ES2246848T3

ES2246848T3 - Metodo de mezcla de gas/liquido.

Info

Publication number: ES2246848T3
Application number: ES00925006T
Authority: ES
Inventors: Craig L. Glassford
Original assignee: Canzone Ltd
Current assignee: Canzone Ltd
Priority date: 1999-05-05
Filing date: 2000-05-03
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2020-05-03
Also published as: EP1173271B1; CA2271170C; DE60021549D1; WO2000067886A1; JP2002543960A; AU778289B2; AU4388700A; ATE300351T1; EP1173271A1; DE60021549T2; CA2271170A1

Abstract

Método de mezcla de un gas con un líquido, caracterizado por los pasos de: a) poner un líquido de mezcla en una carcasa (2) en contacto con un lado repelente (12) del líquido de mezcla de una membrana microporosa (10) que presenta diámetros de paso eficaz del poro comprendidos en el intervalo entre 0, 01 y 5 µm, b) poner un gas en la carcasa en contacto con el lado de la membrana microporosa contrario al contactado por el líquido, c) regular la relación de presiones de gas/líquido en la carcasa de manera que, i) la presión del gas no exceda la presión del líquido, y ii) el líquido no pase a través de los microporos de la membrana, de manera que porciones microscópicas discretas del gas entren en contacto con el líquido, y d) transportar la mezcla de gas/líquido consiguientemente producida de manera que se produzca baja turbulencia, desde la membrana hasta un recipiente receptor (24) de la misma.

Description

Método de mezcla de gas/líquido.

Antecedentes de la invención

Hace muchos años se propuso la utilización de fibras huecas microporosas para la aireación de aguas residuales que contienen contaminantes orgánicos, ver por ejemplo la patente estadounidense Nº 4.181.604, publicada el 1 de enero de 1980, H. Onishi y otros.

Más recientemente, se ha propuesto transferir gas a un líquido de manera que no se produzcan burbujas mediante la utilización de fibras huecas microporosas, ver por ejemplo la patente estadounidense Nº 5.034.164, publicada el 23 de julio de 1991, a nombre de M.J. Semmens. La transferencia de gas al seno del líquido sin producción de burbujas es altamente eficiente y reduce las pérdidas o residuos de gas de manera significativa. Semmens (columna 5, líneas 27 a 48) da a conocer la utilización de un recubrimiento delgado y uniforme de un polímero permeable a los gases no poroso y químicamente resistente sobre la superficie exterior de una porción considerable de cada fibra con el fin de inhibir la acumulación de residuos y de microorganismos, los cuales tienden a acumularse sobre la superficie a través de la que se difunde el gas bajo presiones elevadas, de 20 a 60 psi, hacia el interior de las fibras, consiguiendo simultáneamente tasas elevadas de transferencia de gases y evitando la pérdida de gas en forma de burbujas. Semmens da a conocer además que si las fibras no se encuentran recubiertas, el diferencial de presión, es decir, la presión de gas en exceso respecto a la presión del líquido, debe ser inferior a 2 psi con el fin de evitar la producción de burbujas. Sin embargo, Semmens (columna 4, líneas 39 a 42) da a conocer que de manera general se utiliza una presión gaseosa sobre el agua de por lo menos 45 psi. Claramente, a las presiones gaseosas bajas a las que no se formaban burbujas, la transferencia no se consideró adecuada y se consideró que era necesaria suficiente presión gaseosa para transferir el líquido atrapado hacia el exterior de la membrana de la fibra (ver columna 4, líneas 34 a 36). Aunque el dispositivo de Semmens resulta útil, el recubrimiento de polímero permeable a los gases exige la utilización de presiones gaseosas elevadas, mientras que las presiones relativamente bajas del líquido en última instancia limitan la concentración de gas disuelto que puede alcanzarse.

También se ha propuesto en la patente estadounidense nº 4.950.431, presentada el 21 de agosto de 1990, A.J. Rudick y otros, proporcionar un aparato para preparar y dispensar agua carbonatada, en el que se mezcla CO_{2}, presurizado a 31 psi, a partir de fibras huecas de membrana semipermeable con agua municipal enfriada en una carcasa de carbonatador. Se da a conocer que, siempre que la presión de agua sea igual o mayor que la presión de CO_{2} en el interior de las fibras huecas, el CO_{2} será absorbido directamente en el agua sin la formación de burbujas (columna 4, líneas 13 a 31). El CO_{2} se proporciona mediante una línea de entrada que presenta una válvula de carrete con muelle elástico que mantiene el interior de la carcasa del carbonatador presurizada al nivel de CO_{2}, es decir a 31 psi, y proporciona la fuerza motriz para dispensar el agua carbonatada (columna 4, líneas 2 a 8). Además, cuando la presión de agua que entra hacia la carcasa del carbonatador es mayor de 31 psi, el carbonatador funciona como simple carbonatador continuo en línea durante las operaciones de dispensación.

