ES2257763T3 - Aparato de electrodialisis. - Google Patents
Aparato de electrodialisis.Info
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Abstract
UNA JUNTA PARA UNA CELULA DE ENSAMBLADO DE ELECTRODIALISIS QUE POSEE UNA SERIE DE VIAS DE FLUJO QUE COMPRENDEN DIVERSAS SECCIONES DE VIAS DE FLUJO UNIDAS POR SECCIONES LIMITANTES. CADA UNA DE LAS SECCIONES DE VIAS DE FLUJO TIENEN UNA ANCHURA RELATIVAMENTE AMPLIA. EL LIMITADOR TIENE UNA ANCHURA MENOR DE MODO QUE UN LIQUIDO QUE FLUYA POR LAS SERIES DE VIAS DE FLUJO DEBE AUMENTAR SU VELOCIDAD DURANTE SU PASO A TRAVES DEL LIMITADOR. EL RESULTADO ES QUE EL LIQUIDO QUE SALE DEL LIMITADOR PRODUCE TURBULENCIA Y AGITACION EN LAS SECCIONES DE LAS VIAS DE FLUJO. EN LOS EXTREMOS OPUESTOS DE LAS SERIES DE VIAS DE FLUJO EXISTEN MULTIPLES ORIFICIOS. UN PUERTO RIGIDO ESTA SITUADO ENTRE CADA UNO DE LOS MULTIPLES ORIFICIOS Y LOS EXTREMOS DE LAS SERIES DE VIAS DE FLUJO. LAS SUCESIVAS CELULAS DE ENSAMBLADO ESTAN DEFINIDAS POR UN PAR DE MEMBRANAS BIPOLARES CON MEMBRANAS DE INTERCAMBIO CATIONICO Y/O ANIONICO ENTRE ELLAS. UNA DE LAS JUNTAS ESTA SITUADA ENTRE CADA DOS DE LAS MEMBRANAS.
Description
Aparato de electrodiálisis.
La presente invención se refiere a un aparato de
electrodiálisis y a las juntas utilizadas en el mismo y, más
específicamente, a un aparato de electrodiálisis que esencialmente
no tiene fugas intercompartimentales ni externas, que funciona a
densidades de corriente significativas, a niveles elevados de
conversión/recuperación de sal, y a caídas de presión bajas, a la
vez que reducen las necesidades de bombeo para la recirculación y
múltiples etapas.
La presente invención es adecuada para la
utilización en aparatos de electrodiálisis ("ED"), con
membranas de intercambio iónico monopolares o bipolares,
especialmente adecuados para la producción de ácidos, bases y sales
concentradas a partir de corrientes salinas diluidas utilizando una
fuerza impulsora de corriente continua. Dicho aparato utiliza
membranas de intercambio iónico para separar, concentrar o
transformar iones que están presentes habitualmente en soluciones
acuosas. El proceso de electrodiálisis está impulsado por una
fuerza de corriente continua.
Numerosas publicaciones y patentes describen la
tecnología de membrana y los componentes utilizados para construir
el equipo utilizado en el proceso. De estas publicaciones, las que
se consideran más informativas son:
- U.S. Department of Energy Report en
"Membrane Separation Systems-A research needs
Assessment" ("Sistemas de separación de membranas:
evaluación de la necesidad de investigación"), Capítulo 8 en
Electrodialysis, Abril de 1990.
DOE/ER/30133-HI.
- "Handbook of Industrial Membrane
Technology" ("Manual de tecnología de membranas
industriales"), Ed. por M.C. Porter. Capítulo 8, Noyes
Publications, 1990.
- "Electrodialysis Water Splitting
Technology" ("Tecnología de separación para la
electrodiálisis del agua") de K.N. Mani; J. Membrane
Sci., (1991), 58, 117-138.
- Las Patentes de Estados Unidos 5.240.579;
4.871.431; 4.863.596; 4.786.393; 4.737.260; 4.707.240; 4.569.747;
4.319.978; 4.303.493; 4.226.688; 4.172.779; 4.067.794; 3.993.517;
3.985.636; 3.878.086; y 3.679.059.
Un depósito de electrodiálisis contiene un
electrodo anódico y un electrodo catódico en sus dos extremos para
proporcionar una entrada de corriente. Montados entre éstos hay una
serie de membranas y separadores (juntas) fijados juntos en
contacto cara a cara, como en un filtro prensa de placas. Con el fin
de asegurar una fiabilidad de la unidad a largo plazo, las cámaras
electródicas pueden estar aisladas hidráulicamente de la unidad
principal de procesado mediante la utilización de un conjunto de
membranas y circuitos de fluidos separados.
En una planta comercial, la unidad principal de
procesado comprende un gran número de celdas unitarias, tales como
50-250, por ejemplo. Cada una de estas celdas
unitarias comprende membranas de intercambio iónico y compartimentos
de solución. Cada compartimento de solución está contenido en el
interior de una junta, que puede estar fabricada de un material
plástico, tal como polietileno y que puede tener, aproximadamente,
0,5-5 mm de grosor. Estas juntas separan las
membranas y proporcionan un sellado adecuado en los lados y en otras
áreas, según sea necesario. Las juntas también proporcionan un
soporte para las membranas adyacentes y permiten que un fluido entre
y salga del compartimento de solución.
Cada una de las membranas contiene orificios
colectores realizados en las juntas y "puertos" que se
extienden desde los orificios colectores hasta los compartimentos
de solución en la junta. Los agujeros colectores y las membranas de
un depósito de electrodiálisis están alineados para formar caminos
de paso que permiten que la corriente individual de proceso se
distribuya dentro y fuera de los compartimentos individuales de
solución a través de los puertos.
