ES2229493T3 - Tratamiento electroquimico de material de intercambio ionico. - Google Patents
Tratamiento electroquimico de material de intercambio ionico.Info
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Abstract
La invención se refiere a un procedimiento para tratar un material intercambiador de iones, el procedimiento incluye: (a) colocar al menos dos regiones del material intercambiador de iones entre los electrodos de un ánodo y un cátodo, en la que al menos una parte de las dos regiones está en contacto eléctrico y separada mediante una interfase permeable específica no iónica; (b) suministrar agua al menos a las dos regiones; (c) aplicar un campo eléctrico entre los electrodos produciendo una generación de iones hidrógeno en el ánodo y de iones hidróxido en el cátodo, cuyos iones se mueven a través de cada región hacia los electrodos de carga opuesta y así desplazando al menos una parte de los cationes y aniones asociados con el material del intercambiador de iones en cada región de forma que los aniones y cationes desplazados se muevan a través de la región hacia el electrodo de carga opuesta, y (d) eliminar al menos uno de los cationes o aniones formados durante el paso (c) cuando alcancen la interface.
Description
Tratamiento electroquímico de material de
intercambio iónico.
La presente invención se refiere generalmente al
tratamiento de agua con materiales de intercambio iónico y
particularmente a métodos y aparatos para el tratamiento
electroquímico de resinas de intercambio aniónico y catiónico.
El intercambio iónico es el intercambio
reversible de iones entre un sólido (a menudo denominado resina) y
un líquido, en el que no hay cambio permanente en la estructura del
sólido que es el material de intercambio iónico. La utilidad del
intercambio iónico recae en la capacidad para utilizar y reutilizar
los materiales de intercambio iónico, empleando una etapa de
regeneración adecuada.
Existe un mercado inmenso para el agua de alta
pureza. Se usa ampliamente en aplicaciones industriales, incluyendo
los principales usuarios señalados las industrias farmacéutica,
electrónica y de generación de energía.
En el tratamiento final (etapa de depuración)
para la mayoría de aplicaciones, comúnmente se eliminan del agua las
sales disueltas mediante su paso a través de materiales o resinas de
intercambio iónico. Se utiliza una combinación de una resina de
intercambio catiónico (en la forma de H^{+}) y una resina de
intercambio aniónico (en la forma de OH^{-}) para eliminar los
cationes y aniones, respectivamente. Pueden utilizarse conjuntamente
dos lechos, conteniendo cada uno cada tipo de resina, para la
eliminación de muchas sales. Si la disolución acuosa se hace pasar
en primer lugar a través de un lecho de resina de intercambio
catiónico (en la forma de H^{+}), los cationes en la disolución
son recogidos por el intercambiador catiónico y se libera una
cantidad equivalente de iones H^{+} en la disolución
(conservándose así la electroneutralidad). Esta disolución (ahora
ácida) se hace pasar entonces a través de un segundo lecho de resina
de intercambio aniónico (en la forma de OH^{-}) y los aniones en
la disolución son recogidos por el intercambiador aniónico. Los
OH^{-} que se liberan neutralizan los H^{+} en la disolución,
formándose así agua. Tras su paso a través de los dos lechos, se han
eliminado de la disolución, de manera eficaz, las sales disueltas.
(Si se invierte la secuencia de la desalación, se aplicará un
panorama correspondiente, con una disolución alcalina
intermedia).
Para varias aplicaciones de purificación de agua,
es preferible un lecho mixto de resina de intercambio iónico, o bien
en lugar de la configuración de lecho conjunto, o bien además de
ella, como una etapa de depuración final. En este caso, las resinas
catiónicas y aniónicas se mezclan íntimamente, y se eliminan los
cationes y aniones de la disolución al mismo tiempo, con la
neutralización inmediata de los H^{+} y OH^{-} liberados por las
resinas, formándose agua. Es posible conseguir un nivel superior de
eliminación de sales de disoluciones acuosas con esta configuración,
ya que el proceso de equilibrio químico está "dirigido" por la
pérdida de H^{+} y OH^{-} por su neutralización mutua.
En cualquier configuración, una vez que las
resinas se agotan (es decir, una vez que no hay más resina en las
formas de H^{+} y OH^{-}), los lechos catiónicos y aniónicos
deben regenerarse. Para los procesos de regeneración química
convencionales, deben separarse físicamente las resinas catiónicas y
aniónicas del lecho mixto de resina antes de que pueda llevarse a
cabo la regeneración química. Esta regeneración es normalmente
mediante tratamiento con ácido (normalmente, H_{2}SO_{4}) y base
(normalmente, NaOH), respectivamente. Este proceso químico supone el
almacenamiento y manejo de disoluciones concentradas ácidas y
cáusticas, así como la eliminación del efluente de regeneración y
las disoluciones de lavado tras su uso. Esto es indeseable desde el
punto de vista del coste, la seguridad y las consideraciones
medioambientales.