Rudick y otros, se refiere a la producción y dispensación de agua carbonatada que entrará en efervescencia a presión atmosférica. De esta manera, aunque el CO_{2} puede ser directamente absorbido en el agua sin formación de burbujas, resulta necesario que las partes absorbidas de CO_{2} sean de suficiente tamaño para entrar fácilmente en coalescencia y en efervescencia, de la manera en que lo hace una bebida carbonatada, al ser liberadas a la presión atmosférica durante la dispensación por el aparato de Rudick y otros. Para que ello ocurra, el agua carbonatada debe verterse en el vaso de bebida en estado turbulento.

Si bien los procedimientos de Semmens y de Rudick y otros resultan útiles, existe una necesidad de no sólo mejorar adicionalmente la manera en que se transfiere el gas al líquido, sino también de incrementar la cantidad de gas disponible en el líquido incrementando el tiempo de estancia o residencia durante el que siguen en estado discreto porciones microscópicas del gas dentro del líquido antes de entrar en coalescencia y salir del líquido en forma de burbujas.

La patente US-A-4.268.279 da a conocer un procedimiento que comprende permitir que un líquido entre en contacto con el interior de una fibra hueca microporosa y que un fluido entre en contacto con el exterior, permitiendo de esta manera que los componentes gaseosos contenidos en ambos líquidos se transfieran entre el líquido y el fluido.

La patente EP-A-0 723 806 da a conocer un método para la producción de agua ozonizada en el que se disuelve gas ozono presurizado en agua a tratar a través de una membrana porosa de fibras huecas. Aguas arriba de la membrana de fibras huecas se proporciona una bomba de tipo de control de velocidad infinitamente variable con el fin de mantener la presión del agua en el interior de las fibras huecas en valores superiores a la presión del gas ozono y para controlar la presión del agua y el caudal. Se proporciona un mecanismo de control con el fin de controlar la concentración de ozono en el agua tratada a partir de la concentración de ozono.

Sumario de la invención

De acuerdo con la presente invención, se proporciona un método para mezclar un gas con un líquido, que incluye los pasos de:

a): poner un líquido de mezcla en una carcasa (2) en contacto con un lado repelente (12) del líquido de mezcla de una membrana microporosa (10) que presenta diámetros de paso eficaz del poro comprendidos en el intervalo entre 0,01 y 5 \mum,

b): poner un gas en la carcasa en contacto con el lado de la membrana microporosa contrario al contactado por el líquido,

c): regular la relación de presiones de gas/líquido en la carcasa de manera que,

i): la presión del gas no exceda la presión del líquido, y

ii): el líquido no pase a través de los microporos de la membrana,

: de manera que porciones microscópicas discretas del gas entren en contacto con el líquido, y

d): transportar la mezcla de gas/líquido consiguientemente producida de manera que se produzca baja turbulencia, desde la membrana hasta un recipiente receptor (24) de la misma.

La membrana microporosa puede encontrarse en forma de una pluralidad de fibras huecas microporosas similares y el gas puede pasarse a lo largo de las fibras huecas, mientras que el líquido se pasa sobre las caras externas de las fibras huecas repelentes de los líquidos.

La membrana puede presentar una porosidad de por lo menos el 10%.

La mezcla de gas/líquido en el recipiente receptor puede encontrarse congelada para incrementar el tiempo de retención de las porciones microscópicas discretas del gas en el líquido.

La presión del gas puede ser por lo menos 0,07 Kg/cm^{2} inferior a la del líquido.

El gas puede ser el oxígeno y el líquido puede ser el agua. Alternativamente, el gas puede ser CO_{2} y el líquido puede ser el agua. Como alternativa adicional, el gas puede ser SO_{2} y el líquido puede ser agua.

En una forma de realización de la invención se proporciona una línea de salida de gas de la carcasa; la membrana microporosa se encuentra en la forma de una pluralidad de fibras huecas microporosas similares reunidas en un haz dentro de la carcasa; en un extremo del haz se encuentra un primer medio de soporte y sella dicho extremo del haz con los extremos abiertos de las fibras en dicho extremo del haz, comunicando con la línea de entrada de gas; en el otro extremo del haz se encuentra un segundo medio de soporte y sella dicho extremo del haz con los extremos abiertos de las fibras en dicho extremo del haz, comunicando con la salida de gas; y en caras opuestas de la carcasa se encuentra una entrada de líquido y una salida de mezcla de gas/líquido, de manera que el líquido fluye a través de sustancialmente la totalidad de la superficie externa de las fibras.