Las celdas unitarias en un depósito de
electrodiálisis pueden ser de diferentes tipos y tamaños. Por
ejemplo, empezando en el extremo del ánodo para la celda, un primer
tipo de celda unitaria comprende una membrana catiónica, un
compartimento de dilución o alimentación, una membrana aniónica y un
compartimento de concentrado o producto. Estos componentes forman
una unidad que se utiliza en la desalación de soluciones de salmuera
y en la recuperación y producción de sales. Dicha unidad se
denomina "celda de electrodiálisis estándar de concentración o
desalación".
Un segundo tipo de celda unitaria comprende una
membrana bipolar, un compartimento de alimentación o de sal/ácido,
en el que, una alimentación, tal como una sal sódica o un ácido
orgánico, se acidifica mediante los iones H^{+} generados
mediante la membrana bipolar, una membrana catiónica que transporta
el catión sodio, y un compartimento de base o producto en el que el
catión sodio se combina con los iones OH^{-} generados mediante
la membrana bipolar para formar un hidróxido sódico (base). Dicha
celda unitaria se denomina "celda catiónica de dos
compartimentos".
Un tercer tipo de celda unitaria comprende una
membrana bipolar, un compartimento de producto o ácido, una
membrana aniónica y un compartimento de alimentación o de sal/base.
Dicha unidad se denomina "celda aniónica de dos
compartimentos" y se puede utilizar para basificar una solución
de sal de amonio para generar un producto ácido y una solución de
base rica en amoníaco.
Todavía otro tipo de celda unitaria comprende un
compartimento de alimentación o de sal, una membrana catiónica, un
compartimento de base, una membrana bipolar, un compartimento de
ácido y una membrana aniónica. Dicha unidad se denomina "celda
bipolar de tres compartimentos" y se puede utilizar para
transformar una sal, tal como cloruro sódico, en hidróxido sódico y
ácido clorhídrico.
También se conocen celdas unitarias que contienen
más de tres membranas y tres compartimentos. Excluyendo los bucles
de lavado de electrodo, una celda de dos compartimentos puede tratar
dos corrientes del proceso mientras que una celda de tres
compartimentos puede tratar tres corrientes del proceso, etc. Cuando
una corriente continua pasa a través del área central
("activa") de un depósito de electrodiálisis, los iones
contenidos en una solución migran en la dirección de la corriente.
Los cationes atraviesan la membrana catiónica y se mueven hacia el
cátodo o electrodo negativo, mientras que los aniones se mueven a
través de la membrana aniónica hacia el ánodo o electrodo positivo.
Si se utiliza una membrana bipolar en el depósito de electrodiálisis
con el lado catiónico opuesto al cátodo, la corriente continua de
entrada acelera la disociación de agua en la interfase de la
membrana. Como resultado, los iones hidrógeno (H^{+}) e hidroxilo
(OH^{-}) se concentran en los lados catódico y aniónico,
respectivamente. Dependiendo de la configuración de la celda y el
proceso utilizado, el resultado final es una concentración de una
sal a partir de una corriente diluida o una corriente de sal
agotada o es una transformación de una sal en sus componentes ácida
y
básica.
básica.
Aunque las eficacias de las membranas de
intercambio iónico específicas que se utilizan y el pretratamiento
adecuado de la corriente de alimentación (por ejemplo, ajuste del
pH, filtración, etc.) son importantes para un funcionamiento
satisfactorio de un proceso de electrodiálisis, un aspecto
igualmente importante es el flujo y distribución de los fluidos en
el interior de la junta o separador.
Comercialmente, los dos diseños mayoritarios de
electrodiálisis de uso habitual se denominan de "flujo laminar"
y "flujo turbulento".
Asahi Glass, Tokuyama Soda, y Aqualytics, una
división de Graver Water, venden algunos ejemplos de separadores de
flujo laminar. El área activa es de, habitualmente, un
50-85% o superior del área total de la junta para
maximizar la utilización de la membrana. Esta área activa está
abierta para el flujo de fluido y eléctrico. La propia membrana
está soportada por un material de "malla" no tejido que tiene,
aproximadamente, el mismo grosor total que la junta. La malla
también distribuye el fluido en el área activa. Para asegurar
adicionalmente una distribución uniforme del fluido
transversalmente a la longitud o la anchura del área activa, se
utilizan un conjunto de colectores y puertos de alimentación. En
estos depósitos convencionales, las consideraciones de la caída de
presión y la resistencia de membrana indican que la velocidad lineal
superficial del líquido se mantiene baja, habitualmente en el orden
de 5-10 cm/s.
La experiencia indica que la distribución de
fluidos sobre un área de sección transversal grande, como en muchos
depósitos comerciales que emplean el diseño de "flujo laminar",
puede ser un problema cuando el proceso funciona a densidades de
corriente eléctrica elevadas (> 50 mA/cm^{2}) o a
conductividades de corriente inferiores (< 20 mS/cm). Otros
problemas pueden tener lugar con el hinchamiento o arrugamiento de
la membrana, particularmente cuando hay cantidades traza
irregulares de sustancias precipitadas en la corriente de
alimentación. Además, la utilización habitual de colectores y
puertos múltiples alineados en un depósito de juntas aumenta las
fugas intercompartimentales.
Los problemas de deriva o fuga de corriente
eléctrica dan lugar a ineficiencias en el proceso que pueden
provocar un sobrecalentamiento o fusión de las juntas. Este
problema habitualmente limita a, aproximadamente, 100 el número de
celdas unitarias que se pueden utilizar de forma segura en serie,
sin requerir ningún tipo de estructura de interrupción de la
corriente eléctrica situada entre los electrodos en un depósito
comercial que funciona con soluciones altamente conductoras o a
densidades de corriente elevadas.
