidrogênio e, à direita, a vista superior do equipamento;

Afigura 7 ilustra a imagem de uma célula higroelétrica em um vaso para cultivo de plantas produzindo simultaneamente eletricidade, hidrogênio e oxigênio ou peroxido de hidrogênio;

A figura 8 mostra a relação de concentração de Hidrogênio, tempo e corrente/potência/temperatura no processo de produção simultânea de hidrogênio, eletricidade, peroxido de hidrogênio e oxigênio a partir da água;

A figura 9 ilustra um esquema de montagem de uma célula higroelétrica com uma célula de combustível inserida.

REFERÊNCIAS NUMÉRICAS

(1 ) equipamento;

(2) base ou corpo;

(3) entrada/saída de fios da célula para o circuito;

(4) tubo de entrada de água (4) ou vapor;

(5) abertura para a coleta de gases ou saída do hidrogênio, peroxido de hidrogênio e oxigênio produzidos;

(6) abertura;

(CA) condutor ácido;

(CB) condutor básico

(HG) Célula higroelétrica;

(CC) Célula de combustível;

(P) Papel;

(E) Erg em TNT;

(A) Alumínio.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO Na presente invenção, hidrogênio, peróxido de hidrogênio e oxigênio são formados em eletrodos, de forma análoga ao que se passa em uma célula eletrolítica, mas sem exigir o fornecimento de energia elétrica externa. Nem este processo, nem o foram anteriormente descritos na literatura científica ou técnica, ou em patentes, de nenhuma forma.

O equipamento (1 ) para a introdução da água, composto por uma base ou corpo (2), provido de entrada/saída (3) de fios da célula para o circuito, tubo (4) de entrada de água ou vapor, uma abertura (5) para a coleta de gases ou saída do hidrogênio, peróxido de hidrogênio e oxigênio produzidos, que podem ser feitas continuamente ou sob controle do operador e uma abertura (6) para a coleta de amostras do reator ou introdução de reagentes.

Os exemplos demonstram a produção de hidrogênio simultânea com a produção de hidrogênio, que foi verificada usando sensores de hidrogênio e também cromatografia de gás.

Sempre que a prioridade no uso do equipamento for a produção de eletricidade, o hidrogênio e peróxido de hidrogênio ou oxigênio produzidos pela célula higroelétrica podem ser consumidos in situ, alimentando uma célula de combustível inserida entre os eletrodos da célula higroelétrica. A corrente elétrica gerada pela célula de combustível aumenta a potência total produzida pelo dispositivo e eliminando as emissões de hidrogênio e de peróxido de hidrogênio ou oxigênio para o exterior da célula higroelétrica.

O aproveitamento da eletricidade assim produzida pode ser realizado de qualquer forma conhecida da arte, seja usando a corrente elétrica obtida para alimentar um circuito elétrico ou eletrônico, seja armazenando a eletricidade em baterias ou capacitares ou ainda fornecendo corrente elétrica para a execução de um outro processo eletroquímico, ou acionando luzes, motores ou sistemas de comunicação.

O hidrogênio, o peróxido e o oxigênio obtidos podem ser separados ou recuperados usando qualquer processo conhecido da arte, como, por exemplo, a separação criogênica e a recuperação de hidrogênio usando membranas de paládio, que são amplamente usados industrialmente. Ainda é possível considerar outros processos de captura de gases, como a formação de clatratos. 0 hidrogênio pode ser usado como vetor energético e como combustível, como matéria-prima industrial, e pode ser diretamente utilizado em agricultura ³ e em aplicações médicas, ⁴ duas áreas nas quais encontra numerosas aplicações que atualmente despertam grande interesse. O oxigênio tem numerosas aplicações práticas em processos industriais, em hospitais e em qualquer processo de combustão.

Os dispositivos geradores podem ser conectados em série ou em paralelo, para atingir as voltagens ou as correntes elétricas requeridas pelas diferentes aplicações, como está demonstrado nas figuras.

Além da matéria anteriormente descrita, alguns detalhamentos são necessários para que o processo de produção simultânea de hidrogênio, eletricidade, peróxido de hidrogênio e oxigênio atue perfeitamente e apresente um rendimento satisfatório.

Primeiramente, um condutor elétrico deve ter uma superfície com caráter ácido (CA) e outra com caráter básico (CB), por exemplo, um condutor de alumínio sempre apresenta a superfície recoberta com uma fina camada de óxido de alumínio, que prevê caráter ácido (CA). Os condutores formados por ligas de cromo, como o aço inox, apresentam a superfície coberta por uma fina camada de óxido de crômio, que é um óxido básico (CB).