El haz de fibras puede comprender la urdimbre de una estructura tejida de malla abierta y pueden proporcionarse fibras sólidas repelentes del agua formando la trama, y la estructura de malla abierta puede enrollarse para formar el haz.

Hasta la presente invención, no resultaba posible producir porciones macroscópicas discretas de un gas mezclado con un líquido, que permaneciese almacenado en el líquido en forma discreta durante periodos de tiempo suficientemente largos para proporcionar un nuevo producto útil que, por ejemplo, pudiese utilizarse en procesos aeróbicos o químicos para proporcionar oxígeno durante periodos de tiempo hasta el momento inalcanzables sin la necesidad de un medio más "forzado" de aireación.

La presente invención proporciona una nueva mezcla de gas/líquido que, en comparación con mezclas conocidas de gas y líquido, presenta

a): una masa sorprendentemente mayor de gas en un volumen dado de líquido, hasta el punto de sobresaturación, y

b): muestra un periodo mucho mayor durante el que el gas permanece dispersado en el líquido en porciones discretas.

Dicho periodo de estancia del gas sobresaturado en el líquido en porciones discretas resulta particularmente útil en procesos que utilizan microorganismos consumidores de oxígeno en agua, o reacciones químicas aceleradas por el oxígeno, debido a que el exceso de oxígeno proporcionado por la sobresaturación tiende a sustituir el oxígeno consumido antes de perderse en la atmósfera.

Una posible explicación para estos inesperados resultados puede ser una distribución muy amplia en el líquido a través de los microporos de la membrana de porciones microscópicas discretas (nanoporciones) del gas. Estas porciones microscópicas de gas, al transferirse suavemente al líquido en una población densa ampliamente distribuida, permanecen suspendidas en el mismo en forma discreta durante un periodo de residencia muy prolongado debido a su relativamente baja flotabilidad en comparación con las burbujas, con la condición de que la mezcla de gas/líquido se manipule con suavidad, es decir, con bajos niveles de turbulencia. Estas condiciones no pueden conseguirse si el gas entra en el líquido a presión elevada respecto a la del líquido debido a que las porciones microscópicas discretas de gas se expanden y de esta manera incrementan su flotabilidad, elevándose en el líquido y creando turbulencia en el mismo, con independencia de cómo se manipule la mezcla de gas/líquido.

Debe indicarse que la presente invención se describe en la siguiente forma de realización con el gas y el líquido a presiones ligeramente superiores a la presión atmosférica. Sin embargo, se encuentra dentro del alcance de la presente invención que el gas y el líquido se encuentren a presión atmosférica o incluso al vacío, con la condición de que la relación entre las presiones del gas y del líquido se mantenga y la mezcla de gas/líquido se manipule con suavidad, es decir, que no se someta a turbulencia que produzca cambios de presión.

En la presente especificación, "transporte y dispensación que produce bajos niveles de turbulencia en el líquido de una mezcla de gas/líquido" significa que la mezcla de gas/líquido se manipula suavemente de manera que por lo menos una porción considerable de las porciones microscópicas discretas del gas se conservan discretas, por ejemplo la mezcla de gas/líquido,

i): se transporta con bastante suavidad,

ii): únicamente se somete a cambios de presión suaves, caso de haberlos, y

iii): únicamente se hace entrar en contacto suave con cualquier superficie.

Estos son parámetros de diseño para el aparato que los expertos en la materia fácilmente podrían tener en consideración.

Breve descripción de los dibujos

En los dibujos adjuntos que ilustran, a título de ejemplo, formas de realización de la presente invención,

La Figura 1 es un diagrama de flujo de un aparato utilizado para verificar la presente invención,

La Figura 2 es un diagrama de una sección transversal del dispositivo de contacto con el gas y líquido utilizado en el aparato mostrado en la Figura 1,

La Figura 3 es una vista frontal de la porción del haz de fibras huecas microporosas mostrada en la Figura 2 antes de enrollarla para formar un haz,

La Figura 4 muestra gráficos que ilustran los datos de transferencia de oxígeno obtenidos mediante pruebas con el aparato mostrado en las Figuras 1 a 3,

La Figura 5 muestra gráficos que ilustran el contenido de oxígeno del agua frente al tiempo, y

las Figuras 6 y 7 muestran gráficos que ilustran la extracción de cobre de una suspensión de cobre extraído de una mina utilizando agua saturada de oxígeno procedente de pruebas cuyos resultados se muestran en los gráficos de la Figura 4.