Los requerimientos de caudal global son elevados,
debido a la necesidad de mantener el requisito de velocidad lineal
sobre un área de sección transversal de flujo elevada. Esta
necesidad requiere a su vez la utilización de bombas y recipientes
de recirculación más grandes. Si son mecánicamente débiles (por
ejemplo, 20-45 psi de resistencia a la rotura), las
membranas de la técnica anterior no quedan bien sujetas en el área
activa grande. Éstas se pueden dañar o romper fácilmente durante un
funcionamiento prolongado debido a las variaciones de presión en
las corrientes de alimentación.
Ionics Inc. utiliza depósitos de electrodiálisis
que tienen diseños de electrodiálisis de flujo turbulento que
utilizan juntas que tienen un paso de flujo de líquido largo.
Individualmente, los canales de flujo de Ionics son bastante
estrechos (habitualmente 1-1,5 cm). Éstos hacen
varios giros de 180º entre los puertos de entrada y salida. Los
puertos de Ionics por sí mismos son simples ranuras formadas en las
juntas. Las membranas son estructuras mecánicamente rígidas para
evitar que se dañen y el consiguiente bloqueo de los puertos.
Para superar los problemas de polarización
asociados con las alimentaciones de baja conductividad, se utiliza
una velocidad de flujo lineal superior, habitualmente
30-50 cm/s. En dichos depósitos hay caídas de
presión elevadas (tan elevadas como 3-6 bar frente
a 0,5-2 bar para depósitos de flujo laminar). Por
consiguiente, las membranas convencionales para los depósitos de
flujo turbulento han sido gruesas y reforzadas mecánicamente.
Habitualmente, tienen una resistencia eléctrica elevada que conduce
a consumos de corriente elevados.
Los depósitos de flujo turbulento son adecuados
para aplicaciones de desalación que funcionan a una densidad de
corriente eléctrica baja (0,2-10 mA/cm^{2}). Para
las aplicaciones de producción de productos químicos, tales como la
conversión de cloruro sódico en sosa cáustica y ácido clorhídrico en
una celda de tres compartimentos que funciona a una densidad de
corriente elevada (30-200 mA/cm^{2}), la cantidad
de calor generado y los incrementos de temperatura resultantes son
inaceptables cuando se utilizan depósitos de flujo turbulento a
menos que las áreas activas del depósito sean pequeñas. Este límite
en el tamaño del área activa requiere a su vez la utilización de un
número elevado de depósitos en una planta comercial, con un coste de
mantenimiento elevado. Estos depósitos tienden a tener fugas
intercompartimentales ya que la membrana se hincha y agrieta.
Por lo tanto, según la presente invención, se
proporciona una junta para un depósito de electrodiálisis, tal como
se reivindica en la reivindicación 1. La junta inventiva tiene una
fuga intercompartimental despreciable, y en comparación con el
diseño de flujo laminar, proporciona velocidades de fluido más
elevadas a caídas de presión comparables, una conversión y
recuperación de producto más elevadas con una eficacia mejorada en
presencia de pequeñas cantidades de especies precipitables.
La presente invención permite la utilización de
membranas de intercambio iónico de eficacia superior, pero
mecánicamente más débiles, en comparación con el estado de la
técnica del diseño de membranas de flujo turbulento.
El diseño de junta mejorada se puede utilizar en
operaciones de electrodiálisis para la producción y recuperación de
productos químicos. El diseño de junta es particularmente adecuado
para su utilización en depósitos comerciales de gran tamaño.
En los dibujos que se adjuntan se muestran las
realizaciones preferidas de la presente invención, en los que:
la figura 1 es una vista de planta que muestra
una junta inventiva y un soporte de malla utilizado en una celda de
electrodiálisis de dos compartimentos con un área activa que
contiene secciones de restricción que unen secciones de flujo para
formar pasos de flujo de serpentín en serie;
la figura 2 muestra una junta inventiva para su
utilización en una celda de tres compartimentos;
la figura 2(a) muestra una junta inventiva
similar que tiene puertos acoplados a orificios colectores centrales
para una celda de tres compartimentos;
la figura 2(b) es una vista despiezada que
muestra dos juntas de la figura 2 y una junta de la figura
2(a) montadas para formar una celda de tres
compartimentos;
la figura 3 muestra una junta inventiva con
puertos adicionales situados entre las secciones de paso de flujo
para formar un paso de flujo de serpentín en serie;
la figura 4 muestra una junta inventiva que tiene
un área activa que contiene dos pasos de flujo en serie separados y
dos conjuntos separados de orificios colectores;
las figuras
5(a)-5(e) son vistas en perspectiva
que muestran algunos de los diseños de puertos inventivos que se
pueden utilizar en la junta inventiva para establecer la
comunicación del fluido entre los orificios colectores y un paso de
flujo en serie;
la figura 6 muestra un área activa con una junta
de dos compartimentos que tiene dos pasos de flujo separados en
serie que están conectados a colectores comunes;
la figura 7 muestra una junta que tiene un área
activa con dos compartimentos que tienen pasos de flujo de
serpentín en serie;
la figura 8 es una vista despiezada de un
depósito que utiliza las juntas inventivas que estarán sujetas en
una relación cara a cara;
la figura 9 es un dibujo esquemático que muestra
el esquema de una celda para una celda aniónica de dos
compartimentos;
la figura 10 es un diagrama de bloques que
muestra un sistema de electrodiálisis piloto para probar el depósito
de electrodiálisis inventivo; y
las figuras
11(a)-11(c) muestran algunos de los
posibles pasos de flujo para una junta de dos compartimentos.
Una junta y otros aparatos relacionados llevan a
cabo operaciones de electrodiálisis para la recuperación o
conversión de productos químicos. El área central de la junta está
separada en 2 a 8 secciones múltiples de pasos de flujo que tienen
una anchura sustancialmente idéntica. En los puntos de giro, las
secciones de los pasos de flujo están conectadas entre sí mediante
restrictores de flujo, formando habitualmente vueltas de 90º ó 180º
para proporcionar un paso de flujo de serpentín en serie. Las
secciones individuales de los pasos de flujo están separadas entre
sí mediante "refuerzos" de material de junta del orden de
0,5-5 cm de ancho, que proporcionan soporte para
confrontar las membranas de intercambio iónico. La membrana y la
periferia de la junta tienen sustancialmente la misma composición y
grosor.