A quantidade de cada produto formado pode variar através do controle de parâmetros de operação, contudo, não há como mensurar valores específicos para isso, pois, as quantidades de cada produto formado, dependem de um grande número de parâmetros, tais como, o tamanho do equipamento (1 ), a temperatura de operação, a energia elétrica consumida no circuito externo, a área dos eletrodos, a composição dos gases e os líquidos contidos no equipamento (1 ), dentre outros.

No equipamento (1 ) em que é realizado o processo, os eletrodos são caracterizados pela capacidade de eletrização espontânea, isto é, por apresentarem uma voltagem ou diferença de potencial elétrico.

Esta diferença de potencial elétrico medida depende dos materiais utilizados como eletrodos, da espessura da camada isolante que separa os eletrodos, do pH da água e da presença de outras substâncias oxidantes ou redutoras, no sistema. Considerando os diversos casos já estudados, obteve-se uma faixa entre 0,5 e 1 ,58 V, em condições de circuito aberto, isto é, sem drenar corrente elétrica.

Da mesma forma como já explicado anteriormente, quando o equipamento for utilizado na produção de eletricidade, o hidrogênio e peróxido de hidrogênio ou oxigênio produzidos pela célula higroelétrica podem ser consumidos in situ, alimentando uma célula de combustível inserida entre os eletrodos da célula higroelétrica.

O equipamento (1 ) contém tubos (4) para a introdução da água e a abertura (5) do hidrogênio, peróxido de hidrogênio e oxigênio produzidos podem ser feitas continuamente ou sob controle do operador e os dispositivos para introduzir água, retirar hidrogênio e corrente elétrica podem estar localizados em muitas posições.

O equipamento (1 ) aumenta as taxas de formação de hidrogênio, eletricidade, peróxido de hidrogênio e oxigênio, quando aquecido por qualquer meio conhecido da arte, sendo que, como se trata de uma reação química, este aumento nas taxas depende da variação da temperatura e dos demais parâmetros de operação.

Um exemplo está na figura 8 mostrando que o aumento de 9°C na temperatura operacional provocou um aumento de 40% na corrente elétrica, 100% na potência elétrica e 113% na concentração de H2 produzido em uma célula higroelétrica (HG) de ERG e alumínio com área de 0,02m ² .

O equipamento (1 ) fornece hidrogênio, peróxido de hidrogênio, oxigênio e eletricidade em proporções controladas situadas entre dois limites, o limite que corresponde ao máximo de oxigênio é 1 mol de hidrogênio, mol de oxigênio e 2 moles de elétrons e o limite que corresponde ao mínimo de oxigênio é 1 mol de hidrogênio, 1 mol de peróxido de hidrogênio e 2 moles de elétrons.

O processo de produção simultânea de hidrogênio, eletricidade, peróxido de hidrogênio e oxigênio a partir da água, de acordo com o pedido BR 10 2022 012851 0, utiliza a água como único insumo, sendo baseado na reação de abstração de hidrogênio da água, acompanhada da formação de peróxido de hidrogênio ou oxigênio e ocorrendo em um ambiente úmido/aquoso, que contenha dois condutores elétricos separados, mas eletricamente conectados a um circuito elétrico, sendo que, este Certificado de Adição - C1 , caracteriza-se pelo consumo in situ de hidrogênio, peróxido de hidrogênio e oxigênio, em uma célula de combustível (CC).

Também apresenta a importante característica de conter em seu interior, uma célula de combustível (CC) que transforma o hidrogênio, peróxido de hidrogênio e oxigênio em água e também produz corrente elétrica, aumentando a potência gerada pelo equipamento.

Neste A produção de apenas corrente elétrica do equipamento é obtida, alimentando-se uma célula de combustível (CC) com o hidrogênio, peróxido de hidrogênio e oxigênio formados inicialmente.

O conjunto é formado por sete folhas superpostas, sendo uma de alumínio (A), três de ERG e três de papel (P). As folhas nas extremidades formam a célula higroelétrica (HG) e as duas folhas de ERG em TNT (E) formam a célula de combustível (CC).

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1 - Telma R. D. Ducati, Luís H. Simões, and Fernando Galembeck, Charge Partitioning at Gas-Solid Interfaces: Humidity Causes Electricity Buildup on Metals, Langmuir 2010, 26, 17, 13763-13766.

2 - Xuezhong Zhang, Xin Chen, Yuliang Qu, Yanan Wu, Kai Wu, Hua Deng, Qiang

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3 - Zulfiqar, F., Russell, G. & Hancock, J.T. Molecular hydrogen in agriculture. Planta. 254, 56 (2021 ). https://doi.org/10.1007/s00425-021 -03706-0. 4 - Ichihara M, Sobue S, Ito M, Ito M, Hirayama M, Ohno K. Beneficial biological effects and the underlying mechanisms of molecular hydrogen - comprehensive review of 321 original articles. Med Gas Res. 2015;5:12. Published 2015 Oct 19. doi: 10.1186/s13618-015-0035-1 ).