BR102017018435A2 - sistema de purificação e ajuste físico-químico de água - Google Patents

Abstract

os princípios construtivos e funcionalidades encontradas na presente invenção são aplicáveis ao setor de purificação, ajustes físico-químicos e envase de água para consumo humano. é objeto do presente invento um sistema de purificação, ajuste físico-químico e envase de água para consumo humano, compreendendo os seguintes elementos: um primeiro trocador de calor de placas intercambiáveis; um filtro de sílica de alta pressão; um filtro de carvão ativado de alta pressão; um trocador de íons; um sistema duplo de osmose reversa; um sistema ozonizador; meios de adição de sais minerais; e meios para ajuste da concentração de hidrogênio. alternativamente, o sistema poderá incluir uma máquina de envase.

Description

SISTEMA DE PURIFICAÇÃO E AJUSTE FÍSICO-QUÍMICO DE ÁGUA

Setor técnico [1] Os princípios construtivos e funcionalidades encontradas na presente invenção são aplicáveis ao setor de purificação, ajustes físico-químicos e envase de água para consumo humano.

Descrição do estado da técnica [2] Existem vários sistemas no mercado destinados à purificação e adequação de águas de diferentes origens tendo em vista posterior consumo humano.

[3] Para consumo humano, considera-se diferenciada a água que tenha concentração hidrogeniônica (quantificada pelo valor do pH) na faixa entre 8 e 11 (preferencialmente entre 9,5 e 10,5), bem como ainda larga oferta de sais minerais, em especial de magnésio, que idealmente deve estar acima de 40 mg por ml de água.

[4] O atual estado da técnica contempla alguns documentos de patentes que versam sobre processos de purificação de água, como o documento Chinês CN 205856183U, o qual descreve um processo visando purificar água a frio, mas não recomendada para consumo humano. Outro exemplo, o documento CN 103880213, descreve um processo de purificação de água também a frio, envolvendo instalações muito maiores, e não aborda a questão do envase adequado de modo a facilitar o acesso competitivo aos consumidores. Com relação à embalagem, encontramos o documento norte americano US 8303182B2, que descreve embalagens com 2 soldas, misturas de polímeros e grande geração de resíduos sólidos por volume de líquido.

[5] As soluções conhecidas no estado da técnica, envolvem maquinários e processos conduzidos em instalações de grandes dimensões, exigindo grandes investimentos em terreno, infraestrutura e altos custos fixos. Existe, portanto, a necessidade de um sistema industrial de purificação, ajuste físico-químico e envase de água para consumo humano de dimensões reduzidas, que possibilite a multiplicidade de sua instalação, operação em áreas menores, com menor exigência de infraestrutura e grande facilidade de chegar ao consumidor final.

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2/8 [6] Verifica-se ainda no estado da técnica uma demanda por água mais saudável para o consumo humano, envasada em embalagens invioláveis, biodegradáveis, com menor geração de resíduos sólidos por ml de água, termicamente mais eficientes, fáceis de transportar e manipular, obtidas por um sistema instalado e operado em áreas reduzidas e com exigências mínimas de infraestrutura.

Breve descrição do Invento [7] É objeto do presente invento um sistema de purificação, ajuste físico-químico e envase de água para consumo humano, compreendendo os seguintes elementos:

[8] Um primeiro trocador de calor de placas intercambiáveis (11); um filtro de sílica de alta pressão (12); um filtro de carvão ativado de alta pressão (13); um trocador de íons (14); um sistema duplo de osmose reversa (16); um sistema ozonizador (17); meios de adição de sais minerais (18); e meios para ajuste da concentração de hidrogênio (19). Alternativamente, o sistema poderá incluir uma máquina de envase.

Objetivos da presente invenção [9] É objetivo da presente invenção viabilizar a oferta capilar e competitiva de água saudável a população, sem agredir a natureza, através de sistema compacto que purifica, ajusta as características físico-químicas e embala água inédita para consumo humano, com investimento e custo de operação reduzidos, viabilizando a sua múltipla instalação e operação em áreas menores e com menor exigência de infraestrutura.

[10] Ainda objetivo da presente invenção é disponibilizar água de qualidade superior e inédita ao consumo humano, em embalagens invioláveis, biodegradáveis, recicláveis, termicamente mais eficientes, com geração mínima de resíduos sólidos por volume de água, fáceis de transportar e manusear, obtida por um sistema de envase compacto e com exigências mínimas de infraestrutura.

Descrição das figuras [11] Figura 1: Ilustra um fluxograma de processos compreendidos no sistema da presente invenção.

[12] Figura 2: Ilustra um sistema (10) construído conforme os princípios da

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3/8 presente invenção.

[13] Figura 3: Ilustra um envase (3) conforme os princípios da presente invenção.