Cada paso de flujo de serpentín en serie tiene
dos "puertos" que proporcionan una entrada y una salida de la
corriente de líquido. La anchura del paso de flujo en serie es del
orden de 10-49% de la anchura total de la junta. El
paso de flujo en serie está cubierto o relleno de un material de
malla adecuado (preferiblemente no tejido) y tiene un área de
obertura significativa (>50%) para el flujo de líquido y la
corriente eléctrica. El paso resultante tiene sustancialmente el
mismo grosor total que la junta y la junta y los materiales de
malla son químicamente resistentes al fluido que se procesa. La
velocidad lineal de flujo en el paso de flujo está habitualmente en
el intervalo de, aproximadamente, 7-15 cm/s. Los
restrictores de flujo entre las secciones individuales de los pasos
de flujo pueden ser el propio material de malla o, puede ser un
puerto adicional, siendo la anchura del restrictor de,
aproximadamente, el 20-90% de la anchura total del
paso de flujo.
Las juntas contienen orificios colectores que se
alinean para formar canales o conductos que distribuyen los
líquidos dentro y fuera de la junta individual, así como para
proporcionar conductos a lo largo del depósito para distribuir el
fluido a todas las celdas paralelas en el depósito de
electrodiálisis. Hay dos orificios colectores por paso de flujo en
serie por corriente de procesado.
Cuando la celda de electrodiálisis se monta, las
propias juntas pueden estar fabricadas de un único material blando
(por ejemplo, polietileno de baja densidad) o un compuesto que
comprende un núcleo más duro (por ejemplo, polipropileno) laminado
con un material elastómero más blando, tal como elastómero de
estireno-butadieno sobre uno o ambos lados. Las
juntas para cualquier corriente son sustancialmente uniformes en
grosor, por ejemplo, aproximadamente, de 0,5 a 4 mm.
Las juntas para diferentes corrientes de proceso
pueden tener diferente grosor. Los puertos en las juntas tienen
nominalmente el mismo grosor total que la propia junta. Estos
puertos tienen superficies superiores e inferiores planas y tienen
una rigidez adecuada para evitar que se dañe bajo la presión de
cierre aplicada al depósito. Las superficies planas del puerto son
capaces de sellar las membranas de intercambio iónico a las juntas
en cada lado del puerto a la vez que mantienen un canal de flujo
adecuado entre las superficies del puerto. Los puertos y los
materiales de malla se pueden unir a la junta de cualquier forma
adecuada para facilitar la manipulación.
La utilización de una junta en un depósito de
electrodiálisis da lugar a una eficacia de proceso mejorada, tal
como se mide mediante la recuperación y pureza del producto, la
velocidad de obtención del producto, integridad del equipo,
requerimientos de reciclado de flujo reducidos, y pérdidas
relacionadas con la corriente de deriva reducidas. Una versión
mejorada de dicho depósito utiliza un ánodo recubierto de óxido de
iridio en un medio ácido (por ejemplo, 5-10% en
peso de ácido sulfúrico).
La figura 1 muestra la construcción de una junta
para su utilización en una celda de dos compartimentos de ejemplo.
Los ocho orificios (tales como H) en la periferia de la junta
proporcionan un medio de alineación y sujeción de varias juntas y
membranas en el depósito de electrodiálisis. La junta tiene dos
orificios colectores (21) y (23), a través de los cuales entra y
sale de la junta una primera corriente de alimentación de fluido
del proceso. Otros dos orificios colectores (22) y (24) proporcionan
las conexiones de "tubería" para una segunda corriente de
proceso. Las juntas tienen un grosor uniforme para asegurar una
buena unión y sellado con las membranas de intercambio iónico
adyacentes. Para minimizar las pérdidas de corriente resistiva IR
eléctrica, la junta está fabricada tan fina como sea práctico,
habitualmente, de 0,5 a 3 mm.
En la figura 1, la solución de la corriente de
alimentación de fluido entra en el área activa de la junta a través
del colector (21) y el puerto P1. Aquí, el área activa comprende
tres secciones de paso de flujo (26), (28), (30) conectadas en
serie para formar un paso de flujo de serpentín, a pesar de que se
pueden conectar de dos a ocho secciones de pasos de flujo en serie.
Las anchuras de las secciones individuales de los pasos de flujo en
la figura 1 (2,875'' (7,3 cm) en una junta de 13'' x 13'' (33 cm x
33 cm) de este ejemplo particular) constituyen, aproximadamente, el
22% de la anchura total de la junta. El paso debería ser
suficientemente ancho para acomodar los orificios colectores y
puertos que alimentan las juntas, así como para proporcionar un
espacio adecuado entre los orificios para un buen sellado entre la
junta y las otras membranas y juntas en el depósito de
electrodiálisis. El área del orificio colector se determina mediante
consideraciones hidráulicas, tales como el volumen de líquido por
junta y el número de juntas paralelas en una orientación cara a cara
en un depósito determinado.
Otro factor determinante importante es la
cantidad de corriente eléctrica derivada que fluye a través de los
diversos colectores en el depósito de electrodiálisis. En realidad,
esta corriente derivada no está disponible para el proceso de
electrodiálisis y, en esencia, es una ineficacia del proceso. La
cantidad de corriente derivada está directamente relacionada con la
proporción del área total del colector con respecto al área activa
en la junta. Desde el punto de vista de reducir esta ineficacia, el
área del colector debería ser tan pequeña como fuera posible.
