ES2256164T3 - Un metodo y aparato para el aislamiento de especies ionicas a partir de un liquido. - Google Patents
Un metodo y aparato para el aislamiento de especies ionicas a partir de un liquido.Info
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- B01D61/44—Ion-selective electrodialysis
- B01D61/445—Ion-selective electrodialysis with bipolar membranes; Water splitting
Abstract
Un aparato para transferir especies iónicas desde un primer líquido hasta un segundo líquido, que comprende: - al menos dos membranas de intercambio catiónico (CEM) o bien, membranas de intercambio aniónico (AEM), que definen al menos una primera cámara para el primer líquido entre ellas, - al menos otras dos cámaras para el segundo líquido, hallándose cada una de las otras cámaras ubicadas adyacentes a la citada al menos una cámara, - un juego de membranas terminales, - un medio para aplicar un campo eléctrico sobre las membranas.
Description
Un método y aparato para el aislamiento de
especies iónicas a partir de un líquido.
La presente invención se refiere a un método para
el aislamiento de especies iónicas a partir de un líquido, y a un
aparato para aislar especies iónicas de un líquido. Por otro lado,
la invención se refiere a una celda de electrodiálisis
intensificada y al uso de la celda en el método y el aparato.
El aislamiento de especies iónicas a partir de
líquidos es un procedimiento industrial muy importante, que se usa
dentro de campos técnicos muy amplios; por ejemplo, desde la
refinación de metales hasta la purificación del ácido láctico
partiendo de un líquido fermentado.
Se ha investigado e introducido un gran número de
procedimientos y aparatos para mejorar los procesos de aislamiento
de las especies iónicas a partir de los líquidos. Entre dichos
procedimientos y aparatos se encuentran: la filtración, con
ultrafiltros y nanofiltros; el intercambio de iones, con
intercambiadores iónicos; y la electrodiálisis, con celdas de
electrodiálisis.
La solicitud de patente japonesa Núm. 63335032
describe un aparato desalador. El aparato consiste en un aparato de
diálisis Donnan, para desalar una solución, y un aparato de
electrodiálisis para reproducir y volver a utilizar una solución
ácida o alcalina en el proceso de desalado. El aparato no es
adecuado para desalar partículas que contengan líquido.
El documento de patente de los Estados Unidos con
el número 5745920 describe un procedimiento para purificar las
aguas residuales de un tambo. El procedimiento comprende, en primer
lugar, tratar las aguas residuales con una base. Las aguas
residuales tratadas se introducen luego en un tanque de
fermentación, donde se fermenta la lactosa presente en las aguas
residuales para formar un caldo y ácido láctico. El caldo se sujeta
a purificación por intercambio de iones y nanofiltración, y el
caldo purificado luego se somete a electrodiálisis bipolar, para
proporcionar soluciones básicas y ácidas concentradas, a partir del
caldo purificado. El procedimiento de acuerdo con el documento de
patente de los Estados Unidos es complejo y costoso de implementar,
además de existir una pérdida sustancial del producto durante la
filtración. Por otro lado, el procedimiento está diseñado para
aislar especies iónicas específicas.
La solicitud de patente japonesa número JP7232038
describe un método para recuperar álcali en una alta concentración,
a partir de un líquido que contiene álcali, utilizando una
combinación de diálisis de difusión que emplea membranas de
intercambio catiónico y electrodiálisis bipolar. No se toma ninguna
medida para prevenir la suciedad de las membranas de intercambio
iónico en la celda de difusión por los líquidos que contienen
material proteico, por ejemplo, el caldo de fermentación. Debido a
la bajísima fuerza motriz reinante en toda la membrana de
intercambio catiónico en la celda de diálisis de difusión, sólo
puede obtenerse un flujo muy limitado.
La solicitud de patente japonesa con el número
JP63291608 describe un sistema para regenerar líquidos residuales
ácidos, utilizando una combinación de diálisis de difusión, que
emplea membranas de intercambio aniónico y electrodiálisis bipolar.
El flujo que se encuentra en la celda de difusión es bajo. Sin
embargo, las impurezas tales como iones calcio y magnesio evitarían
el uso de electrodiálisis bipolar debido al hecho de que las
membranas bipolares se dañan o destruyen en presencia de cantidades
de iones calcio o magnesio, por pequeñas que éstas fueran.
El documento de patente alemana con el número DE
19700044 C1 describe un método para la obtención de productos
ácidos y alcalinos por electrodiálisis monopolar, seguida por
electrodiálisis bipolar. La electrodiálisis monopolar no puede
eliminar selectivamente ni los cationes ni los aniones de un
líquido, de modo que es imposible eliminar el ácido láctico sin
eliminar, por ejemplo, el calcio, lo cual causaría problemas en la
electrodiálisis bipolar. La electrodiálisis monopolar convencional
es proclive a la formación de suciedad, por acción del material
biológico, proteínas, etc.
El documento de patente de los Estados Unidos con
el número 3.870.613 describe un método para la recuperación de
sales a partir de la leche o los productos lácteos. En este método,
se emplean membranas de intercambio catiónico, una membrana de
intercambio iónico y electrodos para transportar sales a un segundo
disolvente. La polaridad de los electrodos se invierte
periódicamente para limpiar la membrana.
El documento de patente de los Estados Unidos con
el número 3.776.530 describe un aparato para eliminar los cationes
de los depósitos cálcicos del agua corriente. En el aparato, se usan
membranas de intercambio catiónico para facilitar el transporte. La
polaridad de los electrodos se cambia intermitentemente.
El objeto de la invención es el de proporcionar
un método y un aparato que posibilite la transferencia de cationes
o aniones a un estrato permeable, aun cuando se invierta la
dirección del campo eléctrico.
Otro objeto de la invención consiste en proveer
un método y un aparato para aislar las especies iónicas, siendo
dicho método y aparato simples y económicos y capaces de
proporcionar una alta productividad.
Otro objeto de la invención consiste en proveer
un método y un aparato para aislar especies iónicas, pudiendo
utilizarse dicho método y aparato para aislar especies iónicas en
líquidos que contengan sólidos y partículas. La invención resulta
de particular utilidad para separar especies iónicas de líquidos que
contengan partículas de material orgánico y iones metálicos
inorgánicos multivalentes.
Por otra parte, constituye un objeto de la
invención proporcionar un método y un aparato para aislar especies
iónicas, siendo dicho método y aparato de utilidad para aislar
especies iónicas en un líquido que contenga material orgánico.
La presente invención cumple estos objetos,
conforme se define en las reivindicaciones.
El término especies iónicas significa que las
especies se encuentran en un estado iónico. Por ejemplo, cuando el
cloruro de sodio, NaCl, se disuelve en agua, se disocia en los iones
Na^{+} (catión) y Cl^{-} (anión). Como los iones tienen una
pequeña carga eléctrica, es posible desplazarlos por un campo
eléctrico.
La invención provee un método y un aparato para
separar las especies iónicas de un líquido. Mediante el uso de la
invención, es posible separar las especies iónicas de los líquidos
que están altamente contaminados, por ejemplo, con partículas. La
separación se puede llevar a cabo sin la necesidad de recurrir a una
etapa de filtración, y es posible obtener una alta
productividad.
El método de acuerdo con la invención para la
transferencia de especies iónicas desde un primer líquido hasta un
segundo líquido comprende las etapas de:
- pasar un primer líquido a través de al menos
una primera cámara, definida por un par de membranas de intercambio
catiónico o bien, membranas de intercambio aniónico,
- pasar un segundo líquido que tiene un
componente iónico en una concentración mayor que la concentración
del mismo componente en el primer líquido, a través de al menos
otras dos cámaras, hallándose cada una de las cámaras adicionales
ubicadas adyacentes a al menos una primera cámara,
- aplicar un campo eléctrico por encima de las
membranas, por medio de al menos dos electrodos, ubicados en dos
extremos opuestos,
- usar una membrana final, ubicada entre un
electrodo y otra membrana.