Se han desarrollado otros métodos que no
requieren un tratamiento químico fuerte, solo, para la regeneración
de resinas de intercambio iónico. Algunos de estos métodos incluyen
sistemas de electrodesionización que utilizan membranas permeables a
los iones y disoluciones de tratamiento químico específicas. A
menudo, las membranas son caras y pueden tener fugas o romperse
durante su uso. Además, el aparato necesario para alojar las resinas
con las membranas puede ser caro de producir y mantener. Otros
métodos disponibles se adaptan para regenerar sólo la forma
catiónica o aniónica de la resina, requiriéndose así dos sistemas
para regenerar ambas formas de material de intercambio iónico.
Los presentes inventores han desarrollado un
método de tratamiento de resinas de intercambio iónico que utiliza
técnicas electroquímicas suaves, baratas y ecológicamente
aceptables. Este método no requiere regenerar los compuestos
químicos y tiene la ventaja añadida de que el proceso de
purificación de agua y la regeneración del intercambio iónico pueden
llevarse a cabo en el mismo recipiente, sin necesidad de alterar el
lecho de resina. En el caso de sistemas de lecho mixto, este proceso
también tiene la ventaja de que la regeneración puede llevarse a
cabo en los lechos de resina, sin necesidad de separar la resina de
intercambio catiónico de la resina de intercambio aniónico.
En un primer aspecto, la presente invención
consiste en un método de tratamiento de un material de intercambio
iónico, incluyendo el método:
- (a)
- situar al menos dos regiones de material de intercambio iónico entre un electrodo de ánodo y de cátodo, en el que al menos una parte de las dos regiones están separadas por una interfase permeable a los iones no específica;
- (b)
- suministrar agua a las al menos dos regiones;
- (c)
- aplicar un potencial eléctrico entre los electrodos, produciendo así la generación de iones de hidrógeno en el ánodo e iones de hidróxido en el cátodo, iones que se hace que se muevan a través de cada región hacia el electrodo de carga opuesta y desplazando así al menos una parte de cualquier anión o catión asociada con el material de intercambio iónico en cada región, de modo que se haga que los aniones y cationes desplazados se muevan también a través de las regiones hacia el electrodo de carga opuesta; y
- (d)
- eliminar al menos parte de los cationes y/o aniones formados durante la etapa (c), que alcanzan la interfase.
Se apreciará que al menos una parte de las dos
regiones estará en contacto eléctrico, de modo que puede aplicarse
un potencial eléctrico entre los electrodos.
Las dos regiones pueden incluir formas
individuales o mixtas de material de intercambio iónico. Se
apreciará que cuando se colocan formas individuales de material de
intercambio iónico en cada región, es necesario que el material de
intercambio catiónico se sitúe en la región asociada con el cátodo y
el material de intercambio aniónico se sitúe en la región asociada
con el ánodo, para el funcionamiento eficaz del método. Con formas
mixtas de materiales de intercambio aniónico y catiónico en ambas
regiones, con el fin de garantizar que el material de intercambio
iónico se trata de manera eficaz, preferiblemente se invierte la
polaridad de los electrodos y se aplica un potencial eléctrico, de
modo que la parte de material en cada región no tratada inicialmente
experimente el desplazamiento iónico respectivo.
En una realización preferida del primer aspecto
de la presente invención, se produce la regeneración electroquímica
simultánea del material de intercambio iónico en las regiones.
Los aniones y cationes asociados con el material
de intercambio iónico y eliminados mediante el método son
preferiblemente sales. En una forma, las sales se han acumulado
sobre el material de intercambio iónico durante el tratamiento de
agua antes de llevar a cabo el método según la presente invención
para regenerar el material de intercambio iónico.
La interfase puede estar en cualquier forma que
permita la eliminación o expulsión de los iones y el agua que
alcanzan la misma durante el movimiento de los iones bajo la
influencia del potencial eléctrico. Las formas adecuadas incluyen,
pero no se limitan a, membrana no selectiva de iones, frita,
espaciador poroso, cavidad formada por la separación física de las
dos regiones de material de intercambio iónico, material inerte,
disposición de válvula y límites físicos entre las dos regiones. Los
límites físicos entre las dos regiones también pueden formar una
interfase adecuada. Preferiblemente, la interfase es una frita de
polipropileno asociada con una válvula para permitir la eliminación
de los iones y el agua.