El paso de flujo en la junta debería ser
suficientemente estrecho para proporcionar una buena distribución
de flujo y turbulencia como resultado de la entrada de fluido desde
un único puerto. Además, un paso de flujo más estrecho mejora el
soporte mecánico para las membranas, ya que la mayor cantidad de
este material de junta que queda en los extremos y refuerzos que
separan las secciones de paso de flujo proporcionan este soporte.
En términos absolutos, la anchura del paso de flujo puede variar
entre 2,5'' (6,4 cm) y 12'' (30,5 cm) y, preferiblemente, entre
2,5'' (6,4 cm) y 10'' (25,4 cm) y constituye el
10-49% de la anchura de la junta. Un paso de flujo
demasiado estrecho no proporciona una separación adecuada de los
colectores y da lugar a una utilización limitada de la membrana,
mientras que un paso de flujo demasiado ancho conduce a una
distribución de flujo de líquido inadecuada y un soporte de
membrana inadecuado para muchas de las membranas comercialmente
disponibles.
Para mejorar la distribución de fluido, se coloca
un material de malla polimérico en el paso de flujo. El grosor
total de la malla es aproximadamente del mismo grosor que la propia
junta y es preferiblemente un tipo de malla no tejida. La malla que
debe permitir el libre flujo de fluidos, así como la elasticidad,
así como la junta, está fabricada de un polímero que es
químicamente estable en relación con los materiales que se procesan
en el depósito de electrodiálisis. Entre los materiales que son
adecuados se incluyen polietileno, polipropileno,
politetrafluoretileno y fluoruro de polivinilideno. Los materiales
de malla adecuados están comercialmente disponibles en Nalle
Plastics y Applied Extrusion Technology. Una densidad de malla
habitual es de 8-16 hilos por pulgada (25,4 mm),
siendo la densidad preferida de 10-12 hilos/pulgada
(25,4 mm). La velocidad lineal superficial para la solución en el
paso de flujo está en el intervalo de 7-20 cm/s,
siendo lo preferido de 7-15 cm/s.
La mayoría de la electricidad de entrada al
depósito de electrodiálisis se convierte en calor, lo cual da lugar
a un incremento de temperatura de las corrientes de proceso,
especialmente en las salidas del depósito. Para la integridad
mecánica y estabilidad de membrana, el incremento global de
temperatura debería estar limitado a alrededor de 20ºC. El
incremento de temperatura está determinado por la densidad de
corriente eléctrica aplicada y el área activa de membrana, por la
resistencia eléctrica de los componentes del depósito (membranas y
compartimentos de solución), por el número de corrientes de proceso,
y por sus velocidades de flujo de fluido. Estos factores, junto con
la anchura y la longitud de las secciones de pasos de flujo
determinan el número de secciones de pasos de flujo que se pueden
conectar en serie en un depósito de electrodiálisis. Por ejemplo,
cuatro secciones de paso de flujo se pueden conectar de forma segura
en serie para un depósito de dos compartimentos utilizando juntas
de 0,75 mm de grosor y funcionando con una densidad de corriente
eléctrica de 100 mA/cm^{2} a un voltaje de unidad de celda de 3,5
V, una velocidad lineal de fluido de 10 cm/s, una longitud de paso
de 34'' (86 cm), y una anchura de paso de 9,5''
(24 cm).
(24 cm).
Las secciones individuales de paso de flujo están
separadas entre sí por refuerzos (32), (34) formados mediante
cortes apropiados en la materia prima de la junta y, por tanto,
tienen un grosor que es igual al grosor de toda la junta. Los
refuerzos son suficientemente anchos para proporcionar un soporte
adecuado para las membranas adyacentes, así como para proporcionar
un sellado y separación adecuados para las secciones individuales de
paso de flujo. Sin embargo, los refuerzos se deberían mantener tan
estrechos como fuera posible para maximizar el área utilizable de
membrana. La anchura del refuerzo puede estar en el intervalo
aproximado de 0,25 cm a 4 cm, siendo el intervalo preferido de 1 a
2,5 cm.
Las secciones individuales de paso de flujo (26),
(28), (30) en la figura 1 están colocadas próximas entre sí y están
conectadas entre sí a través de las secciones del restrictor de
flujo (36), (38). En realidad, estas secciones del restrictor son
puertos adicionales o secundarios y, preferiblemente, están rellenos
de un material de malla que es el mismo material de malla que el
utilizado en el propio paso de flujo. Alternativamente, se puede
utilizar una malla más densa (por ejemplo, una que tenga de 12 a 30
hilos por pulgada (25,4 mm)) o se pueden proporcionar puertos del
mismo diseño que el puerto P1.
La anchura de las secciones del restrictor (36),
(38) puede ser del 20 al 90% de la anchura de las secciones de paso
de flujo, preferiblemente en el intervalo del 30 al 50% de la
anchura de paso de flujo. La longitud de las secciones del
restrictor de flujo (36), (38) es la misma que la anchura de los
refuerzos (32), (34), pero en principio pueden ser algo más corta o
larga. Dado que la anchura de la sección del restrictor es inferior
a la anchura de las secciones de paso de flujo, la velocidad del
fluido aumenta a medida que pasa a través del restrictor. Esto
significa que el fluido cae en la siguiente sección de flujo de
fluido con una gran turbulencia, lo cual agita el fluido en esa
sección. Por lo tanto, como puerto secundario, el restrictor está
diseñado para asegurar una buena distribución de flujo de fluido en
el interior de las secciones individuales de paso de flujo y para
eliminar "ángulos muertos" en el interior del paso de flujo. La
forma de la sección del restrictor puede ser rectangular, tal como
se muestra en las figuras 1-4, trapezoidal, de
estrechamiento progresivo o en forma de venturi de doble V para una
mejor recuperación de la presión.
Después de circular a través de las secciones de
paso de flujo conectadas en serie (26), (28), (30), la solución de
proceso sale a través del puerto P2, y el orificio colector
(23).