El primer líquido puede proveerse a la celda de
electrodiálisis intensificada desde un tanque de almacenamiento. En
una celda de diálisis, las especies iónicas se transfieren hacia un
segundo líquido, cuyo valor de pH es diferente del valor de pH que
presenta el primer líquido. La diferencia entre los valores de pH
provoca una diferencia en la concentración de H^{+} y OH^{-} en
el primer y en el segundo líquidos. La diferencia de concentración
entre el primer y el segundo líquidos estará representada por las
fuerzas motrices en la celda de electrodiálisis intensificada. La
diferencia en la concentración causará un flujo de iones H^{+} o
OH^{-} desde el segundo líquido hacia el primer líquido, formando
así una diferencia de potencial eléctrico o un potencial de
difusión, que hará que o bien los cationes (M^{+}) o bien los
aniones (X^{-}) de las especies iónicas sean transportados desde
el primer líquido hacia el segundo líquido, a través de membranas
de intercambio catiónico o membranas aniónicas, respectivamente. Si
las especies iónicas son cationes, el segundo líquido será ácido en
comparación con el primer líquido y viceversa, si las especies
iónicas son aniones. Este procedimiento se ha intensificado
mediante la celda de electrodiálisis intensificada de acuerdo con la
invención, en la que las fuerzas motrices se han mejorado por el
uso de un campo eléctrico. La celda de electrodiálisis
intensificada se describirá de un modo más detallado a
continuación.
Después el tratamiento en la celda de
electrodiálisis intensificada, el segundo líquido puede tratarse en
una celda de electrodiálisis bipolar. En la celda de electrodiálisis
bipolar, las especies iónicas estarán concentradas. Si las especies
iónicas son cationes, el tercer líquido será básico en comparación
con el segundo líquido y viceversa, si las especies iónicas son
aniones. La fuerza motriz presente en la celda de electrodiálisis
bipolar es una diferencia en el potencial eléctrico, causada por una
corriente directa constante a través de la celda.
Por supuesto que las membranas, el ácido, las
bases y el pH se pueden seleccionar según las especies iónicas a
separar. Esta selección puede realizarla la persona idónea.
Cuando las especies iónicas se separan y se
concentran en el tercer líquido, por supuesto que se pueden separar
del tercer líquido, por ejemplo, para obtener un producto seco o
sustancialmente seco.
El método de acuerdo con la invención comprende
la característica de aplicar un campo eléctrico de corriente
directa a través de la celda de electrodiálisis intensificada,
durante el tratamiento del primer líquido. De esta manera, la
diferencia de potencial eléctrico o potencial de difusión se
acrecienta y así, aumenta la cantidad de especies iónicas que se
transfieren al segundo líquido desde el primer líquido.
Para mejorar los resultados de la celda, se
prefiere cambiar la dirección del campo eléctrico durante el
tratamiento del primer líquido. La dirección del campo eléctrico se
cambia, preferiblemente, cambiando la dirección de la corriente
directa. Al cambiar la dirección del campo eléctrico es posible
conferir un efecto "autolimpiante" a las membranas utilizadas
en la celda de electrodiálisis intensificada y evitar la suciedad de
las membranas durante el tratamiento del primer líquido. Cuando se
aplica un campo eléctrico de corriente directa a la celda, las
partículas que tienen carga eléctrica son impulsadas desde el primer
líquido hacia las superficies de las membranas de la celda. Aquí,
las partículas forman una capa y después de un tiempo causan
suciedad, lo cual inutiliza las membranas. Si el campo eléctrico se
invierte antes de que las partículas causen suciedad, las
partículas son impulsadas hacia atrás, desde las membranas hacia el
primer líquido y las membranas se limpian.
En una forma de realización de acuerdo con la
invención, el campo eléctrico se puede cambiar a intervalos
sustancialmente regulares y predeterminados, hallándose
preferiblemente los citados intervalos dentro del intervalo de
entre 5 segundos y 6000 segundos, más preferiblemente dentro del
intervalo de entre 8 y 1000 segundos y, más preferiblemente
todavía, dentro del intervalo de entre 10 segundos y 360 segundos.
Más específicamente, los intervalos se determinan por la naturaleza
del primer líquido y la cantidad y la naturaleza de las partículas
presentes en el mismo.
En una forma de realización preferida del método
de acuerdo con la invención, para aislar especies iónicas
almacenadas en un primer tanque, el método comprende las etapas
de:
- tratar el primer líquido en una celda de
electrodiálisis mejorada, para transferir las especies iónicas
desde el primer líquido hacia un segundo líquido y, opcionalmente,
almacenar dicho segundo líquido en un segundo tanque;
- tratar el segundo líquido en una celda de
electrodiálisis bipolar, para transferir las especies iónicas desde
el segundo líquido hacia un tercer líquido y, opcionalmente,
almacenar el tercer líquido en un tercer tanque.
Mediante la utilización de un primer, un segundo
y un tercer tanques para almacenar el primer líquido, el segundo
líquido y el tercer líquido, respectivamente, es posible obtener un
mejor control sobre los procedimientos y optimizar el tratamiento
de los líquidos en la celda de electrodiálisis intensificada y la
celda de electrodiálisis bipolar. Durante el tratamiento, los
tanques sirven de depósito y/o tabiques divisores para el líquido
tratado o el líquido a tratar.
Se prefiere que al menos una parte del primer
líquido se recicle hacia el primer tanque después del tratamiento
en la celda de electrodiálisis intensificada. El líquido se puede
reciclar por cañerías, por ejemplo, provistas de una bomba y,
opcionalmente, una purga por la cual se puede eliminar y/o
reemplazar una parte del primer líquido tratado, por el primer
líquido no tratado.
Por otro lado, se prefiere que al menos una parte
del segundo líquido se recicle hacia la celda de electrodiálisis
intensificada, después de haber sido tratado en la celda de
electrodiálisis bipolar. El líquido se puede reciclar por cañerías,
por ejemplo, provistas de una bomba y, opcionalmente, una purga por
la cual se puede eliminar y/o reemplazar una parte del segundo
líquido tratado.
Asimismo, se prefiere que al menos una parte del
tercer líquido se recicle desde el tercer tanque hacia la celda de
electrodiálisis bipolar. El tercer líquido puede reciclarse
directamente desde la celda de electrodiálisis bipolar o desde el
tercer tanque. Al reciclar el tercer líquido, las especies iónicas
se concentrarán en el líquido. Es posible lograr concentraciones
muy elevadas en el tercer líquido. La concentración puede ser un
factor 5 ó 10 más alto que en los métodos conocidos para la
separación de especies iónicas a partir de un líquido. Tal como en
los circuitos de reciclaje anteriormente mencionados, es posible
usar cañerías, bombas y una purga.
En una forma de realización preferida del método
de acuerdo con la invención, el método comprende, además, la etapa
de tratar el tercer líquido en una celda de electrodiálisis para
eliminar los iones no deseados, por ejemplo, puede resultar
inconveniente la presencia de iones inorgánicos cuando uno está
separando el ion de las especies orgánicas de un líquido.
En una forma de realización preferida del método
de acuerdo con la invención, el método comprende, asimismo, la
etapa de evaporación y/o cristalización y/o tratamiento
cromatográfico del tercer líquido, para separar las especies
iónicas del tercer líquido. Utilizando esta forma de realización del
método, es posible lograr un producto final muy puro.