Descrição detalhada do invento [14] Primeiramente o sistema deve ser acoplado a uma fonte de água, seja por meio de uma alimentação pressurizada, seja por meio de um reservatório, ou bombeado diretamente de um lençol freático. Um sistema (10) de purificação e ajuste físico-químico de água para consumo humano, construído conforme os princípios da presente invenção compreende as seguintes etapas e elementos, como apresentando pelo fluxograma representado pela figura 1:

[15] Um aquecimento inicial da água, por meio de um trocador de calor de placas intercambiáveis (11); uma primeira filtragem, por meio de um filtro de sílica de alta pressão (12); outra filtragem, por meio de um filtro de carvão ativado de alta pressão (13); a passagem por um trocador de íons (14); meios ajuste da concentração de hidrogênio (19); a passagem por um sistema duplo de osmose reversa (16); a passagem por um sistema ozonizador (17); meios de adição de sais minerais (18). Alternativamente, o processo poderá incluir uma máquina de envase (200).

[16] Um exemplar de sistema (10) é apresentado pela figura 2, nele os equipamentos foram acondicionados numa área de 240m², e 2m de altura, resultando num volume de 480 m³ de instalação. Um sistema construído conforme o sistema da figura 2 é capaz de purificar e envasar 5000 litros por hora. Ou seja, um sistema (10) construído conforme a figura 2, é capaz de produzir cerca de 10 litros/m³ de instalação, em 1 hora.

[17] Conforme o exemplo da figura 2, existe um tanque e uma bomba para receber e pressurizar a água a ser tratada pelo sistema (10), que garantirá o abastecimento regular de água para o sistema. Alternativamente, o sistema podería ser alimentado por uma fonte pressurizada de água.

[18] O primeiro trocador de calor de placas intercambiáveis (11) tem a função de elevar a temperatura da água até cerca de 60°C, e consequentemente reduzir sua

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4/8 densidade, tensão superficial e viscosidade, de modo a facilitar a etapa subsequente de filtragem.

[19] Após passar pelo primeiro trocador de calor de placas intercambiáveis (11), a água a aproximadamente 60°C é admitida no filtro de sílica (12), cuja função é remover partículas sólidas em suspensão com dimensões entre 20 e 100 micras. O fluxo da água através deste elemento é facilitado pela redução de sua densidade, tensão superficial e viscosidade, possibilitada por seu aquecimento prévio.

[20] Subsequentemente, a água que deixa o filtro de sílica (12) e é admitida no filtro de carvão ativado (13), desta vez a uma temperatura propositalmente mais baixa, idealmente na faixa de 35°C a 45°C, devido a perda de temperatura durante a sua passagem no filtro de sílica. A função do filtro de carvão ativado (13) é remover cloro, algas, substâncias coloridas, compostos aromáticos e outras substâncias que possam conferir sabor estranho à água.

[21] A seguir, a água é admitida no trocador de íons (14). Neste ponto, a água flui em íntimo contato com grânulos de resinas de troca iônica catiônica e aniônica, de vasta superfície, cuja função é remover, por afinidade química, íons de metais indesejados, particularmente de metais pesados.

[22] Neste momento começa-se o controle e ajuste de pH, por meio de uma bomba dosadora (19-a), cuja função é a adição equilibrada e automática de bicarbonato de sódio, que por afinidade química deixa os íons de sódio na água na forma de hidróxido de sódio, levando ao ajuste da concentração de íons hidrogênio (H⁺). O controle é feito de modo que o produto final apresente pH alcalino entre 8,0 e 11,0, preferencialmente entre pH 8,5 e 9,5.

[23] Após o controle do pH, a água é, então, conduzida pelo sistema duplo de filtragem por osmose reversa (16), cuja função é separar, por meio de membranas ultrafinas, o líquido permeado (água pura) do rejeito composto por sais, substâncias orgânicas, toda e qualquer partícula contaminante em suspensão com dimensões acima de 5 micras, além de 99,9% das bactérias eventualmente presentes. Após esta etapa o pH é verificado por meio de um sensor (19-b), e então a água é temporariamente armazenada num tanque (15).

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5/8 [24] Na etapa subsequente do processo, a água é admitida no sistema ozonizador (17), no qual ozônio gasoso (O3) é produzido e fartamente borbulhado na água passante, garantindo 100% da mortalidade de qualquer tipo de vida celular (algas, bactérias, leveduras, fungos, etc), e oxidando qualquer traço de matéria orgânica. Esta etapa do processo garante pureza, leveza, frescor e validade de 1 ano para a água envasada.

[25] Obtém-se, assim, uma água absolutamente pura, mas que terá sua composição ainda devidamente balanceada, tendo em vista atingir os padrões inéditos de saúde e potabilidade para consumo humano.