Preferiblemente, los cationes y/o aniones
formados durante la etapa (c) se eliminan antes de que crucen la
interfase y entren en la otra región del material de intercambio
iónico.
En una forma preferida, la etapa (b) se utiliza
como un medio para eliminar sales disueltas en un agua que se va a
tratar. La una o más regiones se enjuagan con el agua que se va a
tratar, de modo que cualquier sal disuelta en ella se una al
material de intercambio iónico. Cuando se completa el proceso de
tratamiento de agua y se va a regenerar el material de intercambio
iónico, entonces se llevan a cabo las etapas (c) y (d). La ventaja
diferenciada de esta forma de proceso de tratamiento de agua es que
el material de intercambio iónico puede regenerarse in
situ.
El ánodo se forma preferiblemente de titanio
recubierto de platino, mientras que el cátodo puede formarse de
acero inoxidable o titanio recubierto de platino. Sin embargo, se
apreciará que los electrodos pueden formarse de cualquier material
adecuado.
La etapa (d) puede llevarse a cabo mediante
cualquier medio adecuado que dé como resultado la eliminación de los
iones y el agua de la interfase y la zona circundante inmediata. Un
medio adecuado es enjuagar la superficie con agua, por ejemplo. Sin
embargo, se apreciará que sería aplicable cualquier medio
adecuado.
En un segundo aspecto, la presente invención
consiste en una pila electroquímica que comprende:
- (a)
- un electrodo de ánodo y de cátodo;
- (b)
- al menos dos regiones adaptadas para contener material de intercambio iónico, estando situadas las regiones entre los electrodos,
- (c)
- al menos una parte de las dos regiones y estando separadas por una interfase permeable a los iones no específica;
- (d)
- un medio para suministrar agua a las al menos dos regiones;
- (e)
- opcionalmente, un medio para aplicar un potencial eléctrico entre los electrodos; y
- (f)
- un medio para eliminar iones, sales y agua en la interfase;
en la que, en uso, la aplicación de un potencial
eléctrico produce la generación de iones de hidrógeno en el ánodo y
de iones de hidróxido en el cátodo, iones que se hace que se muevan
a través de cada región hacia el electrodo de carga opuesta,
desplazando así al menos una parte de cualquier anión o catión
asociada con el material de intercambio iónico en cada región, de
tal modo que también se hace que los aniones y cationes desplazados
se muevan a través de las regiones hacia el electrodo de carga
opuesta; y al menos parte de los cationes y/o aniones formados que
alcanzan la interfase se eliminan mediante un medio de
enjuagado.
La pila electroquímica es particularmente
adecuada para llevar a cabo el método según el primer aspecto de la
presente invención. La pila puede utilizarse para purificar agua
eliminando las sales disueltas o para regenerar materiales de
intercambio iónico situados en las regiones de la misma.
El ánodo se forma preferiblemente de titanio
recubierto de platino, mientras que el cátodo puede formarse de
acero inoxidable o titanio recubierto de platino. Sin embargo, se
apreciará que los electrodos pueden formarse de cualquier material
adecuado.
Se apreciará que al menos una parte de las dos
regiones estará en contacto eléctrico, de modo que puede aplicarse
un potencial eléctrico entre los electrodos.
En una forma preferida de la pila, la interfase
se sitúa aproximadamente equidistante entre los dos electrodos y las
regiones entre ellos contienen sustancialmente el mismo volumen o
cantidad de material de intercambio iónico.
El medio para aplicar el potencial eléctrico
puede ser cualquier fuente de alimentación adecuada. La cantidad de
potencial aplicado dependerá del tipo y la cantidad de material de
intercambio iónico. Normalmente, para una pila que contiene XXXX de
intercambiador iónico fuerte, se aplica una corriente de YYYYY
durante ZZZZZ minutos para conseguir la regeneración sustancialmente
completa de un material de intercambio iónico totalmente agotado. Se
apreciará que estos valores sólo son ejemplos y variarán dependiendo
del material, grado de agotamiento y volumen utilizados.
En un tercer aspecto, la presente invención
consiste en el uso de una pila según el segundo aspecto de la
presente invención para regenerar un material de intercambio
iónico.
En un cuarto aspecto, la presente invención
consiste en el uso de una pila según el segundo aspecto de la
presente invención para tratar agua para eliminar de la misma sales
disueltas.