En una forma de realización preferida del método,
la especie iónica comprende aniones de ácidos inorgánicos, ácidos
orgánicos, enzimas, péptidos, hormonas, antibióticos o aminoácidos.
Además, la especie iónica comprende cationes de bases inorgánicas,
bases orgánicas, enzimas, péptidos, hormonas, antibióticos o
aminoácidos. Por lo tanto, el método resulta útil para una amplia
variedad de formas de líquidos que contienen especies iónicas. El
método, por ejemplo, se puede utilizar para separar especies iónicas
de corrientes provenientes del ataque químico de metales y del
procesamiento de alimentos, incluso el caldo de fermentación
obtenido de la fermentación de jugo de pasturas, usando cepas de
bacterias Lactobacillus, corrientes residuales del ataque químico de
metales con ácido láctico y corrientes residuales de la producción
de aceite de cítricos.
Preferiblemente, las especies iónicas separadas
de acuerdo con la invención tienen un peso molar de hasta
aproximadamente 1000 g/mol.
La invención también se refiere al uso del método
de acuerdo con la invención para aislar especies iónicas a partir
de un líquido.
La invención también comprende un aparato para
aislar especies iónicas de un primer líquido, aparato que
comprende:
- una celda de electrodiálisis intensificada,
para transferir las especies iónicas desde el primer líquido hacia
un segundo líquido,
- una celda de electrodiálisis bipolar, para
transferir las especies iónicas desde el segundo líquido hacia un
tercer líquido,
- opcionalmente, métodos para separar las
especies iónicas del tercer líquido.
El aparato de acuerdo con la invención tiene
propiedades excelentes con respecto a separar las especies iónicas
de un líquido. Se puede lograr una muy alta productividad en
comparación con los aparatos conocidos. La función de la celda de
electrodiálisis intensificada y la celda de electrodiálisis bipolar
es tal como se explicó previamente en la solicitud.
En una forma de realización preferida del
aparato, la celda de electrodiálisis intensificada comprende medios
para aplicar un campo eléctrico de corriente directa. El campo
eléctrico intensifica la diferencia del potencial eléctrico en la
celda y, de esta manera, aumenta la cantidad de especies iónicas que
se pueden transferir desde el primer líquido hacia el segundo
líquido.
En una forma de realización más preferida del
aparato de acuerdo con la invención, la celda de electrodiálisis
intensificada comprende un medio para cambiar la dirección del campo
eléctrico; preferiblemente, medios para cambiar la dirección de la
corriente directa. Los medios pueden estar en forma de interruptores
eléctricos, rectificadores, relés y similares. Al cambiar la
dirección de la corriente directa, se establece un efecto
"autolimpiante" de las membranas.
Para obtener el mejor efecto "autolimpiante"
posible, el campo eléctrico se puede cambiar a intervalos
sustancialmente regulares y predeterminados, hallándose los citados
intervalos preferiblemente dentro del intervalo de entre 5 segundos
y 6000 segundos, más preferiblemente dentro del intervalo de entre 8
y 1000 segundos y, más preferiblemente todavía, dentro del
intervalo de 10 segundos a 360 segundos. El intervalo específico
depende del líquido del que se quiere separar las especies iónicas.
El idóneo en la técnica puede determinar el intervalo específico
que resulta de utilidad para un líquido específico, como un
procedimiento de rutina.
En una forma de realización preferida, el aparato
de acuerdo con la invención comprende un primer tanque para el
primer líquido. Preferiblemente, el primer tanque se coloca antes de
la celda de electrodiálisis intensificada. Por otra parte, el
aparato comprende, preferiblemente, un segundo tanque para el
segundo líquido. Este segundo tanque se coloca, preferiblemente,
después de la celda de electrodiálisis intensificada.
Además, el aparato comprende, preferiblemente un
tercer tanque para el tercer líquido. El tercer tanque se coloca,
preferiblemente después de la celda de electrodiálisis bipolar.
En esta forma de realización específicamente
preferida de la invención, el primer, el segundo y el tercer
tanques sirven como depósito y/o tabique de separación para el
primer líquido, el segundo líquido y el tercer líquido,
respectivamente.
En otra forma de realización preferida del
aparato de acuerdo con la invención, el aparato comprende medios
para hacer recircular al menos una parte del primer líquido, desde
la celda de electrodiálisis intensificada hasta el primer
tanque.
Por otra parte, el aparato comprende,
preferiblemente medios para hacer recircular al menos una parte del
segundo líquido hacia la celda de electrodiálisis intensificada
después del tratamiento en la celda de electrodiálisis bipolar.
Además, el aparato comprende, preferiblemente,
medios para hacer recircular al menos una parte del tercer líquido,
desde el tercer tanque hacia la celda de electrodiálisis
bipolar.
Los medios para hacer recircular los líquidos
normalmente son cañerías, que pueden estar dotadas de bombas y,
opcionalmente, de purgas para retirar/reemplazar el líquido.
En una forma de realización preferida del aparato
de acuerdo con la invención, el medio para aplicar un campo
eléctrico de corriente directa se encuentra en forma de electrodos,
ubicados en dos extremos opuestos en la celda de electrodiálisis
intensificada. Los electrodos pueden ser de cualquier tipo conocido
y tener cualquier forma deseada para tal propósito.
En una forma de realización particularmente
preferida del aparato de acuerdo con la invención, la celda de
electrodiálisis intensificada está constituida por dos o más
electrodos, ubicados en dos extremos opuestos, con membranas de
intercambio catiónico (CEM, Cation Exchange Membrane) y/o
membranas de intercambio aniónico (AEM, Anion Exchange
Membrane), ubicadas entre medio.
La celda de electrodiálisis intensificada
normalmente tiene la forma de una caja, con un elemento de base y
otro superior paralelos, dos elementos laterales paralelos y dos
elementos terminales. Las membranas se colocan en la celda con la
superficie de la membrana paralela a los elementos terminales de la
celda.
En una forma de realización más preferida del
aparato, la celda de electrodiálisis intensificada está constituida
por dos electrodos, ubicados en dos extremos opuestos y con dos
membranas terminales, situadas junto a cada uno de los dos
electrodos, donde las membranas terminales se enfrentan una a la
otra, y tienen membranas de intercambio catiónico (CEM) y/o
membranas de intercambio aniónico (AEM) ubicadas entre medio. Las
membranas terminales y las membranas de intercambio catiónico (CEM)
y/o las membranas de intercambio aniónico (AEM) forman cámaras
adyacentes por toda la celda de electrodiálisis intensificada.
Preferiblemente las membranas terminales son
membranas neutras y/o membranas de intercambio catiónico y/o
membranas de intercambio aniónico. El objetivo de las membranas
terminales es sustancialmente el de prevenir el contacto entre los
electrodos y el líquido contaminado, por ejemplo, un primer
líquido.
Cuando el aparato se usa para separar las
especies catiónicas de un líquido, se prefiere usar membranas de
intercambio catiónico en la celda de electrodiálisis
intensificada.
Cuando el aparato se usa para separar especies
aniónicas a partir de un líquido, se prefiere usar membranas de
intercambio aniónico en la celda de electrodiálisis
intensificada.
Las membranas forman cámaras adyacentes por toda
la celda, en una dirección paralela con respecto a las superficies
de los elementos laterales de la celda. Las superficies de las
membranas son perpendiculares a esta dirección. Las cámaras
adyacentes, preferiblemente, se adaptan en forma alternada, para
recibir al primer y al segundo líquido. Los líquidos se introducen
en la celda, de la manera conocida, utilizando tubos, cañerías,
válvulas, etc.
En una de las formas de realización más simples
del aparato de acuerdo con la invención, la celda de electrodiálisis
intensificada está constituida por al menos dos membranas de
intercambio aniónico o al menos dos membranas de intercambio
catiónico que, con las membranas terminales, forman una cámara
central para el primer líquido y una cámara a cada lado de la
cámara central para el segundo líquido.