[26] A água é então conduzida a passar por meios de adição de sais (18). Neste ponto a água recebe a adição de um premíx contendo sal rosa do himalaia e cloreto de magnésio, de modo a agregar até 84 tipos de sais minerais, com alto poder hidratante e repositor, dentre os quais destacam-se os sais de Magnésio. Cabe notar que o próprio sal rosa do himalaia já contém sais de Magnésio, sendo o terceiro elemento de maior concentração. Este metal é muito presente em solo Himalaico, contendo minérios como magnesita (MgCO3), dolomita (CaMg(CO3)2) e brucita (Mg(OH)2), compostos que apresentam porcentagem de 46,6%, 22% e 69%, respectivamente, de Magnésio e são utilizados para a extração comercial do elemento (Segundo levantamento realizado, em 2009, pelo Ministério do Petróleo e Recursos Geológicos do Paquistão). Não obstante a presença de Magnésio no sal do Himalaia, o premíx poderá conter outras fontes de Magnésio, com a finalidade de aumentar ou controlar sua concentração como, por exemplo, adicionando-se Cloreto de Magnésio. Como observado pela figura 2, no presente exemplo, optou-se por meios de adição de sais subdivididos (18-a e 18-b), onde um dosador de sal (18-a) é dedicado a adicionais sais de Magnésio. Ou seja, os meios de adição de sais (18) podem ser subdivididos, apresentando meios exclusivos para adição de sais de Magnésio.

[27] Cabe aqui observar a distinção feita entre os meios de adição de sais (18), e os meios de controle de pH (19), este último apesar de também dosar a concentração de sais, como por exemplo o Hidróxido de Sódio, visa controlar o pH da água, como já explicado. Ocorre que, no corpo humano, o pH normal do sangue deve ser mantido dentro de uma faixa estreita (7,35-7,45) para o

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6/8 funcionamento adequado dos processos metabólicos e para a liberação de quantidades corretas de oxigênio nos tecidos. O metabolismo gera grandes quantidades de ácidos que precisam ser neutralizados ou eliminados para manter o equilibro ácido-base. Pulmões e rins são os principais órgãos envolvidos na regulação do pH do sangue, onde os sistemas tampões do sangue (hemoglobinas, proteínas plasmáticas, bicarbonatos e fosfatos) também contribuem para a regulação do seu pH 7. Vale ressaltar que o valor de pH de alimentos e bebidas não necessariamente está relacionado com o efeito alcalinizante/acidificante no organismo.

[28] O poder alcalinizante ou acidificante de um alimento é determinado a partir do conteúdo de sulfato, cloreto, fósforo, potássio, magnésio, sódio e cálcio, e pode ser calculado através do PRAL (potential renal acid load, em português, potencial de carga ácida renal). O PRAL é um cálculo matemático criado por Thomas Remer e Fhedrich Manz, em 1995, que permite a avaliação direta dos componentes acima citados em um alimento. Quanto mais negativo o valor de PRAL, mais alcalinizante é o alimento. O consumo de alimentos e bebidas alcalinizantes (ou seja, aqueles que apresentam PRAL negativo) tem claro impacto sobre o equilíbrio ácido-base do organismo. No caso da água, sabe-se que quanto maior a concentração de Magnésio e/ou Bicarbonato, menor será o valor de PRAL. Neste sentido, o consumo da água potável alcalizante tem ganho destaque. Diversos estudos têm verificado o potencial benéfico de dietas alcalinizantes, destacando-se a preservação de massa muscular em idosos e manutenção da saúde óssea. No presente sistema, os meios de adição de sais (18) ajustarão o valor de PRAL da água resultante do processo, para a faixa de -1 a-3.

[29] O cálculo do valor de PRAL pode ser calculado através da seguinte fórmula, adaptada para águas minerais: PRAL = [0,00049 SO4(mg)]+ [0,027 Cl(mg)] + [0,037 P(mg)] - [0,21 K(mg)] - [0,026 Mg(mg)] - [0,413 Na(mg)] - [0,013 Ca(mg)] (fonte: Revista Nuthre. 2015 Dec;40(3):344-351, disponibilizado pelo seguinte endereço eletrônico: http://dx.doi.Org/10.4322/2316-7874.78015).

[30] Ao final desta etapa obtemos uma água pura apresentando valor de PRAL adequado ao consumo humano, entre -1 e -3, apresentando concentração

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7/8 hidrogeniônica na faixa compreendida entre pH de 8 e 11, preferencialmente entre pH 8,5 a 9,5, disponibilidade única de 84 sais minerais e em especial, teor de magnésio acima de 40 mg por mL, preferencialmente entre 40 mg/mL a 60 mg/mL. A água sendo então armazenado num tanque (20).

[31] Opcionalmente, o sistema pode compreender um módulo de envase (200), com a finalidade de envasar a água resultante do processo para posterior distribuição próxima de sua produção. Neste caso uma solução de envase adequada seriam em embalagens invioláveis de PEBD.