Preferiblemente, los puertos P1 y P2 tienen el
mismo diseño; algunos ejemplos de diseños adecuados se muestran en
las figuras 5(a)-5(e). Las partes
superior e inferior del puerto son superficies planas. Los puertos
están fabricados de un material que es suficientemente rígido para
evitar que se dañen sus canales de flujo interiores cuando están
bajo una fuerza de cierre del depósito. Los puertos son capaces de
sellarse fácilmente contra las membranas adyacentes al igual que el
material de junta que rodea los puertos. Dependiendo del diseño
particular, el puerto puede ser un compuesto formado de varias
capas; o puede estar fabricado de una única pieza. El puerto global
acabado tiene, aproximadamente, el mismo grosor que la junta, pero
puede ser más rígido que la junta.
Con mayor detalle, en la figura 5(a) se
muestra un puerto fabricado a partir de una única pieza de un
material (40), tal como polipropileno o politetrafluoretileno con
muchos orificios circulares (42) que se extienden a lo largo del
mismo para proporcionar canales para el flujo de fluido desde el
orificio colector hasta el paso de flujo en serie. La figura
5(b) muestra un diseño de puerto similar al de la figura
5(a), pero con superficies exteriores más blandas (44), (46)
para mejorar el sellado de la superficie con las membranas de
intercambio iónico. Estas capas más blandas deberían ser
relativamente estables frente a los productos químicos que se
procesan. Por ejemplo, pueden ser de un material, tal como
polietileno de baja densidad o elastómero de
estireno-butadieno.
La figura 5(c) muestra un diseño de puerto
que tiene canales cuadrados o rectangulares (48) en la sección
central (50). Dicho puerto se forma fácilmente ranurando una serie
de canales en una pieza de plástico (52) que es, aproximadamente,
la mitad de gruesa que la junta, cortándola en secciones de longitud
de puerto apropiada, y superponiendo parejas de canales
rectangulares. Si es necesario, las dos mitades se pueden pegar o
soldar juntas. Se debe tener la precaución de asegurar que el
grosor de pared de la pieza acabada es adecuado para proporcionar
la rigidez de puerto requerida.
La figura 5(d) muestra un puerto que tiene
una construcción compuesta. Aquí, una pieza de material de malla no
tejido (preferiblemente de densidad de malla superior a la utilizada
en los pasos de flujo) se encuentra, a modo de sándwich, entre dos
capas de un polímero, tal como polipropileno o
politetrafluoretileno. La mayor densidad de malla provoca que el
fluido fluya más rápido a través del restrictor para crear una
turbulencia en la siguiente sección de flujo de fluido para
asegurar una buena distribución de flujo. Esto también proporciona
un soporte más rígido para las superficies superior e inferior. El
polímero para las superficies superior e inferior se utiliza en
forma de película y tiene un grosor de
0,005''-0,01'' (0,127-0,254 mm) para
proporcionar una rigidez adecuada. La figura 5(e) es un
puerto compuesto fabricado de múltiples capas de la película de
polímero y material de película de malla no tejida. Este puerto
puede ser adecuado para su utilización con juntas más gruesas.
Los puertos compuestos mostrados en las figuras
5(c), 5(d) y 5(e) también pueden tener capas
superiores e inferiores más blandas, tal como se muestra en la
figura 5(b). Se pueden visualizar incluso otros diseños
adecuados por los técnicos en la materia.
La figura 2 muestra una junta (55) que se puede
utilizar en un depósito de electrodiálisis de tres compartimentos.
Es similar a la junta de la figura 1, excepto que tiene dos
orificios colectores añadidos (56), (58) para proporcionar un total
de tres corrientes de proceso.
La figura 2(a) muestra la misma junta
(59), pero con los puertos P3, P4 unidos a los orificios colectores
intermedios (56), (58). Esta es la junta "diferente", tal como
se ha descrito anteriormente. Tal como se ha descrito también
anteriormente, los orificios colectores (21), (22), (23), (24) en la
figura 2 (a) no están conectados a un paso de flujo en serie. En su
lugar, éstos proporcionan conductos para juntas de flujo descendente
como las mostradas en la figura 2. Para el montaje de celda de tres
compartimentos de la figura 2(b), se proporcionan una junta
(60), tal como la mostrada en la figura 2(a), y dos juntas
(62), (64), tal como las mostradas en la figura 2, con una de ellas
(-62-) girada 180º para formar el tercer bucle del proceso.
La figura 3 muestra una junta (70) que es similar
a las juntas (55), (59), pero con puertos fabricados adicionales
P5, P6 situados en y que proporcionan las funciones del restrictor
de flujo entre las secciones de paso de flujo. Estos puertos, a
diferencia de los puertos P1 y P2 pueden ser cualquier dispositivo
de distribución de fluido con el mismo grosor total que la propia
junta. Como tal, puede tener el mismo diseño (figuras
5(a)-5(e)) que los puertos P1 y P2;
o, puede tener algún otro diseño, tal como una malla no tejida más
densa, un conjunto de canales paralelos cortados en una pieza de
polímero termoplástico o termoestable, etc.
Las figuras 4, 6 y 7 muestran varias
construcciones de juntas con múltiples pasos de flujo en serie.
Dichas construcciones son particularmente útiles para aplicaciones
a gran escala que requieren juntas del orden de 1 m x 1 m o más
grandes. En esencia, la construcción es modular dentro de las
juntas.
La figura 4 muestra un junta de una celda de dos
compartimentos (72) que tiene dos pasos de flujo de serpentín en
serie (74), (76), cada uno con cuatro canales de sección de flujo
(74) a (80) y (82) a (86), respectivamente, conectados en serie. Se
utilizan un total de ocho orificios colectores (88) a (94) y (96) a
(102), respectivamente, junto con 4 puertos P7-P10
para suministrar la corriente de alimentación y extraer el producto
desde el depósito de electrodiálisis. Esta disposición permite que
las dos mitades (74), (76) de la junta trabajen en paralelo o
funcionen como dos etapas separadas e independientes.