En una forma de realización preferida del aparato
de acuerdo con la invención, un número par de membranas de
intercambio aniónico o un número par de membranas de intercambio
catiónico forman un número impar de cámaras entre las dos membranas
terminales y con ellas, hallándose estas cámaras adaptadas en forma
alternada, para recibir el primer y el segundo líquido, de manera
tal que las dos cámaras constituidas por una membrana terminal y
una membrana de intercambio aniónico o una membrana de intercambio
catiónico se adapten para recibir al segundo líquido. Al organizar
las membranas de tal modo, es posible optimizar la productividad de
la celda. La cantidad de membranas en la celda puede ascender a
varios centenares, todas ellas dispuestas en paralelo unas respecto
de las otras y opcionalmente, con juntas espaciadoras entre medio,
que constituyen las cámaras adyacentes.
Cuando el aparato de acuerdo con la invención se
prepara para separar especies catiónicas, preferiblemente la celda
de electrodiálisis intensificada para separar especies catiónicas
tiene membranas de intercambio catiónico ubicadas entre las
membranas terminales.
Cuando el aparato de acuerdo con la invención se
prepara para separar especies aniónicas, preferiblemente la celda
de electrodiálisis intensificada para separar especies aniónicas
tiene membranas de intercambio aniónico ubicadas entre las
membranas terminales.
En una forma de realización preferida, el aparato
comprende, asimismo, una celda de electrodiálisis adaptada para
eliminar los iones no deseados del tercer líquido, preferiblemente,
la celda de electrodiálisis se coloca después de la celda de
electrodiálisis bipolar.
En otra forma de realización preferida del
aparato de acuerdo con la invención, el aparato comprende, además,
medios para evaporar y/o cristalizar y/o para el tratamiento
cromatográfico del tercer líquido. Por lo tanto, es posible obtener
un producto final seco y/o puro mediante el uso del aparato.
La invención también se refiere al uso de un
aparato de acuerdo con la invención, en el método de acuerdo con la
invención.
Además la invención se refiere al uso del aparato
de acuerdo con la invención para aislar especies iónicas a partir
de un líquido.
La invención comprende también una celda de
electrodiálisis intensificada en la que la celda de diálisis está
mejorada con un campo eléctrico.
Preferiblemente la celda de electrodiálisis
intensificada se intensifica con un campo eléctrico de corriente
directa.
En una forma de realización preferida de la celda
de electrodiálisis intensificada de acuerdo con la invención, la
celda de electrodiálisis intensificada comprende medios para cambiar
la dirección del campo eléctrico y, preferiblemente, medios para
cambiar la dirección de la corriente directa. Los medios para
cambiar la dirección del campo eléctrico pueden ser interruptores
eléctricos, rectificadores, relés y similares. Al cambiar la
dirección del campo eléctrico, puede lograrse un efecto
"autolimpiante" de la celda, tal como se ha explicado
anteriormente.
Preferiblemente el campo eléctrico se puede
cambiar a intervalos sustancialmente regulares y predeterminados;
preferiblemente dichos intervalos se encuentran dentro del intervalo
comprendido entre 5 segundos y 6000 segundos, más preferiblemente,
dentro del intervalo de entre 8 y 1000 segundos y, más
preferiblemente todavía, dentro del intervalo de entre 10 segundos
y 360 segundos. Así, es posible ajustar la celda para que presente
el efecto "autolimpiante" óptimo.
En una forma de realización preferida, en la
celda de electrodiálisis intensificada, el campo eléctrico se
aplica a través de electrodos que se colocan en dos extremos
opuestos en la celda de electrodiálisis intensificada.
Preferiblemente, la celda de electrodiálisis
intensificada está constituida por electrodos ubicados en dos
extremos opuestos, con membranas de intercambio catiónico (CEM) y/o
membranas de intercambio aniónico (AEM) ubicadas entre ellos.
Cuando la celda se usa para la separación de especies catiónicas, se
prefiere usar membranas de intercambio catiónico. Cuando la celda
se usa para la separación de especies aniónicas, se prefiere usar
membranas de intercambio aniónico.
En una forma de realización preferida de la celda
de electrodiálisis intensificada, la celda de electrodiálisis
intensificada está constituida por electrodos ubicados en dos
extremos opuestos, con dos membranas terminales situadas junto a
cada uno de los dos electrodos; dichas membranas terminales se
enfrentan entre sí y tienen membranas de intercambio catiónico
(CEM) y/o membranas de intercambio aniónico (AEM) ubicadas entre
ellas.
Se prefiere que las membranas terminales sean
membranas neutras y/o membranas de intercambio catiónico y/o
membranas de intercambio aniónico. El objetivo de las membranas
terminales es el de prevenir el contacto entre los electrodos y el
líquido contaminado.
Por otra parte, se prefiere que en la celda de
electrodiálisis intensificada de acuerdo con la invención, las
membranas terminales y las membranas de intercambio catiónico (CEM)
y/o las membranas de intercambio iónico formen cámaras adyacentes;
las cámaras adyacentes están adaptadas para recibir a un primer y a
un segundo líquido, preferiblemente, en forma alternada.
Cuando la celda de electrodiálisis intensificada
se prepara para separar especies catiónicas, se prefiere que la
celda de electrodiálisis intensificada tenga un primer y un segundo
electrodo, donde el primer electrodo se coloca en un primer
elemento terminal en la celda de electrodiálisis intensificada y el
segundo electrodo se coloca en un segundo elemento terminal de la
celda de electrodiálisis intensificada. El primer y el segundo
elementos terminales están enfrentados entre sí. La celda de
electrodiálisis intensificada tiene, además, una primera y una
segunda membrana de intercambio aniónico, donde la primera membrana
de intercambio aniónico está ubicada junto al primer electrodo y la
segunda membrana de intercambio aniónico está ubicada junto al
segundo electrodo. La primera y la segunda membranas de intercambio
aniónico están enfrentadas entre sí y al menos dos membranas de
intercambio catiónico están ubicadas entre la primera y la segunda
membrana de intercambio aniónico, con una distancia tal desde las
membranas de intercambio aniónico y entre sí como para proveer
cámaras adyacentes entre las membranas adyacentes. Cuando la celda
se usa para separar especies aniónicas, la ubicación de la membrana
de intercambio catiónico y la membrana de intercambio aniónico se
invierte.
La invención se refiere al uso de la celda de
electrodiálisis intensificada de acuerdo con la invención, en el
método de acuerdo con la invención.
Por otra parte, la invención se refiere al uso de
una celda de electrodiálisis intensificada, de acuerdo con la
invención en el aparato de acuerdo con la invención.
La invención se describirá ahora en forma más
detallada con ejemplos y referencia a un dibujo, donde:
La Fig. 1 muestra una celda de electrodiálisis
intensificada de acuerdo con la invención, adaptada para separar
las especies aniónicas.
La Fig. 2 muestra una celda de electrodiálisis
bipolar, adaptada para separar especies aniónicas para usar junto
con el aparato de acuerdo con la invención.
La Fig. 3 muestra un diagrama del aparato y
método de acuerdo con una forma de realización de la invención.
La Fig. 4 muestra una configuración de una celda
de electrodiálisis intensificada, de acuerdo con la invención.
La Fig. 5 muestra la concentración de ácido
láctico en una corriente de alimentación y la solución alcalina.
La Fig. 6 muestra la caída de potencial en un par
de celdas de electrodiálisis intensificadas.
La Fig. 7 muestra la caída de potencial en un par
de celdas de electrodiálisis intensificadas.