Descripción detallada de las formas de realización preferidas

En la Figura 1 se muestra un aparato de mezcla de gas/líquido, que comprende:

a): una carcasa 2 que presenta una línea de entrada de gas 4, una línea de entrada de líquido 6 y una línea de salida de mezcla de gas/líquido 8,

b): una membrana microporosa 10 en la carcasa 2, presentando la membrana,

i): diámetros de camino de poro efectivo de entrada en contacto de gas y líquido que de manera general se encuentran en el intervalo entre 0,01 y 5 \mum, y

ii): una cara 12 que es repelente del líquido a mezclar,

: dividiendo la membrana 10 la carcasa interior 14 en un camino para el líquido, en la cara repelente al agua 12, entre la línea de entrada de líquido 6, la línea de salida de mezcla de gas/líquido 8, y la cámara de gas conectada a la línea de entrada de gas 4,

c): medio de regulación de la presión de líquido conectado a la carcasa 2, que comprende un regulador y medidor de la presión de retorno del líquido 18 y un regulador y medidor de la presión de gas 20 para regular la relación de presiones de gas y líquido en la carcasa 2, de manera que,

i): la presión del gas no exceda la presión del líquido, y

ii): el líquido presurizado no pase a través de los microporos de la membrana, y

d): un dispositivo de transporte y dispensación que produce niveles bajos de turbulencia en el líquido de la mezcla de gas/líquido, en forma de tubería 29, que presenta una codo redondeado y conectado a la línea de salida 8 de la mezcla de gas/líquido y que termina por debajo de un nivel de líquido 23 de un tanque 24 para dispensar suavemente la mezcla de gas/líquido en el mismo.

El aparato también puede incluir líneas de salida de gas 5 para extraer cualquier líquido que pudiese acumularse en la cámara de gas 2. La línea de salida de gas 5 también resulta útil para conectar dos o más carcasas 2 en un flujo en serie.

El aparato mostrado en la Figura 1 se utilizó en pruebas para verificar la presente invención e incluía una válvula de gas 21, un cilindro de oxígeno a presión elevada 22, un tanque abierto de mezcla de gas/líquido 24, que formaba un recipiente receptor para la mezcla de gas/líquido, una bomba de líquido de velocidad variable 26, un regulador y medidor de la presión del líquido 28 y un analizador de oxígeno disuelto 30. La tubería 29 era transparente para permitir la observación de las condiciones de la mezcla de gas/líquido en la misma. Los caudalímetros de gas 52 y 54 se proporcionaron conjuntamente con una válvula de gas 56. La alimentación de líquido se suministró desde el tanque 58 y se controló con precisión mediante la línea de retorno 60 y la válvula 62.

En la Figura 2, las partes análogas a las mostradas en la Figura 1 se designan con los mismos numerales de referencia y se utiliza la descripción anterior para describirlos.

En la Figura 2, la membrana microporosa 10 comprende una de entre el haz de fibras huecas microporosas 27, cada una con una cara externa repelente de los líquidos 12 y sellada en discos de resina epoxi 31 y 32 que, a su vez, se encuentran sellados en la carcasa 2 mediante juntas tóricas 34 y 36, respectivamente. El equipo, el cual comprende el haz de fibras microporosas 27 y los discos 31 y 32, se encuentra soportado por un tubo de soporte central 38 que se encuentra sellado a la carcasa y espacia los discos 31 y 32 proporcionando cámaras impelentes 40 y 41. La cámara impelente 40 recibe gas desde una línea de entrada 4, mientras que la cámara impelente 41 pasa el gas a la línea de salida 5 y hasta el caudalímetro 54 (Figura 1).

Los extremos superiores de las fibras microporosas presentan extremos abiertos por encima del disco 31 expuestos dentro de la cámara impelente 40.

Los extremos inferiores de las fibras microporosas presentan extremos abiertos por debajo del disco 32 expuestos dentro de la cámara impelente 41.

El tubo de soporte central 38 proporciona la línea de entrada de líquido 6 y presenta aberturas de salida de líquido 42 hacia la porción del interior de la carcasa 2 entre los discos 31 y 32.

La línea de salida de mezcla de gas/líquido 8 es una de entre dos líneas de salida similares, designándose la otra línea de salida con el numeral de referencia 9. Ambas líneas de salida, 8 y 9, se encuentran conectadas a la tubería 29 (Figura 1).