Las figuras
11(a)-11(c) muestran algunos de los
posibles pasos de flujo en una celda de dos compartimentos, tales
como el mostrado en la figura 4. La figura 11(a) muestra la
conexión paralela de las dos etapas (74), (76). Hay flujos de las
corrientes de ácido (A) (104) y sal/base (S/B) (106) en los dos
pasos de corriente de flujo en serie (74), (76). Esta corriente
paralela proporciona un mínimo de presión diferencial entre las
corrientes de proceso y es, por lo tanto, el mínimo de tensión en
las membranas de intercambio iónico.
Los flujos de las corrientes A y S/B (108), (110)
(figura 11(b)) están en contracorriente. Estas disposiciones
de flujo en contracorriente proporcionan un equilibrado bastante
bueno de presiones entre las corrientes y en ciertas aplicaciones
pueden dar lugar a una eficacia de proceso superior.
La figura 11(c) muestra las dos etapas
(74), (76) conectadas en serie con los flujos de las dos corrientes
(112), (114) en corriente paralela. Dicha conexión de proceso
incrementa la conversión de dicho cloruro sódico disponible en el
bucle de sal de una celda de tres compartimentos. Se muestra un
refrigerador intermedio opcional (116), (118) acoplado entre las
dos etapas para mantener el incremento de temperatura dentro del
objetivo del diseño.
Alternativamente, se pueden utilizar orificios
colectores comunes (120) a (126) (figura 6) para las dos mitades de
la junta (119), colocando de este modo los dos pasos de flujo en
serie (74), (76) en paralelo durante el funcionamiento, y
reduciendo el número de orificios colectores a cuatro (120) a (126).
Esta junta no proporciona la opción de tener dos etapas
independientes, pero tiene la ventaja de tener únicamente cuatro
colectores para los dos pasos de flujo en serie.
La figura 7 muestra una junta (127) de dos
compartimentos con cuatro conjuntos de pasos de flujo en serie. En
este diseño se utilizan un total de ocho orificios colectores (128)
a (134) y (136) a (142), respectivamente, y ocho puertos
P11-P14 y P15-P18, respectivamente.
Cada paso de flujo en serie tiene cuatro secciones de flujo
conectadas en serie. Si el proceso de electrodiálisis funciona a
densidades de corriente más bajas (es decir, generación de calor
más baja), y cuando se desea una conversión más elevada de la
corriente de alimentación, se pueden conectar hasta ocho canales de
flujo en serie.
Otras variaciones en el diseño serán evidentes
para los técnicos en la materia.
La figura 8 es una vista despiezada que muestra
un depósito de electrodiálisis de dos compartimentos que incorpora
las juntas de la presente invención. Tal como se observa, las juntas
son iguales que las de la figura 1. El depósito está montado
utilizando un conjunto de pasadores de alineación sobre los que se
ajustan los orificios H. El montaje completo se mantiene
preferiblemente junto con un conjunto de pernos y tuercas de
fijación (no mostrados). El tamaño de los depósitos de celda
comerciales debería ser mucho más grande, con 50-200
celdas unitarias montadas entre un conjunto de electrodos. Las
juntas pueden ser tan grandes como 1,2 m x 2,5 m y pueden
mantenerse juntas mediante una unidad de tipo filtro prensa que
utiliza un mecanismo de cierre hidráulico para proporcionar la
presión de cierre necesaria.
Empezando en el extremo del ánodo (el lado
izquierdo) de la figura 8, el depósito tiene una placa terminal de
acero (150) que puede tener 0,25''-0,5''
(6,35-12,7 mm) de grosor. A continuación, en el
depósito hay una placa terminal de polipropileno (152) de
1-2'' (25,4-50,8 mm) de grosor y una
lámina de electrodo anódico (154) de 0,062'' (1,57 mm) de grosor
con juntas de goma (no mostradas) colocadas entre estas placas para
mejorar el sellado. El electrodo puede estar fabricado de platino,
platino recubierto sobre titanio, níquel; o, puede ser un óxido de
metal noble recubierto sobre titanio. Un ánodo de níquel requiere un
medio alcalino mientras que los otros electrodos pueden funcionar
en medios ácidos o neutros (sin fluoruro).
Un electrodo de óxido metálico adecuado es uno de
óxido de iridio recubierto sobre titanio. Se ha observado que el
electrodo de óxido de iridio es particularmente adecuado para su
utilización en soluciones de ácidos inorgánicos que pueden contener
pequeñas cantidades de ácidos orgánicos, tales como en aplicaciones
que implican el procesado de las sales de ácidos orgánicos. Por lo
tanto, es un ánodo preferido para depósitos de celdas de
electrodiálisis que procesan sales orgánicas.
Un montaje similar de una placa de acero (156),
una placa terminal de plástico (158) y una placa del electrodo
catódico (160) se utiliza en el cátodo terminal. El material del
electrodo catódico puede ser acero inoxidable 316 o una aleación
superior, tal como la comercializada bajo la marca comercial
"Hastelloy", que es generalmente estable en medios tanto
ácidos como alcalinos durante el funcionamiento real de la
electrodiálisis. Los electrodos (154) y (160) tienen refuerzos T1,
T2 para las conexiones con un suministrador externo de potencia de
corriente continua. Estos electrodos se pueden ajustar en cavidades
(no mostradas) en el interior de las placas de plástico terminales
(152), (158) o pueden tener, aproximadamente, las mismas dimensiones
globales que las placas terminales.
Las juntas y membranas están montadas entre los
dos electrodos (154), (160). Los compartimentos de ácido (A) y base
(B) (162), (164), respectivamente, contienen en el interior las
juntas (166), (168) y entre las membranas de intercambio iónico
(membrana bipolar -170-, membranas aniónicas -172-, y membrana
catiónica -180-).