A diferencia de la técnica anterior, la presente
invención no requiere membranas selectivas de aniones o cationes
para su funcionamiento. En su lugar, las regiones o lechos de
material de intercambio iónico se utilizan como barrera frente al
transporte de los iones no deseados. La eliminación de la necesidad
de membranas selectivas de iones es una ventaja considerable sobre
la técnica anterior, que conduce a un sistema más sencillo, más
robusto y menos caro.
En toda esta memoria descriptiva, a menos que el
contexto requiera lo contrario, la palabra "comprenden" o
variaciones tales como "comprende" o "comprendiendo", se
entenderá que implica la inclusión de un elemento, número entero o
etapa, o grupo de elementos, números enteros o etapas, expuestos
pero no la exclusión de cualquier otro elemento, número entero o
etapa, o grupo de elementos, números enteros o etapas.
Con el fin de que la presente invención pueda
entenderse más claramente, se describirán formas preferidas con
referencia a lossiguientes ejemplos y dibujos adjuntos.
La figura 1 es un esquema de una realización de
una pila electroquímica según la invención;
la figura 2 es un esquema de otra realización de
una pila electroquímica según la invención;
las figuras 3a y 3b son esquemas que ilustran el
funcionamiento de la pila electroquímica de la figura 1;
las figuras 4a, 4b y 4c son esquemas que ilustran
el funcionamiento de la pila electroquímica de la figura 2;
la figura 5 muestra una gráfica de la dependencia
temporal de la regeneración de la resina de intercambio iónico como
una función de la densidad;
la figura 6 muestra una gráfica de la dependencia
temporal de la regeneración de la resina de intercambio iónico con
una densidad de corriente particular de 40 mA;
la figura 7 muestra una gráfica del rendimiento
culombiano (en amperios-hora) de la regeneración de
la resina de intercambio iónico como una función de la densidad de
corriente; y
la figura 8 es un esquema de otra realización de
una pila electroquímica según la invención.
Haciendo referencia a la figura 1, este esquema
demuestra el principio general del método de regeneración del
material de intercambio iónico según la presente invención para un
par de regiones o lechos separados de resina de intercambio
catiónico y aniónico. Se situaron un lecho de resina 5 de
intercambio aniónico y un lecho de resina 6 de intercambio catiónico
entre un par de electrodos de ánodo 7 y de cátodo 8. Se proporciona
agua a los lechos 5 y 6 a través de orificios 1 y 2 de entrada y
sale a través de un orificio 3 de salida. Si se aplica un potencial
eléctrico apropiado a lo largo del ánodo 7 y el cátodo 8, y hay agua
en las proximidades de los dos electrodos 7 y 8, tienen lugar los
siguientes procesos electroquímicos:
Oxidación (en el ánodo)
2H_{2}O
\rightarrow O_{2} + 4H^{+} +
4e
Reducción (en el cátodo)
2H_{2}O + 2e
\rightarrow H_{2} +
2OH^{-}
Reacción electroquímica global
6H_{2}O +
\rightarrow 2H_{2} + O_{2} + 4H^{+} +
4OH^{-}
El resultado neto es que el agua se divide en
hidrógeno y oxígeno y, además, se generan iones H^{+} en el ánodo
7 y se generan iones OH^{-} en el cátodo 8. Por cada electrón que
pasa, se genera un equivalente de H^{+} y un equivalente de
OH^{-}. Los iones generados pueden entonces someterse a
intercambio iónico con cationes y aniones (sales) asociados con las
resinas de intercambio iónico en la pila. Los cationes y aniones
(sales) intercambiados migran bajo la influencia de la diferencia de
potencial eléctrico y se encuentran en la interfase 9. En diferentes
configuraciones, la interfase 9 puede comprender un espaciador
poroso, una cavidad formada por la separación física de los dos
lechos de resina, un límite intermedio de algún material espaciador
(tal como una resina de intercambio iónico o material inerte) o
puede representar simplemente la interfase entre los dos lechos de
resina. Los cationes y los aniones se encuentran en esta región y se
proporciona algún medio para hacerlos fluir fuera de la pila en una
corriente líquida (acuosa u otra).
Es posible configurar este sistema de tal manera
que pueda utilizarse tanto para desalar una disolución acuosa (en el
modo de funcionamiento) como para regenerar las resinas de
intercambio iónico, sin necesidad de alterar los lechos de resina, o
para eliminar la resina de la pila.