La Fig. 8 muestra una configuración de una celda
de electrodiálisis bipolar acuerdo con la invención.
La Fig. 9 muestra el transporte de lactato desde
una corriente de alimentación hacia una corriente mixta, ácida y
básica.
La Fig. 10 muestra el pH y la conductividad, así
como también, la eficiencia de la corriente y el consumo de energía
en una corriente de alimentación.
La Fig. 11 muestra los perfiles de concentración
de ácido cítrico y málico.
La Fig. 12 muestra la conductividad, el pH y la
resistencia de la celda en una celda.
La Fig. 13 muestra la concentración de
glicina.
La Fig. 14 muestra la corriente a través de la
pila.
La Fig. 15 muestra la concentración de
lisina.
Ejemplo
1
La Figura 1 muestra un dibujo esquemático de una
celda de electrodiálisis intensificada de acuerdo con la invención.
La celda tiene dos electrodos E1 y E2, ubicados en las cámaras para
los electrodos EC1 y EC2, que se encuentran en extremos opuestos de
la celda. Las cámaras para los electrodos están separadas de la
parte central de la celda por dos membranas terminales, que en este
caso son dos membranas de intercambio catiónico, CEM. Las dos
membranas terminales tienen cuatro membranas de intercambio
aniónico, AEM, ubicadas entre ellas. Así, las dos membranas
terminales y las cuatro membranas de intercambio aniónico forman
así, cinco cámaras adyacentes, C1, C2, C3, C4 y C5.
Con esta configuración, la celda está adaptada
para separar los aniones X^{-} de un líquido L1. El líquido L1 es
dirigido hacia las cámaras C2 y C4 de la celda. El segundo líquido,
L2, que es una base cuando los aniones se separan, es conducido
hacia las cámaras C1, C3 y C5 de la celda. La diferencia en el
potencial eléctrico entre los dos líquidos se incrementa mediante
una corriente directa aplicada por los electrodos E1 y E2.
Cuando la situación es tal como se ilustra en la
Fig. 1, donde E1 es el electrodo positivo, los aniones X^{-} se
mueven en la dirección de E1 y pasan a través de membranas de
intercambio aniónico, desde el líquido L1 presente en las cámaras
C2 y C3, hasta el líquido L2 presente en las cámaras C1 y C3, tal
como se indica mediante las flechas. Los aniones X^{-} de L1 se
reemplazan por iones hidróxido OH^{-} provenientes de L2.
Cuando la dirección de la corriente directa se
invierte, los aniones X^{-} se desplazan en la dirección de E2,
desde el líquido L1 presente en las cámaras C2 y C4, a través de las
membranas de intercambio aniónico, hacia el líquido L2, en las
cámaras C3 y C5. Por otro lado, si las membranas de intercambio
aniónico se han cubierto con partículas, las membranas de
intercambio aniónico se limpiarán, dado que se hace que las
partículas se aparten de membrana y como iones hidróxido, penetren
en la membrana y disuelvan la capa de suciedad.
Tal como se evidencia en la Figura 1, cuando el
segundo líquido L2 está circulando en las cámaras sobre ambos lados
de las mismas, si el primer líquido L1 está circulando, el segundo
líquido, L2, siempre recibirá aniones X^{-} desde el primer
líquido L1, independientemente de la dirección del campo
eléctrico.
La Figura 2 muestra un dibujo esquemático de la
celda de electrodiálisis bipolar usada para volver a tratar el
segundo líquido L2 proveniente de la celda de electrodiálisis
intensificada. La celda de electrodiálisis bipolar tiene un
electrodo en cada extremo: un electrodo positivo E+ en el primer
extremo y un electrodo negativo E- en el segundo extremo de la
celda. Entre los electrodos, desde E+ hasta E- se sitúan,
repetidamente, primero una membrana bipolar BM, una membrana de
intercambio aniónico, AEM, y una membrana de intercambio catiónico,
CEM. La pila de membranas forma las cámaras adyacentes C11, C12,
C13, C14, C15 y C16 y remata con una membrana bipolar antes del
electrodo E-.
En el caso en que la celda de electrodiálisis
bipolar se use para separar aniones, al segundo líquido L2 -que es
básico en comparación con el tercer líquido L3- primero se lo hace
pasar por las cámaras C12 y C15, entre una membrana de intercambio
aniónico AEM y una membrana de intercambio catiónico, CEM. De
acuerdo con la invención, el segundo líquido L2 se vuelve a hacer
pasar por las cámaras C13 y C16 entre una membrana de intercambio
catiónico y una membrana bipolar. Con posterioridad, el segundo
líquido se hace reciclar hacia la celda de electrodiálisis
intensificada.
El tercer líquido L3 -que es ácido en comparación
con el segundo líquido L2- se envía a través de las cámaras C11 y
C14, entre una membrana bipolar y una membrana de intercambio
aniónico.
Debido a la corriente eléctrica directa constante
a través de la celda, los iones (X^{-}, M^{+}, OH^{-} y
H^{+}) son atraídos en direcciones transversales respecto de la
pila de membranas, tal como se indica mediante las flechas. Los
aniones X^{-}, junto con los iones hidrógeno H^{+}, están
concentrados en el tercer líquido, en las cámaras C11 y C14.
Resulta evidente que en caso de que la celda de
electrodiálisis bipolar se emplee para separar cationes del segundo
líquido L2, el segundo líquido se enviará a través de las cámaras
C12 y C15, entre una membrana de intercambio aniónico y una
membrana de intercambio catiónico y después, a través de las cámaras
C21 y C14, entre una membrana de intercambio aniónico y una bipolar
membrana.
La Figura 3a muestra un cuadro de flujo del
método de acuerdo con la invención. El primer tanque T1 contiene el
primer líquido L1, que se introduce en la celda de electrodiálisis
intensificada, EEC, donde se lo trata. Después, el primer líquido
se recicla hacia el tanque T1. En la celda de electrodiálisis
intensificada EEC, las especies iónicas se transfieren desde el
primer líquido L1, hacia el segundo líquido L2. Después del
tratamiento en la celda de electrodiálisis intensificada, EEC, el
segundo líquido L2 se guarda primero en un tanque T2, antes de ser
tratado en la celda de electrodiálisis bipolar EDBM. Después del
tratamiento en la celda de electrodiálisis bipolar EDBM, el segundo
líquido L2 se recicla hacia la celda de electrodiálisis
intensificada EEC. El tercer líquido L3 se trata en la celda de
electrodiálisis bipolar EDBM, donde el tercer líquido L3 recibe a
las especies iónicas desde el segundo líquido L2. Luego del
tratamiento en la celda de electrodiálisis bipolar EDBM, el tercer
líquido L3 se almacena en el tanque T3 y se recicla a través de la
celda de electrodiálisis bipolar, hasta que se obtiene una
concentración satisfactoria de las especies iónicas en el tercer
líquido L3.
En el procedimiento se prefiere, por ejemplo,
usar tres tanques paralelos para el almacenamiento del tercer
líquido L3, desde la celda de electrodiálisis bipolar EDBM. Durante
el procedimiento, un tanque T3 está abierto para recibir al tercer
líquido L3 y reciclarlo hacia la celda de electrodiálisis bipolar
EDBM. El tercer líquido L3 presente en los dos tanques se somete
opcionalmente a los procedimientos que se muestran en las Figuras
3b y 3c.
La Figura 3b es un cuadro de flujo que muestra el
procedimiento de tratar al tercer líquido L3 en una celda de
electrodiálisis ED, a fin de eliminar los iones no deseados que
luego se transfieren a un quinto líquido L5 y que se almacenan en
un quinto tanque T6.
La Figura 3c es un cuadro de flujo que muestra el
procedimiento de evaporar el tercer líquido L3 en un evaporador EV,
para obtener un líquido concentrado que se almacena en el tanque
T7.