En otras formas de realización, tanto la línea de salida 8 como la 9 se utilizan para recircular la mezcla de gas/líquido para su enriquecimiento adicional en gas. En la Figura 3, se designan partes similares a las mostradas en las Figuras 1 y 2 con los mismos numerales de referencia y la descripción anterior se utiliza para describirlas. La Figura 3 muestra una porción 44 de las fibras huecas microporosas 27 (Figura 21) antes de enrollarlas para formar un haz. Las fibras microporosas 27 procedentes de la urdimbre de la estructura abierta de malla tejida, con fibras sólidas 46, de una sustancia repelente de los líquidos similar a las fibras microporosas que forman la trama. En las pruebas, en las que se mezcló gas oxígeno con agua líquida, el tanque abierto 24 (Figura 1) presentaba una capacidad de 240L y era de dimensiones \sim90 cm x 45 cm x 60 cm de altura. Cada una de las fibras huecas microporosas 27 (Figuras 2 y 3) presentaba un diámetro externo de aproximadamente el de un sedal de pesca y estaban realizadas en polietileno o polipropileno, ambos repelentes del agua. El intervalo de tamaños de los microporos se controló durante el procedimiento de fabricación de las fibras microporosas con el fin de producir diámetros de camino efectivo prefijados a través de las paredes de las fibras huecas microporosas. La presión de entrada del gas en el líquido de las membranas microporosas era del orden de 40 psi (2,8 Kg/cm^{2}). El área superficial específica del haz de fibras huecas microporosas era de aproximadamente 3.000 metros cuadrados por metro cúbico de volumen.

Más específicamente, la Tabla I siguiente proporciona detalles de dos fibras diferentes de polietileno utilizadas en las pruebas.

TABLA I

Fibra \varepsilonp	\varepsilonp	Do	Di
I	> 0,7	\sim 540	\sim 350
II	> 0,7	\sim 380	\sim 280

En la Tabla I,

\varepsilonp es el tamaño medio de poro, en micrómetros,

Do es el diámetro externo de las fibras, en micrómetros, y

Di es el diámetro interno de las fibras, en micrómetros.

La Tabla II a continuación, proporciona detalles de las fibras en haces utilizados en los módulos que forman el aparato mostrado en la Figura 2 para las diferentes pruebas.

TABLA II

Módulo	L	Nº	Dc	Dg	FIBRA
I	31	6400	2,667	7,79	I
II	31	12800	2,667	7,79	II
III	66	6400	2,667	7,79	I

En la Tabla II,

L es la longitud de las fibras, en cms,

Nº es el número de fibras en el haz,

Dc es el diámetro interno del haz, y

Dg es el diámetro externo del haz.

En las pruebas, se alimentó la bomba 26 con agua de suministro municipal a través del tanque 58, el cual era un tanque de reserva de capacidad 45 galones. Se alimentó agua presurizada desde la bomba 26 hasta la línea de entrada 6. Simultáneamente, se suministró oxígeno presurizado a la línea de entrada 4, procurando asegurar que la presión de oxígeno en la carcasa 2 nunca excediese la presión del agua. (De ello habría resultado la entrada de grandes cantidades de grandes burbujas de oxígeno y de hecho ¡reduciría la tasa de transferencia de oxígeno!). El área de interfase creada por los microporos permitió llevar a cabo una transferencia controlada de oxígeno al agua, siendo la fuerza motriz para esta transferencia, la diferencia de niveles de saturación de oxígeno en el equilibrio en agua a presión atmosférica y en agua sometida a presiones elevadas. (Por ejemplo: aproximadamente cada atmósfera de presión parcial de oxígeno a la que se somete el agua eleva su nivel de equilibrio de saturación de oxígeno en 40 ppm).

Se registraron todas las presiones, caudales y temperaturas relevantes. Se realizó un seguimiento de los niveles de oxígeno de salida de las líneas 8 y 9 con un medidor de oxígeno disuelto especialmente diseñado que formaba el analizador 30, capaz de medir el oxígeno disuelto bajo presión y hasta 200 ppm. El contenido de oxígeno del agua en la línea de entrada se determinó previamente a cada prueba y se descubrió que se encontraba a niveles de saturación (8 - 12 ppm). Se midió el caudal de oxígeno con un caudalímetro de masas de oxígeno que formaba el medidor 52.

Aunque en teoría resultaba innecesario, se mantuvo un pequeño caudal de purga de oxígeno a través de las fibras hasta la línea de salida 5 con el fin de mantener libre el paso hacia el interior de los poros de las fibras, las cuales podían resultar bloqueadas por el agua en caso de existir defectos en los discos 31 y 32. Si la unidad se apagaba durante más de una hora, se vaciaba totalmente de agua y se secaba con aire. Ello evitaba la condensación de vapor de agua dentro de los poros de las fibras.

Los datos obtenidos de las pruebas seguidamente se correlacionaron utilizando "números" convencionales de transferencia de masas (Sherwood, Reynolds y Schmidt). Sin embargo, la forma de esta ecuación era algo diferente de la habitualmente descrita en la literatura. Por el contrario, se basó en la experiencia y el trabajo no publicado del solicitante y en su trabajo anterior sobre la transferencia de masas en sistemas de fibras huecas. Tal como se observará en los gráficos adjuntos, la correlación es excelente.

En la Figura 4 se proporcionan los resultados de dichas correlaciones, en las que el número de Sherwood [SN] se representa en el gráfico frente a la potencia 1/3 [(Re)*(Sc)^{10})^{\wedge}0,333].