Para la regeneración de un sistema que incluye
lechos de resina de intercambio iónico mixtos (catiónico más
aniónico), se ha concebido un sistema similar. La configuración
global se muestra en la figura 2. En este caso, la regeneración
avanza en dos fases. En la primera fase de regeneración, el sistema
funciona tal como se muestra en la figura 2, en la segunda fase, se
invierte la polaridad de los electrodos. Los procesos se describen
con detalle a continuación y se muestran en la figura 3 (sistema de
lecho doble) y la figura 4 (sistema de lecho mixto). En ambas
figuras, lo siguiente representa las dos resinas de intercambio
iónico en sus diferentes formas.
- A
- representa la resina de intercambio aniónico en la forma "agotada".
- OH
- representa la resina de intercambio aniónico en la forma "regenerada".
- C
- representa la resina de intercambio catiónico en la forma "agotada".
- H
- representa la resina de intercambio catiónico en la forma "regenerada".
La figura 3 (a) muestra el par de lechos de
resina separados, conteniendo el compartimento 6 de la izquierda la
resina de intercambio aniónico y conteniendo el compartimento 5 de
la derecha la resina de intercambio catiónico. Ambos lechos 5 y 6 se
muestran en su estado totalmente agotado; es decir, no hay
sustancialmente resina de intercambio catiónico en el estado de
H^{+} ni resina de intercambio aniónico en el estado de OH^{-}.
Sin embargo, se apreciará que la resina puede estar en un estado
parcial o totalmente agotado y que la regeneración puede llevarse a
cabo parcial o totalmente.
Cuando se aplica una diferencia de potencial
adecuada a lo largo de los dos electrodos 11 y 12 tal como se
muestra en la figura 3(b), se genera OH^{-} en el electrodo
11 de la izquierda (el cátodo, marcado "-") y se genera H^{+}
en el electrodo 12 de la derecha (el ánodo, marcado "+"). Bajo
la influencia del campo eléctrico, esos iones migran fuera de sus
respectivos electrodos a través de los lechos de resina. A medida
que los iones OH^{-} migran a través del compartimento 6 de la
izquierda, sustituyen los aniones asociados con la resina de
intercambio aniónico, de modo que la resina se convierte en la forma
de OH^{-}. Los aniones que se liberan también migran junto con
cualquier OH^{-} en exceso en la dirección del ánodo 12. A medida
que los iones H^{+} migran a través del compartimento 5 de la
derecha, sustituyen los cationes asociados con la resina de
intercambio catiónico, de modo que la resina se convierte en la
forma de H^{+}. Los cationes que se liberan también migran junto
con cualquier H^{+} en exceso en la dirección del cátodo 11. Los
cationes y los aniones se encuentran en la interfase 9, cualquier
cantidad equivalente de H^{+} y OH^{-} que estén presentes se
neutralizan entre sí para formar agua y el resto de las especies
iónicas (sales) puede eliminarse a través del orificio 3 de salida.
Para ayudar a este respecto, se prefiere tener al menos un flujo
mínimo de agua a través de los orificios 1 y 2, ya que por cada mol
de H^{+} y OH^{-} generado, se consumen 1,5 moles de agua.
La figura 4(a) muestra la configuración
pertinente para un sistema de lecho mixto. En este caso, ambos
compartimentos 6 y 5 de la izquierda y la derecha se llenan con una
mezcla de resinas de intercambio aniónico y catiónico. Ambos lechos
se muestran en su estado totalmente agotado; es decir, no hay
sustancialmente resina de intercambio catiónico en el estado de
H^{+} ni resina de intercambio aniónico en el estado de OH^{-}.
Sin embargo, se apreciará que la resina puede estar en un estado
parcial o totalmente agotado y que la regeneración puede llevarse a
cabo parcial o totalmente.
Cuando se aplica una diferencia de potencial
adecuada a lo largo de los dos electrodos tal como se muestra en la
figura 4(b), se genera OH^{-} en el electrodo 11 de la
izquierda (el cátodo, marcado "-") y se genera H^{+} en el
electrodo 12 de la derecha (el ánodo, marcado "+"). Bajo la
influencia del campo eléctrico, estos iones migran fuera de sus
respectivos electrodos a través de los lechos de resina. A medida
que los iones OH^{-} migran a través del compartimento 6 de la
izquierda, sustituyen los aniones asociados con la resina de
intercambio aniónico, de modo que la resina se convierte en la forma
de OH^{-}. Los aniones que se liberan también migran junto con
cualquier OH^{-} en exceso en la dirección del ánodo 12. Los
aniones no tienen ningún efecto sobre el estado de la resina de
intercambio catiónico en el compartimento. A medida que los iones
H^{+} migran a través del compartimento 5 de la derecha,
sustituyen los cationes asociados con la resina de intercambio
catiónico, de modo que la resina se convierte en la forma de
H^{+}. Los cationes que se liberan también migran junto con
cualquier H^{+} en exceso en la dirección del cátodo 11. Los
cationes no tienen ningún efecto sobre el estado de la resina de
intercambio aniónico en el compartimento. Los aniones y cationes que
se desplazan a través de los compartimentos 6 y 5 de la izquierda y
la derecha, respectivamente, se encuentran en la interfase 9, y
cualquier cantidad equivalente de H^{+} y OH^{-} que estén
presentes se neutralizan entre sí para formar agua y el resto de las
especies iónicas puede eliminarse a través del orificio 3 de salida.