Ejemplo
2
Descripción de una extracción experimental, a
través de una celda de electrodiálisis intensificada de acuerdo con
la invención.
En la celda de electrodiálisis intensificada, la
pila de celdas estaba configurada con cuatro membranas de
intercambio aniónico 1 (Neosepta AMX, Tokuyama Corp., Japón) y dos
membranas de intercambio catiónico 2 (Neosepta CMH, Tokuyama Corp.,
Japón), tal como se muestra en la Figura 4. La superficie efectiva
de la membrana era de 40 cm^{2}.
En las dos cámaras terminales 3, entre los
electrodos de platino 6 y 7 (cada uno de ellos, de 31,5 cm^{2}) y
cada membrana de intercambio catiónico, se mantuvo un flujo de
solución de enjuague de electrodos en las cámaras terminales. La
solución era una solución acuosa de K_{2}SO_{4} 0,1 M.
A través de las cámaras 4, se bombearon 250 ml de
una solución alcalina acuosa de KOH (pH 12,5) 0,5 M, desde un
recipiente de almacenamiento, al cual la solución retornaba después
de cada pasada. El caudal volumétrico era de 10 g/s. El espesor de
las cámaras 4 entre las membranas era de 6 mm. Se introdujeron
espaciadores de red para promover el flujo turbulento.
A través de las cámaras 5, se hicieron pasar 250
ml de la solución de alimentación, que era jugo marrón fermentado
de una producción de pelets de pasturas, con aproximadamente 16 g/l
de ácido láctico, desde un recipiente de almacenamiento. La
solución de alimentación tratada volvía a introducirse en el
recipiente después de cada pasada. La solución fermentada se había
ajustado inicialmente a un valor de pH de 5,5, mediante la adición
de pelets de KOH. No se había hecho ninguna otra cosa con el caldo.
El caudal volumétrico era de 10 g/s. El espesor de las cámaras 5
era de 12 mm. No se introdujeron espaciadores en estas cámaras.
Cada cámara 4 y 5 tenía una trayectoria de flujo
de 10 cm de longitud y 4 cm de ancho.
La temperatura de las soluciones para el enjuague
de electrodos, alcalinas y fermentadas se mantuvo constante a 40
grados Celsius durante el experimento.
En el transcurso del experimento, el pH se midió
continuamente en la solución fermentada y se mantuvo constante como
pH 5,5, por valoración de más solución fermentada (pH 2), con una
elevada concentración de ácido láctico (70 g/l).
En medio de cada una de las cámaras 5, se colocó
un electrodo de plata/cloruro de plata, de manera que la caída de
tensión en todo el par de celdas pudiera medirse constantemente por
recolección de datos (Fluke 123 - Industrial Scopemeter, Fluke
Corporation, USA).
Cuando se inició el experimento, el enjuague de
electrodos, el caldo fermentado y la solución alcalina se bombearon
a través de la celda. Se añadió corriente directa por toda la celda,
mediante una fuente de alimentación (EA-PS
3032-10 (0..32 V/0..10 A),
EA-Elektro-Automatik, Alemania) que
regula la potencia para sostener una corriente constante de 1,0 A.
Una computadora personal IBM controlaba un relé, cambiando la
dirección de la corriente eléctrica cada 10 segundos.
Se tomaron muestras del caldo de fermentación y
de la solución alcalina cada 30 minutos. Se observaron el pH y la
conductividad y el contenido láctico se midió por HPLC, usando una
columna AMINEX HPX-87H (Biorad, USA), a 35 grados
Celsius, mediante el empleo de ácido sulfúrico 4 mM como
eluyente.
Transcurridas 4 horas, la solución alcalina se
reemplazó por una solución fresca y el experimento continuó.
La Figura 5 muestra el perfil de concentración de
ácido láctico en las soluciones de alimentación y alcalina durante
un experimento de ocho horas de duración. En el jugo marrón
fermentado, la concentración inicial de ácido láctico de 16 g/l
asciende durante el experimento, porque el pH se regula por
valoración de la solución de fermentación que tiene un mayor
contenido de ácido láctico. La solución alcalina se reemplazó
después de cuatro horas, para imitar el proceso de regeneración en
el procedimiento con la EDBM.
Se halló que el flujo de lactato era de
1,2·10^{-4} mol/m^{2}s durante las primeras cuatro horas y de
1,7·10^{-4} mol/m^{2}s durante las siguientes cuatro horas.
Parte de este incremento podría originarse por la concentración en
aumento del lactato en el material de alimentación.
Las Figuras 6 y 7 muestran la caída del potencial
en todo un par de celdas, al comenzar y al terminar la primera
pasada de cuatro horas, respectivamente. Los intervalos de 10
segundos fueron evidentes, dado que la dirección de la corriente
cambia entre las caídas positiva y negativa del potencial. Al
comienzo de cada intervalo, las dos Figuras muestran una caída
inicial casi constante, que en la Figura 6 aumenta levemente y en la
Figura 7 aumenta sensiblemente durante los 10 segundos. Estos
incrementos se relacionan con el aumento de la resistencia
eléctrica, en parte por la polarización iónica, pero también por la
acumulación de materia orgánica sobre la superficie de la membrana
en la cámara de alimentación.
Especialmente, la Figura 7 muestra que la
suciedad orgánica puede eliminarse cambiando la dirección de la
corriente eléctrica. La inversión no elimina la materia orgánica por
completo, dado que fue evidente el incremento en la resistencia
inicial de la celda desde aproximadamente 1,5 Ohm a 2 Ohm durante el
experimento.
La divergencia entre la forma de caída positiva y
negativa del potencial en la Figura 7 debe derivar de diferentes
condiciones de flujo en las dos cámaras de alimentación en el equipo
de laboratorio.
Ejemplo
3
La celda de electrodiálisis intensificada se
configuró igual que en el Ejemplo 1, pero la membrana de intercambio
aniónico AMX se reemplazó por una membrana de intercambio aniónico
monoselectiva (Neosepta ACS, Tokuyama Corp., Japón).
Se hicieron circular 500 ml de jugo marrón en las
cámaras de alimentación y el pH se mantuvo constante a 5,5, por
valoración del ácido láctico. En las cámaras de base, se hicieron
pasar 500 ml de KOH 0,5 M y 500 ml de K_{2}SO_{4} 0,1 M se
usaron como solución de enjuague de los electrodos.
Las muestras se tomaron a los 0, 60 y 120 minutos
de las corrientes de alimentación y básica, y los contenidos de
calcio y magnesio se determinaron por espectroscopía de absorción
atómica (AAS, Atom Absorption Spectroscopy).
| Tiempo | Alimentación de [Ca^{2+}] | Base de [Ca^{2+}] | Alimentación de [Mg^{2+}] | Base de [Mg^{2+}] |
| (min) | (mg/l) | (mg/l) | (mg/l) | (mg/l) |
| 0 | 667 | 0,15 | 394 | 0,01 |
| 60 | 737 | 0,09 | 425 | 0,01 |
| 120 | 705 | 0,13 | 403 | 0,02 |
Por estos resultados, es evidente que los
cationes divalentes se retienen lo suficiente como para no ser
perjudiciales en el siguiente procedimiento con EDBM, que por lo
general requiere que dichas concentraciones sean inferiores a 2
ppm.
El uso de una membrana de intercambio aniónico
monoselectiva en este experimento no afecta la retención de los
cationes de un modo significativo, pero sí mejora la retención de
los aniones divalentes, tales como sulfato y fosfato.