En la Figura 4,

\blacksquare son los resultados con el módulo I,

\blacktriangle son los resultados con el módulo II, y

\medbullet son los resultados con el módulo III.

Tal como se observa en la Figura 4, las correlaciones son excelentes.

La etapa final de fabricación del módulo era la "abertura de las fibras". Esta etapa normalmente se llevó a cabo con una cuchilla de sierra giratoria de alta velocidad con punta de carburo. A continuación se llevó a cabo una prueba de "fibras abiertas" sobre cada módulo con el fin de determinar la "calidad" del corte. Ello se llevó a cabo midiendo la caída de presión del agua que fluía por los poros de las fibras. El término "fibra abierta" realmente es un término equivocado en el sentido de que la caída real de presión se comparó con la caída teórica de presión. Por ejemplo, los módulos de tipo 1 y 3 utilizados anteriormente proporcionaron rutinariamente un resultado para las fibras abiertas de > 95% (con la cuchilla afilada). Ello no significa que el 5% de las fibras no estaban abiertas, sino sólo que el módulo se comportaba como si el 5% de las fibras no estuvieran abiertas (podían haber estado o no abiertas). La prueba ignora las pérdidas producidas en las líneas de entrada y salida, así como cualquier factor de "redondeamiento" de las fibras o cualquier obstrucción que bloquease el flujo. El módulo de tipo 2 proporcionó un resultado con fibras abiertas de aproximadamente el 18%. Ello significa que la caída de presión por los poros de las fibras era de más de 5 veces el valor teórico. Una fibra totalmente bloqueada físicamente no se encuentra disponible para ser utilizada en la transferencia de masas. Ello explicaría los resultados ligeramente inferiores a lo esperado en el módulo de tipo II. Por otra parte, debido a que el flujo real de oxígeno por los poros de las fibras era tan pequeño, un bloqueo parcial o una obstrucción realmente presentaría un efecto muy pequeño sobre la transferencia de oxígeno total.

En un intento de comprender qué ocurría, uno de cada módulo de tipo 2 y de tipo 1, previamente cortados con una cuchilla de sierra, se sometió a un corte adicional de una rodaja (\sim 1/8'') con un chorro de agua a presión elevada. Además, cada rodaja se fotografió para comparar los dos cortes.

Físicamente los cortes con chorro de agua aparentaban ser más limpios y provocaron un menor "amarilleo" de la resina epoxi debido a que no se había producido calor en el corte. Sin embargo, los resultados de las pruebas con fibras abiertas resultaron idénticos. Las fotografías mostraron más "residuos" en la cara cortada con sierra de las rodajas, así como el mismo grado de "no redondez" de cada uno de los dos tipos de fibra. Podría ser perfectamente que el corte de sierra inicial arrojase residuos (epoxi) (más) hacia el interior de los poros de las fibras, provocando el bloqueo de las fibras de menor diámetro, pero poco o ningún bloqueo en las fibras de mayor tamaño.

Se llevó a cabo una serie de pruebas de reducción de la sobresaturación en las que cuatro recipientes de diversas geometrías se cargaron con Agua Altamente Oxigenada procedente de pruebas anteriores. Estos recipientes se dejaron reposar durante un periodo de días. Se realizó un seguimiento estrecho del contenido de oxígeno disuelto durante este periodo de tiempo, procurando tomar medidas a profundidades consistentes dentro de los recipientes.

Los resultados de dichas pruebas se muestran en la Figura 5, en la que el contenido de oxígeno (DOC) en el agua, en ppm, se representa en un gráfico frente al tiempo (T), en horas durante las que se ha dejado reposar en el recipiente el Agua Altamente Oxigenada.

En la Figura 5,

\blacklozenge -- representa un tanque de vidrio (profundidad = 54 cm), y

\blacksquare -- representa una probeta graduada (profundidad = 38 cm), y

\blacktriangle -- representa un cubo de plástico (profundidad = 30 cm), y

\times -- representa un vaso de vidrio (profundidad = 18 cm).

La línea horizontal gruesa representa el nivel de saturación de oxígeno en el agua.

Las pruebas demostraron que permanecía una cantidad significativa de oxígeno en el agua durante por lo menos dos días.

Las pruebas también demostraron que la tasa de caída era inferior a medida que la profundidad del recipiente, y por lo tanto de la sonda, era mayor.