Para ayudar a este respecto, se prefiere tener al menos un flujo
mínimo de agua a través de los orificios 1 y 2, ya que por cada mol
de H^{+} y OH^{-} generado, se consumen 1,5 moles de agua.
La resina de intercambio aniónico del
compartimento 6 de laizquierda de la figura 4(b) y la resina
de intercambio catiónico del compartimento 5 de la derecha de la
figura 4(b) se convierten en las formas de OH^{-} y
H^{+}, respectivamente, cualquier flujo de corriente adicional
genera cantidades equivalentes de H^{+} y OH^{-}, que migran a
través de los lechos de resina y se neutralizan entre sí cuando se
encuentran. En esta fase, se invierte la polaridad de los dos
electrodos y se generan H^{+} y OH^{-} en el electrodo 11 de la
izquierda y el electrodo 12 de la derecha, respectivamente, tal como
se muestra en la figura 4(c).
Tal como se describió anteriormente, los iones
migran hacia el centro de la pila y tienen la capacidad para
sustituir los cationes y aniones que están asociados con las resinas
de intercambio catiónico y de intercambio aniónico en el
compartimento 6 de la izquierda y el compartimento 5 de la derecha,
respectivamente. Los aniones y cationes que se desplazan a través
del compartimento 5 de la derecha y compartimento 6 de la izquierda,
respectivamente, se encuentran en la interfase 9, cualquier cantidad
equivalente de H^{+} y OH^{-} que estén presentes se neutralizan
entre sí para formar agua y el resto de las especies iónicas puede
hacerse salir a través del orificio 3 de salida. Con el fin de
ayudar a este respecto, se prefiere tener al menos un flujo mínimo
de agua a través de los orificios 1 y 2, ya que por cada mol de
H^{+} y OH^{-} generado, se consumen 1,5 moles de agua.
Los siguientes ejemplos se refieren a una pila
electroquímica cilíndrica con las características mostradas en la
figura 1. La interfase de esta pila era una frita de polipropileno
porosa. El compartimento 5 de la derecha y el compartimento 6 de la
izquierda se llenaron con resina de intercambio aniónico fuerte
Amberlite IRA-420^{MR} (de 15 - 50 de malla ASTM)
y resina de intercambio catiónico fuerte Amberlite
1R-120^{MR} (de 15 - 50 de malla ASTM),
respectivamente. Estas resinas se utilizan sólo como un ejemplo, y
la invención no se restringe a, ni es específica para, ninguna
resina o material de intercambio iónico particular. La capacidad de
intercambio iónico de las resinas en cada compartimento fue de -17
milimoles. Las resinas se habían convertido en las formas de
Cl^{-} y Na^{+}, respectivamente, mediante métodos químicos
habituales y se lavaron cuidadosamente con agua desionizada para
eliminar cualquier sal residual. Los electrodos 7 y 8 eran de malla
(6 cm de diámetro) de titanio recubierto con platino. Los electrodos
se pusieron en contacto íntimo con la resina y se mantuvieron en su
sitio mediante un par de placas terminales que se sujetaron a la
pila, formando una unidad sellada. Se bombeó agua desionizada de
alta pureza a la pila a través de los orificios 1 y 2, y se hizo
fluir hacia fuera a través del orificio 3. Se utilizó un
galvanostato para aplicar una corriente constante de un extremo al
otro de los electrodos de malla de titanio recubierto con platino.
Se bombeó agua a la pila a través de los orificios 1 y 2 y se
recogió el efluente del orificio 3. Se monitorizaron el pH, la
conductividad y la concentración iónica de Na^{+} de la disolución
de efluente, y se registraron la corriente y el potencial. En la
figura 5, se muestran los resultados para tres densidades de
corriente distintas. Esta gráfica muestra el número acumulado de
moles de iones Na^{+} recogidos a través del orificio 3 como una
función del tiempo.