[32] Conforme o exemplo da figura 2, o sistema compreende um módulo de envase (200) do tipo injeção volumétrica com solda térmica, capaz de embalar de 4 a 8 mil sachês de água por hora (3), como ilustrados pela figura 3. Onde, um volume típico deste tipo de envase é de cerca de 330 mL.

[33] Importante notar que o sachê (30) da figura 3, é compreendido por filmes de PEBD unidos por linhas de solda (31), o contorno das linhas de solda simulando, preferencialmente, o formato de uma garrafa tradicional, apresentando um pescoço (34). No pescoço o usuário poderá cortar, ou alternativamente, rasgar o pescoço (34) de modo a acessar o conteúdo por meio de uma abertura no pescoço (34), e beber a água envazada.

[34] O processo de abertura do pescoço (34) sendo irreversível, tomando o envase (3) a prova de reutilização.

[35] O sachê (30) apresenta informações impressas em seu corpo. As impressões [35] são realizadas no próprio sachê, previamente impressos, vistos que, preferencialmente, o módulo de envase (200) será alimentado com os sachês construídos em filmes de polietileno de baixa densidade (PEBD), previamente confeccionados.

[36] Ainda preferencialmente, as impressões (35) incluem informações uteis aos usuários como por exemplo; o volume do sachê, informações legais, a silhueta de uma garrafa de água, ou o objeto que for mais conveniente.

[37] O sachê poderá incluir uma linha (36), indicando ao usuário a melhor região do pescoço (34) para realizar a abertura do sachê (30). A dita abertura do pescoço

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8/8 (34) permitirá ao usuário inserir um canudo ou forçar a saída da água através da aplicação de pressão nas laterais do sachê, com a finalidade de consumir a água envazada.

[38] A descrição do exemplo apresentado aqui, não esgota outras possíveis realizações e arranjos compreendidos no escopo do presente invento, e não deve ser considerado como limitante, portanto. Neste sentido, um especialista no assunto poderá, lançar mão de diversos arranjos de sensores e controladores, tanques e bombas com a finalidade de controlar um sistema construído conforme os princípios da presente invenção.

Claims (12)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Sistema (10) de purificação e ajuste físico-químico de água para consumo humano caracterizado por compreender:

   - um trocador de calor de placas intercambiáveis (11);

   - um filtro de sílica de alta pressão (12);

   - um filtro de carvão ativado de alta pressão(13);

   - um trocador de íons (14);

   - meios para ajuste da concentração de hidrogênio(19)

   - um sistema duplo de osmose reversa (16);

   - um sistema ozonizador(17); e

   - meios para adição de sais minerais(18); e de modo a obter água, apresentando concentração hidrogeniônica na faixa entre pH 8 e 11 e até 84 sais minerais.
2. 2. Sistema (10) como descrito na reivindicação 1 caracterizado pelo fato de obter água apresentando um teor de magnésio acima de 40 mg por mL.
3. 3. Sistema (10) como descrito nas reivindicações 1 ou 2 caracterizado pelo fato de produzir água apresentando concentração hidrogeniônica na faixa entre pH 8,5 e 9,5.
4. 4. Sistema (10) como descrito nas reivindicações 1, 2 ou 3 caracterizado pelo fato de produzir água apresentando valor de PRAL entre -1 e -3.
5. 5. Sistema (10) como descrito na reivindicação 1 caracterizado pelo fato dos meios de adição de sais (18) serem subdivididos, apresentando meios exclusivos para adição de sais de Magnésio.
6. 6. Sistema (10) como descrito nas reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5 caracterizado por compreender um módulo de envase (200).
7. 7. Sistema (10) como descrito na reivindicação 6 caracterizado pelo fato de ocupar um volume definido entre 450 a 510 m³.

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8. 8. Sistema (10) como descrito na reivindicação 7 caracterizado pelo fato de produzir de 9 a 11 litros por m³ de maquinário instalado, por hora.
9. 9. Sistema (10) como descrito nas reivindicações 6, 7 ou 8 caracterizado pelo fato de envasar a água em sachês (30).
10. 10. Sistema (10) como descrito na reivindicação 9 caracterizado pelo fato de envasar a água em sachês (30), construídos em PEBD.
11. 11. Sistema (10) como descrito nas reivindicações 9 ou 10, caracterizado pelo fato dos sachês (30) compreenderem:

    - linhas de solda (31); o contorno das linhas de solda simulando substancialmente, o formato de uma garrafa, apresentando um pescoço (34); e

    - impressões (35), incluindo informações uteis aos usuários.
12. 12. Sistema (10) como descrito na reivindicação 11, caracterizado pelo fato dos sachês (30) compreenderem uma linha (36), indicando ao usuário a melhor região do pescoço (34) para realizar a abertura do sachê (30).