Ejemplo
4
En los experimentos con la celda de
electrodiálisis bipolar, la celda se equipó con tres membranas
bipolares, 8 en la Figura 8 (Neosepta BP-1,
Tokuyama Corp., Japón), dos membranas de intercambio aniónico 1
(Neosepta AMX, Tokuyama Corp., Japón) y dos membranas de
intercambio catiónico 2 (Neosepta CMH, Tokuyama Corp., Japón), tal
como se muestra en la Figura 8.
En las dos cámaras terminales 3, entre los
electrodos de platino 6 y 7 (cada uno de los cuales es de 31,5
cm^{2}) y un juego de membranas bipolares, se estableció un flujo
de solución de enjuague de electrodos. La solución de enjuague de
electrodos era una solución acuosa de K_{2}SO_{4} 0,1 M. A
través de las cámaras de alimentación 9, entre la membrana de
intercambio aniónico y la membrana de intercambio catiónico, se
hicieron circular 500 ml de una mezcla de KOH 0,5 M y ácido láctico
0,4 M hacia un recipiente. 1000 ml de una solución alcalina de KOH
0,1 M se hizo circular tanto hacia la cámara ácida 10, entre la
membrana bipolar y la membrana de intercambio de aniones, como
hacia la cámara básica 11, entre la membrana bipolar y la membrana
de intercambio de cationes. Las corrientes provenientes de las
cámaras ácida y básica 10 y 11 se mezclaron en un recipiente
después de cada pasada. El espesor de las cámaras 9, 10 y 11, entre
las membranas, era de 6 mm. Se introdujeron espaciadores de red
para promover un flujo turbulento.
La temperatura de las soluciones de enjuague de
electrodos, de alimentación y básica se mantuvo constante a 40
grados Celsius durante el experimento.
En las cámaras de alimentación 9, se colocaron
electrodos de plata/cloruro de plata de manera que cada caída de
tensión por un par de celdas pudiera medirse continuamente y que los
datos pudieran recogerse (Fluke 123 Industrial Scopemeter, Fluke
Corporation, USA). Las muestras del material de alimentación y la
solución alcalina se tomaron cada 30 minutos. Se observaron el pH y
la conductividad, se midió el contenido láctico por HPLC usando una
columna AMINEX HPX-87H (Biorad, USA) a 35 grados
Celsius, empleando un ácido sulfúrico 4 mM como eluyente.
La Figura 9 muestra el transporte de lactato
desde la corriente de alimentación hasta la corriente mixta, ácida
y básica, alcanzando una concentración de lactato de 0,8 g/l en la
corriente de alimentación después de 180 minutos, lo cual
corresponde a más del 97% de recuperación del ácido.
La Figura 10 muestra el pH y la conductividad en
la solución de alimentación durante el experimento, así como
también, la eficiencia de la corriente y el efecto correspondiente
sobre el consumo de energía. Es evidente que la reducción
significativa en la conductividad hacia el final del experimento
estaba causando un aumento en la resistencia celular y de este
modo, consumo de energía.
La eficiencia de la corriente superaba el 80%
durante gran parte del experimento, salvo por el comienzo y la
parte final. La baja eficiencia en la fase final probablemente se
origina por la polarización, lo cual conduce a un hendimiento
ineficaz del agua en las membranas monopolares.
Ejemplo
5
Se llevó a cabo otro experimento con una celda de
electrodiálisis bipolar, exactamente como en el ejemplo 4, salvo
que la mezcla de alimentación de 500 ml estaba compuesta por KOH 0,5
M, ácido cítrico 0,1 M (0,3 N) y ácido málico 0,05 M (0,1 N).
El contenido ácido de las muestras se midió por
HPLC igual que antes.
La Figura 11 muestra los perfiles de
concentración del ácido cítrico y málico en la solución de
alimentación y en la mixta ácida/básica.
Por la Figura 11 es evidente que la mayoría del
ácido cítrico y málico se extrajo de la solución de alimentación.
La recuperación tanto del ácido cítrico como del málico fue mayor
que el 97%.
Sin embargo, la recuperación de al menos
5-10% de los ácidos orgánicos es muy costosa, tal
como puede observarse en la Figura 12. A medida que el pH y la
conductividad en el material de alimentación se reducen, la
resistencia de la celda y por ende, el consumo de energía aumentan
drásticamente.
Ejemplo
6
La pila de celdas de electrodiálisis
intensificadas se configuró igual que en el Ejemplo 1, pero con 4
membranas de intercambio catiónico (Neosepta CNB, Tokuyama Corp.,
Japón), en reemplazo de las membranas de intercambio aniónico y
membranas (Neosepta AMX Tokuyama Corp., Japón) en reemplazo de las
membranas intercambio catiónico.
250 ml de solución acuosa de glicina 0,2 M, que
es un aminoácido, con pK_{COOH} = 2,34, pK_{NH3+} = 9,60 y pI =
5,97 se hicieron circular hacia las cámaras de alimentación. En las
cámaras del dializado, se hicieron circular 1750 ml de
H_{2}SO_{4} 0,1 M y 500 ml de Na_{2}SO_{4} 0,1 M se usaron
como solución de enjuague de electrodos. La concentración de
glicina se determinó usando HPLC. Los líquidos se hicieron circular
durante 5 minutos antes de iniciar el experimento. Se omitió la
inversión de la corriente, dado que la corriente de alimentación no
contenía material capaz de causar suciedad de las membranas.
La Figura 13 muestra la concentración de glicina
en el material de alimentación y el dializado durante el
experimento. Al comienzo del experimento, la glicina se transporta
desde la corriente de alimentación hasta la corriente de dializado,
a una velocidad relativamente baja, porque el pH de partida es
cercano al punto isoeléctrico del aminoácido. No se permitió que la
caída de tensión en el par de celdas superase los 14 V, lo cual
resultó en que la corriente comenzase muy baja y lentamente fuera
aumentado, a medida que bajaba el pH y la conductividad se
incrementaba en el material de alimentación, véase la Figura 14.
Dentro de los 180 minutos, el 84% de la glicina se elimina del
material de alimentación con una eficiencia de la corriente del
58%.
Ejemplo
7
La pila de celdas de electrodiálisis
intensificadas se configuró como en el ejemplo 5.
250 ml de una solución acuosa que consistía en 50
g/l de levadura de cerveza y lisina 0,2 M, que en condiciones
experimentales era un aminoácido de carga positiva, se hicieron
circular en las cámaras de alimentación. En las cámaras de
dializado, se hicieron circular 1750 ml de H_{2}SO_{4} 0,1 M y
se usaron 500 ml de Na_{2}SO_{4} 0,1 M como solución de
enjuague de electrodos. Los Líquidos se hicieron circular durante 5
minutos antes de iniciar el experimento.
Se añadió corriente directa por la celda mediante
una fuente de alimentación (EA-PS
9072-040 (0..72V/0..40A),
EA-Elektro-Automatik, Alemania) que
regulaba la potencia para mantener una corriente constante de 1,0 A.
La concentración de lisina se determina usando HPLC.
Sin invertir la corriente, el experimento tuvo
que terminar, dado que la caída de tensión en un solo par de celdas
aumentó de 10V a 30V durante los primeros 8 minutos, para mantener
una corriente de 1 A (25 mA/cm^{2}).
Cuando el experimento se repitió con un tiempo de
inversión de corriente de 300 segundos, fue posible mantener la
caída de tensión promedio en un par de celdas en aproximadamente 15
V. La Figura 15 muestra la concentración de lisina en el material
de alimentación y el dializado durante el experimento. Durante los
primeros 60 minutos del experimento la concentración de lisina en
el material de alimentación se redujo en un 30% a una eficiencia de
corriente del 24%.