La figura 6 muestra el número acumulado de moles
de iones Na^{+} y Cl^{-} recogidos a través del orificio 3 como
una función del tiempo para un flujo de corriente de 40 mA. La
figura 7 muestra el rendimiento electroquímico del funcionamiento de
la pila. Por cada mol de electrones, se producen un mol de H^{+} y
un mol de OH^{-}. Si cada mol de electrones condujese a la
regeneración de un mol de resina de intercambio catiónico y un mol
de resina de intercambio aniónico, el rendimiento electroquímico de
la pila sería del 100%. En la figura 7, se representa el rendimiento
culombiano global en porcentaje de la conversión de la resina de
intercambio catiónico como una función del porcentaje de la resina
de intercambio catiónico en la pila que se ha regenerado.
La figura 8 muestra una realización preferida de
la presente invención, en la que se forma la interfase entre los dos
lechos de resina mediante una válvula 13 en T, en la que los pasos
18 de flujo de líquido en la válvula se llenan sustancialmente con
resina de intercambio aniónico y catiónico en un estado mixto o no
mixto. En el modo de regeneración de resina (figura 8(a)),
esta válvula 13 se gira de modo que cada extremo del paso 18 con
flujo a su través de la válvula 13 se abra a uno de los lechos de
resina y que el paso de flujo normal a éste se abra a un orificio a
través del cual pueden fluir los cationes y/o aniones y el agua
(disolución salina de desecho). Cuando el sistema se está utilizando
para purificar agua (figura 8(b)), la válvula 13 se gira de
modo que el paso 18 de flujo de líquido de la válvula 13 ya no se
abra a los lechos de resina. Esto evita que el líquido fluya de un
modo no deseado entre los dos lechos de resina en la parte de
purificación de agua del ciclo. Con la configuración mostrada en la
figura 8, la resina se regenera en un modo a contracorriente (es
decir, el flujo de agua y el ión entre los dos lechos de resina en
la parte de purificación de agua del ciclo. En el modo de
purificación, se alimenta agua a través de un orificio 16 de entrada
adicional en la base del lecho 5 y sale a través del orificio 15
antes de alimentarse a través del otro lecho 6 por medio del
orificio 17. El agua purificada sale a través del orificio 14. Los
orificios 16 y 17 se cierran cuando la pila está en el modo de
regeneración. Con la configuración mostrada en la figura 8, la
resina se regenera en un modo a contracorriente (es decir, el flujo
de agua y el flujo de iones avanzan ambos a través de los lechos de
resina en un sentido en el ciclo de purificación y ambos avanzan en
el sentido opuesto a través de los lechos de resina en el modo de
regeneración).
Aunque en las descripciones anteriores, la pila
aparece como un cilindro, el éxito del procedimiento no depende de,
ni se restringe a, esta geometría particular. De manera similar, el
tamaño de la pila no es un factor limitante. Por ejemplo, se ha
conseguido un rendimiento similar en una pila cilíndrica de
aproximadamente cinco veces esta capacidad. Además, se ha conseguido
un rendimiento similar en una pila con una configuración de tubo en
U, en lugar de un cilindro recto, con una capacidad de
aproximadamente diez veces esta capacidad. También se ha conseguido
un rendimiento similar en una pila en la que la frita de
polipropileno se sustituye por un par de mallas de nylon que
mantienen los dos lechos de resina separados (es decir, en la que la
cavidad se llena simplemente con líquido). También se han variado la
velocidad de flujo de agua a través de la pila y la corriente sin
disminución del rendimiento electroquímico.
El sistema descrito se hace funcionar de modo
manual, sin embargo, se apreciará que con el uso de detectores y
sistemas de control adecuados, podría hacerse automático el
funcionamiento del dispositivo. Ejemplos de tales equipos son
células de medida de la conductividad para monitorizar la pureza del
agua de salida, mecanismos de accionamiento de válvula y circuitos
de control con microprocesador.
Claims (20)
1. Método de tratamiento de un material de
intercambio iónico, incluyendo el método:
(a) situar al menos dos regiones de material de
intercambio iónico entre un electrodo de ánodo y de cátodo, en el
que al menos una parte de las dos regiones están separadas por una
interfase permeable a los iones no específica;
(b) suministrar agua a las al menos dos
regiones;
(c) aplicar un potencial eléctrico entre los
electrodos, produciendo así la generación de iones de hidrógeno en
el ánodo e iones de hidróxido en el cátodo, iones que se hace que se
muevan a través de cada región hacia el electrodo de carga opuesta y
desplazando así al menos una parte de cualquier anión o catión
asociado con el material de intercambio iónico en cada región, de
modo que se haga que los aniones y cationes desplazados se muevan
también a través de las regiones hacia el electrodo de carga
opuesta; y
(d) eliminar al menos parte de los aniones y/o
cationes formados durante la etapa (c), que alcanzan la
interfase.