Los resultados de las pruebas indican que el aparato y método de entrada en contacto de gas y líquido de la presente invención resultan altamente eficientes, aunque, inesperadamente, tras reducir la presión del líquido creando una condición de sobresaturación, el exceso de gas (oxígeno) permanece en cuasi-solución en el líquido (agua). Una posible explicación es que este método de mezcla de gas/líquido, seguido de la manipulación suave, permite que la sobresaturación adopte la forma de "nanoburbujas". Estas "nanoburbujas" tardan mucho tiempo en encontrarse las unas a las otras y en combinarse para formar burbujas suficientemente grandes y con suficiente flotabilidad para elevarse hasta la superficie del líquido (agua). Otro resultado inesperado es que el exceso de gas (oxígeno) proporcionado en el líquido (agua) por la presente invención, si el líquido se manipula con suavidad, permanece en el líquido durante un periodo de tiempo prolongado. Este periodo prolongado de retención del gas (oxígeno) en el líquido (agua) resultaría altamente ventajoso, por ejemplo, en el tratamiento de aguas residuales que consume gas (oxígeno) o en el procesamiento químico en el que el exceso de gas (oxígeno) permanece en el líquido (agua) durante suficiente tiempo para sustituir el que se consume.

En una prueba adicional, se recogió en un recipiente flexible (un balón doméstico) el agua que se había sobresaturado con oxígeno en las pruebas anteriores y seguidamente se congeló. Al introducir este "agua altamente oxigenada" congelada en un recipiente de agua municipal desoxigenada y dejó descongelar dentro del balón, el contenido de oxígeno del agua de suministro municipal se incremento en 2 a 3 veces más rápidamente bajo una atmósfera de presión que un recipiente similar de control que no contenía un balón. A partir de estos resultados, aparentemente el líquido sobresaturado producido de acuerdo con la presente invención presenta propiedades únicas que pueden utilizarse donde, por ejemplo, se requiera la oxigenación de un líquido sin la utilización de cilindros presurizados ni de equipos motorizados de oxigenación, por ejemplo en el transporte de peces o marisco vivo.

En todavía otras pruebas, el líquido que se había sobresaturado con oxígeno en las pruebas anteriores se utilizó para lixiviar cobre de suspensiones minerales. Los resultados de estas pruebas se muestran en las Figuras 5 y 6 adjuntas, en las que se representa en un gráfico el % de recuperación de cobre (CR, en %) frente al tiempo (T) en horas desde que se añadió oxígeno o aire a la mezcla.

En las Figuras 6 y 7,

\blacksquare se muestran los resultados del procedimiento conocido de lixiviación ácida, en la que se añade a la suspensión sulfato férrico, un intensificador de la oxidación, mientras se burbujea aire a través de la suspensión, y

\blacklozenge se muestran los resultados de la circulación en la suspensión del líquido sobresaturado, con el fin de proporcionar niveles de oxígeno de \sim 35 a 40 ppm en la suspensión, en lugar de burbujear el aire a través de la misma y sin la adición de sulfato férrico.

En las pruebas de la Figura 6, la sobresaturación incrementó la extracción de cobre en el 27% y redujo el consumo de ácido en el 40%.

En las pruebas mostradas en la Figura 7, la sobresaturación incrementó la extracción de cobre en el 25% y redujo el consumo de ácido en el 50%.

Los resultados de las pruebas proporcionan alguna indicación de las ventajas significativas de la presente invención sobre procedimientos conocidos de mezcla de oxígeno y agua. Una gran parte del coste de funcionamiento de cualquier proceso de oxigenación es el consumo de electricidad requerido para transferir el oxígeno al agua, y ello también es un excelente indicador de rendimiento. El consumo de energía normalmente se expresa en términos de eficiencia estándar de aireación (SAE) y las unidades en las que se expresa son libras de oxígeno utilizadas por hora por caballo de potencia (hp) aplicado y éstas son las unidades utilizadas en la comparación siguiente con un módulo de tipo III con caudales de líquido de 5 a 6 litros por minutos y una presión inferior a 20 psi.

Modo de transferencia de oxígeno	SAE (# O_{2}/h/hp)
Convencional mecánica
Agitación/aireación superficial	\sim 1,0
Difusores convencionales de microburbujas*	\sim 2,0 a 2,5
Presente invención	14 a 18
*Fuente: Aquatic \textamp Co. Systems, Orlando, Florida, USA.

Debe indicarse también que en el caso de los difusores convencionales de burbujas, una regla general (obtenida de Aquatic & Co. Systems) es que únicamente el \sim 1% de todo el oxígeno utilizado resulta absorbido por cada pie de profundidad de tanque. Ello significa que en un tanque de 10 pies, el 90% del oxígeno utilizado escapa a la atmósfera, y si se utiliza oxígeno puro, ello implicará un incremento significativo del coste. En comparación, la presente invención no se enfrenta a este problema debido a que quedan microporciones de oxígeno en el agua durante periodos muy prolongados de tiempo, de hecho el periodo es suficientemente largo para que cualquier pérdida a la atmósfera sea despreciable en, por ejemplo, los procesos en los que se consume oxígeno.