Claims (47)
1. Un aparato para transferir especies iónicas
desde un primer líquido hasta un segundo líquido, que comprende:
- al menos dos membranas de intercambio catiónico
(CEM) o bien, membranas de intercambio aniónico (AEM), que definen
al menos una primera cámara para el primer líquido entre ellas,
- al menos otras dos cámaras para el segundo
líquido, hallándose cada una de las otras cámaras ubicadas
adyacentes a la citada al menos una cámara,
- un juego de membranas terminales,
- un medio para aplicar un campo eléctrico sobre
las membranas.
2. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que dicho medio para aplicar un campo eléctrico se encuentra
en forma de al menos dos electrodos, ubicados en dos extremos
opuestos.
3. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1
ó 2, en el que las otras cámaras están ubicadas entre dicha primera
cámara y otra membrana.
4. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 3,
en el que dicha otra membrana es una membrana neutra, una membrana
de intercambio aniónico o una membrana de intercambio catiónico.
5. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que un electrodo está ubicado adyacente a una membrana
terminal.
6. Un aparato de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 5, donde las membranas terminales se
seleccionan de un grupo que consiste en membranas neutras, membranas
de intercambio catiónico y membranas de intercambio aniónico.
7. Un aparato de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 6, el cual comprende un número par de de
membranas catiónicas o membranas aniónicas.
8. Un aparato de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 7 que comprende una pluralidad de una
primera cámara y otras cámaras que se alternan entre sí.
9. Un aparato de acuerdo con, una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 8, que comprende, además, medios para
proporcionar un enjuague de electrodos a las cámaras que comprenden
un electrodo.
10. Un aparato de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 9, que comprende, asimismo, medios para
cambiar la dirección del campo eléctrico.
11. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
10, que comprende medios para cambiar la dirección del campo
eléctrico a intervalos sustancialmente regulares y
predeterminados.
12. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
11, en el que los citados intervalos se encuentran dentro del
intervalo comprendido entre 5 segundos y 6000 segundos.
13. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
12, en el que dichos intervalos se encuentran dentro del intervalo
de 8 segundos a 1000 segundos.
14. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
13, en el que dichos intervalos se encuentran dentro del intervalo
de 10 segundos a 360 segundos.
15. Un aparato de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 14, que comprende, además, medios para
tratar el segundo líquido en un celda de electrodiálisis bipolar,
para transferir las especies iónicas desde el segundo líquido hacia
un tercer líquido.
16. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
15, que comprende medios para separar las especies iónicas del
tercer líquido.
17. Un aparato de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 16, que comprende medios para almacenar y
recircular al menos uno de los citados líquidos.
18. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
17, en el que dichos medios para almacenar y recircular son tanques
y bombas.
19. Un aparato de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 16 a 18, en el que el aparato comprende una
celda de electrodiálisis, adaptada para eliminar los iones no
deseados del tercer líquido.
20. Un aparato de acuerdo con la reivindicación
19, en el que dicha celda de electrodiálisis se coloca abajo
respecto de dicha celda de electrodiálisis bipolar.
21. Un aparato de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 12 a 17, que comprende medios para evaporar
y/o cristalizar y/o tratar cromatográficamente el tercer
líquido.
22. Un método para transferir especies iónicas
desde un primer líquido a un segundo líquido, el cual comprende las
etapas de:
- pasar un primer líquido a través de al menos
una primera cámara, definida por un par de membranas de intercambio
catiónico o bien, membranas de intercambio aniónico,
- pasar un segundo líquido que tiene un
componente iónico en una concentración mayor que la concentración
del mismo componente en el primer líquido, a través de al menos
otras dos cámaras, hallándose cada una de estas otras cámaras
situadas adyacentes a al menos una primera cámara,
- aplicar un campo eléctrico sobre las membranas
por medio de al menos dos electrodos, ubicados en dos extremos
opuestos,
- usar una membrana terminal ubicada entre el
electrodo y otra membrana.
23. Un método de acuerdo con la reivindicación
22, en el que el componente iónico del segundo líquido es H^{+} o
bien, OH^{-}.
24. Un método de acuerdo con la reivindicación 22
ó 23, en el que los líquidos se hacen pasar a través de unas
cámaras definidas por membranas, donde dichas cámaras se adaptan en
forma alternada para recibir ya sea el primero o el segundo
líquido.
25. Un método de acuerdo con la reivindicación
24, que comprende el uso de membranas terminales seleccionadas del
grupo que consiste en membranas neutras, membranas catiónicas y
membranas aniónicas.
26. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 22 a 25, en el que se aplica un enjuague de
electrodos a la cámara de electrodos.
27. Un método de acuerdo con la reivindicación
26, en el que el enjuague de electrodos es un líquido separado.
28. Un método de acuerdo con la reivindicación
27, en el que el líquido separado es una solución de
electrólitos.
29. Un método de acuerdo con la reivindicación
28, en el que los electrólitos se seleccionan entre K_{2}SO_{4}
y Na_{2}SO_{4}.
30. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 22 a 28, en el que la dirección del campo
eléctrico se modifica durante la transferencia de especies
iónicas.
31. Un método de acuerdo con la reivindicación
30, en el que el campo eléctrico se cambia a intervalos
sustancialmente regulares y predeterminados.
32. Un método de acuerdo con la reivindicación
31, en el que los intervalos se encuentran dentro del intervalo
comprendido entre 5 segundos y 6000 segundos.
33. Un método de acuerdo con la reivindicación
32, en el que los intervalos se encuentran dentro del intervalo
comprendido entre 8 segundos y 1000 segundos.
34. Un método de acuerdo con la reivindicación
33, en el que los intervalos se encuentran dentro del intervalo que
varía de 10 segundos a 360 segundos.
35. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 22 a 34, en el que las especies iónicas comprenden
aniones.
36. Un método de acuerdo con la reivindicación
35, en el que los aniones se seleccionan de un grupo que comprende
aniones de ácidos inorgánicos, ácidos orgánicos, enzimas, péptidos,
hormonas, antibióticos o aminoácidos.
37. Un método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 22 a 36, en el que las especies iónicas tienen un
peso molar de hasta 1000 g/mol.
38. Un método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 22 a 37, en el que dicho segundo líquido se
trata en una celda de electrodiálisis bipolar para transferir las
especies iónicas desde el segundo líquido hacia un tercer
líquido.
39. Un método de acuerdo con la reivindicación
38, en el que las especies iónicas se separan de dicho tercer
líquido.
40. Un método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 22 a 39, en el que dicho primer líquido se
almacena en un primer tanque, antes de hacerlo pasar a través de la
primera cámara.
41. Un método de acuerdo con la reivindicación
40, en el que al menos una parte de dicho primer líquido se recicla
hacia dicho primer tanque.
42. Un método de acuerdo con la reivindicación 22
a 41, en el que dicho segundo líquido se almacena en un segundo
tanque, después de hacerlo pasar a través de dichas otras
cámaras.
43. Un método de acuerdo con la reivindicación
42, en el que al menos parte de dicho segundo líquido se recicla
hacia las otras cámaras, después de ser tratado en la celda de
electrodiálisis bipolar.
44. Un método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 38-43, en el que dicho tercer
líquido se almacena en un tercer tanque después de ser descargado
desde dicha celda de electrodiálisis bipolar.
45. Un método de acuerdo con la reivindicación
44, en el que al menos parte de dicho tercer líquido se recicla
desde el tercer líquido hacia la celda de electrodiálisis
bipolar.
46. Un método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 38 a 45, método que comprende la etapa de
tratar el tercer líquido en una celda de electrodiálisis para
eliminar los iones no deseados.
47. Un método de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 38 a 45, método que comprende la etapa de
evaporar y/o cristalizar y/o tratar cromatográficamente dicho tercer
líquido para separar las especies iónicas del tercer líquido.
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