2. Método según la reivindicación 1, en el que
una regiónincluye un material de intercambio aniónico y la otra
región incluye un material de intercambio catiónico.
3. Método según la reivindicación 2, en el que la
región que incluye el material de intercambio aniónico se sitúa
cerca del ánodo y la región que incluye el material de intercambio
catiónico se sitúa cerca del cátodo.
4. Método según la reivindicación 1, en el que al
menos dos regiones incluyen una mezcla de materiales de intercambio
aniónico y catiónico.
5. Método según la reivindicación 4, en el que
tras aplicar el potencial durante un periodo de tiempo, se invierte
la polaridad de los electrodos y se aplica un segundo potencial.
6. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que se produce la regeneración
electroquímicasimultánea del material de intercambio iónico en al
menos dos regiones.
7. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, en el que los aniones y cationes asociados
con el material de intercambio iónico y eliminados son sales
acumuladas sobre el material de intercambio iónico durante el
tratamiento de desionización de agua.
8. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, en el que la interfase permeable a los iones
no específica se selecciona del grupo que consiste en membrana no
selectiva de iones, frita, espaciador poroso, cavidad formada por la
separación física de las dos regiones de material de intercambio
iónico, material inerte, disposición de válvula y límites físicos
entre las dos regiones.
9. Método según la reivindicación 8, en el que la
interfase es una frita de polipropileno asociada con una válvula
para permitir la eliminación de los iones y el agua de la
interfase.
10. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, en el que los cationes y/o aniones y el agua
formados durante la etapa (c) se eliminan antes de que crucen la
interfase y entren en la otra región de material de intercambio
iónico.
11. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 10, en el que la etapa (b) se utiliza como un
medio para eliminar sales disueltas en agua antes de llevar a cabo
las etapas (c) y (d).
12. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 11, en el que la etapa (d) es enjuagar la
interfase con agua.
13. Pila electroquímica que comprende:
(a) un electrodo de ánodo y de cátodo;
(b) al menos dos regiones adaptadas para contener
material de intercambio iónico, estando situadas las regiones entre
los electrodos,
(c) al menos una parte de las dos regiones que
están separadas por una interfase permeable a los iones no
específica;
(d) un medio para suministrar agua a las al menos
dos regiones;
(e) un medio para aplicar un potencial eléctrico
entre los electrodos; y
(f) un medio para eliminar iones, sales y agua en
la interfase;
en la que, en uso, la aplicación de un potencial
eléctrico produce la generación de iones de hidrógeno en el ánodo y
de iones de hidróxido en el cátodo, iones que se hace que se muevan
a través de cada región hacia el electrodo de carga opuesta, y
desplazando así al menos una parte de cualquier anión o catión
asociado con el material de intercambio iónico en cada región, de
tal modo que también se hace que los aniones y cationes desplazados
se muevan a través de las regiones hacia el electrodo de carga
opuesta; y al menos parte de los aniones y/o cationes formados que
alcanzan la interfase se eliminan mediante el medio de
enjuagado.
14. Pila según la reivindicación 13, en la que el
ánodo se forma de titanio recubierto de platino y el cátodo se forma
de acero inoxidable o titanio recubierto de platino.
15. Pila según la reivindicación 13 ó 14, en la
que una región incluye un material de intercambio aniónico y la otra
región incluye un material de intercambio catiónico.
16. Pila según la reivindicación 15, en la que la
región que incluye el material de intercambio aniónico se sitúa
cerca del ánodo y la región que incluye el material de intercambio
catiónico se sitúa cerca del cátodo.
17. Pila según la reivindicación 13 ó 14, en la
que al menos dos regiones incluyen una mezcla de materiales de
intercambio aniónico y catiónico.
18. Pila según una cualquiera de las
reivindicaciones 13 a 17, en la que la interfase permeable a los
iones no específica seselecciona del grupo que consiste en membrana
no selectiva de iones, frita, espaciador poroso, cavidad formada por
la separación física de las dos regiones de material de intercambio
iónico, material inerte, disposición de válvula y límites físicos
entre las dos regiones.
19. Pila según la reivindicación 18, en la que la
interfase es una frita de polipropileno asociada con una válvula
para permitir la eliminación de los iones y el agua de la
interfase.
20. Pila según una cualquiera de las
reivindicaciones 13 a 19, en la que el medio (f) es tal que permite
enjuagar la interfase con agua.
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