En otras formas de realización de la presente invención, la trama de una estructura de malla abierta está comprendida de fibras huecas microporosas.

Preferentemente la línea de entrada 6 de líquido (Figura 2) presenta un codo redondeado 48 que conduce al interior de la carcasa 2 y la línea de salida de mezcla de gas/líquido 8 presenta un codo redondeado 50 de salida desde el interior de la carcasa 2.

Otros gases que pueden utilizarse en la presente invención son, por ejemplo, SO_{2}, O_{3}, N_{2}, CH_{4}, CO_{2}, C_{2}H_{6}, C_{2}H_{4}, C_{3}H_{8}, F_{2} y Cl.

Otros líquidos que pueden utilizarse en la presente invención son, por ejemplo, cualquier ácido, base o hidrocarburo repelido por el material de membrana.

A título de ejemplo adicional, los presentes inventores han demostrado que el método de acuerdo con la invención se aplica a la infusión de otros gases en líquidos compatibles. La compatibilidad incluye el grado de solubilidad del gas en el líquido y que el líquido es repelente respecto al material de membrana.

Por ejemplo, al utilizar el dispositivo del tipo descrito anteriormente para la infusión de dióxido de carbono en agua, se ha observado que el consumo de gas en el proceso de infusión, determinado por medio de un medidor de flujo de masa situado en la línea de entrada de gas inmediatamente antes del dispositivo de infusión, muestra que el consumo de gas es aproximadamente 100 veces superior al consumo cuando el gas que se infusiona es oxígeno. Ello es consistente con la solubilidad teórica del dióxido de carbono en agua respecto al oxígeno y la ley de Henry. De esta manera, los expertos en la materia apreciarán que el método según la invención puede extrapolarse a otros gases solubles en agua. Ello también indicaría, por ejemplo, que el método descrito en la presente memoria presenta utilidad en áreas tales como el control del pH.

Además, cuando se sitúa un dispositivo tal como el descrito en la presente memoria en el fondo de una columna de agua y se infusiona con dióxido de azufre hasta una presión ligeramente inferior a la presión hidrostática de la columna, y cuando el suministro de dióxido de azufre al dispositivo seguidamente se interrumpe, la presión de la línea de gas cae, indicando que el dióxido de azufre está siendo absorbido por el agua. La presión continuará cayendo y se aproximará al vacío absoluto si la cantidad de agua en la columna resulta suficiente. Ello también es consistente con la teoría descrita anteriormente, debido a que el dióxido de azufre es extremadamente soluble en agua. De acuerdo con ello, los gases disueltos como SO_{2} y NO_{x} etcétera, pueden desempeñar un papel significativo, por ejemplo en aplicaciones de lixiviado de minerales.

Claims

1. Método de mezcla de un gas con un líquido, caracterizado por los pasos de:

i): la presión del gas no exceda la presión del líquido, y

ii): el líquido no pase a través de los microporos de la membrana,

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque la membrana microporosa (10) presenta la forma de una pluralidad de fibras huecas microporosas similares (27) y el gas se pasa por las fibras huecas mientras que el líquido se pasa sobre las caras externas repelentes a los líquidos (12) de las fibras huecas.

3. Método según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la membrana presenta una porosidad de por lo menos el 10%.

4. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la mezcla de gas/líquido en el recipiente receptor (24) se congela con el fin de incrementar el tiempo de retención de las porciones microscópicas discretas del gas en el líquido.

5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la presión de gas es por lo menos 0,07 Kg/cm^{2} inferior a la del líquido.

6. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el gas es oxígeno y el líquido es agua.

7. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el gas es CO_{2} y el líquido es agua.

8. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el gas es SO_{2} y el líquido es agua.

9. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque: se proporciona una línea de salida de gas (5) desde la carcasa (2); la membrana microporosa (10) presenta la forma de una pluralidad de fibras huecas microporosas (27) similares reunidas en un haz dentro de la carcasa; un primer medio de soporte (31) se encuentra en un extremo del haz y sella dicho extremo del haz con los extremos abiertos de las fibras en dicho extremo del haz, los cuales comunican con una línea de entrada de gas (4); un segundo medio de soporte (32) se encuentra en el otro extremo del haz y sella dicho extremo del haz con los extremos abiertos de las fibras en dicho extremo del haz, los cuales comunican con la línea de salida de gas (5); y una línea de entrada de líquido (6) y una línea de salida de mezcla de gas/líquido (8) en caras opuestas de la carcasa para que el líquido fluya sustancialmente a través de la totalidad de la superficie externa de las fibras.

10. Método según la reivindicación 9, caracterizado porque el haz de fibras (27) comprende la urdimbre de una estructura tejida de malla abierta y se proporcionan fibras sólidas repelentes del agua (26) que forman la trama y la estructura de malla abierta se enrolla para formar el haz.