Las soluciones de proceso entran en el depósito
de electrodiálisis preferiblemente desde el extremo del cátodo (el
potencial inferior) y se distribuyen a las cámaras individuales en
el interior de las juntas a través de los orificios colectores en
las juntas y membranas. La orientación de la junta y la situación de
los puertos determinan cual de las juntas individuales se alimenta.
Las soluciones de ácido A y base sal S/B que entran (174a), (174b)
en cada junta fluyen a través de las secciones de paso de flujo (por
ejemplo, -26- a -30-, figura 1) que están conectadas en serie. En
la disposición mostrada en la figura 8, el flujo de las soluciones
de ácido A y sal base S/B en los compartimentos A y B (162), (164)
es en corriente paralela. Las soluciones de proceso que salen en
(176a), (176b) de las juntas individuales se canalizan a través de
los orificios colectores de salida y fuera del montaje del depósito
de electrodiálisis en el extremo del cátodo.
Las soluciones de lavado del electrodo ER (174c),
(176c) y ER' (174d), (176d) se alimentan a través de bucles
separados. Una membrana catiónica (180) evita que la solución de
lavado del ánodo o anolito ER que circula desde la entrada (174c) a
través de la junta del ánodo (178) y sale por (176c) se mezcle con
las soluciones del proceso principal A y S/B. La membrana bipolar
terminal (171) evita que la solución de lavado del cátodo o
catolito ER' circule a través de la junta del cátodo (182) y aísla
el lavado de las soluciones del proceso principal A y S/B.
Para asegurar adicionalmente que las soluciones
de lavado del electrodo ER y ER' están aisladas de forma adecuada
de las soluciones del proceso principal, se puede colocar una
membrana de intercambio catiónico (no mostrada en la figura)
adyacente al lado catiónico de la membrana bipolar (171).
Alternativamente, se puede colocar una membrana de intercambio
aniónico (no mostrada en la figura) adyacente al lado aniónico de la
membrana bipolar (171). Las membranas de intercambio catiónico y
aniónico pueden ser mecánicamente más duraderas que la membrana
bipolar (171) y servir para evitar un mezclado masivo de los lavados
del electrodo ER' y las corrientes del proceso principal A, S/B,
incluso si una membrana bipolar relativamente más débil se rompiera
bajo el diferencial de presión entre la solución del proceso
principal y la corriente de lavado del electrodo.
La secuencia de montaje y funcionamiento del
proceso se ilustra mejor en la figura 9, la cual muestra un diagrama
esquemático de un montaje de celda piloto que tiene ocho celdas
unitarias, conteniendo cada una, una celda de ácido A y una celda
de sal/base B. Cada una de estas celdas con dos compartimentos A y B
está construida de dos membranas bipolares (- +) que contienen las
celdas A y B y la membrana de intercambio aniónico (-) que separa
los compartimentos de base B y ácido A. Los compartimentos de base y
ácido se suministran con las soluciones del proceso a través de los
orificios colectores internos formados en la junta. Los
compartimentos de lavado de electrodo en los extremos del ánodo y
el cátodo, ER y ER', se suministran separadamente con una corriente
de lavado de electrodo, por ejemplo, ácido sulfúrico diluido desde
un depósito de suministro común.
La membrana catiónica (+) (192) en el extremo del
ánodo transporta los iones hidrógeno fuera de la cámara ER, a la
vez que se genera una cantidad casi equivalente de iones hidrógeno
en la superficie catiónica de la membrana bipolar (196) y se
transportan al compartimento ER' en el extremo del cátodo del
montaje. Esta disposición equilibra los iones hidrógeno (H^{+})
en los bucles de lavado de electrodo y mantiene la concentración de
lavado de electrodo en un nivel estable para periodos de
funcionamiento prolongados.
La configuración de celda aniónica de dos
compartimentos de la figura 9 es particularmente adecuada para
transformar sales de amonio en amoníaco y ácido. La sal de amonio
NH_{4}X se introduce en los compartimentos B, en los que
reacciona con los iones hidroxilo generados en las membranas
bipolares (+ -) para formar una solución amoniacal. Al mismo
tiempo, los aniones X^{-} se transportan mediante la fuerza
impulsora de corriente continua a través de la membrana aniónica
(-) hacia los compartimentos A, en los que se combinan con los iones
hidrógeno generados en la membrana bipolar para formar el ácido HX.
Las reacciones se pueden resumir tal como se muestra a
continuación:
Compartimentos de sal/base: \hskip0,5cm
NH_{4}X + OH^{-} - X^{-} = NH_{4}OH = NH_{3} +
H_{2}O
Compartimentos de ácido: \hskip0,85cm X^{-} +
H^{+} = HX
La utilidad de la junta de la presente invención
está en la mejora de la eficacia del depósito de electrodiálisis,
que se estudió en una aplicación de conversión de lactato amónico.
El proceso utiliza una celda de dos compartimentos que incorpora
membranas bipolares y de intercambio aniónico. En el proceso, el
lactato amónico de concentración 30-45 mg/l
generado por fermentación se filtra inicialmente para eliminar las
células microbianas e insolubles. Posteriormente, se filtra
utilizando un ultrafiltro o un nanofiltro.
La corriente de alimentación clara resultante se
suministra al compartimento de sal/base (compartimento B) del
depósito de electrodiálisis. Bajo una fuerza impulsora de corriente
continua, los iones OH^{-} generados en la superficie de las
membranas bipolares se combinan con los iones amonio, generando
hidróxido amónico. Los iones lactato son transportados a través de
las membranas aniónicas y se combinan con los iones H^{+}
generados en las superficies selectivas de cationes de las membranas
bipolares para generar ácido láctico.
Se realizaron dos experimentos utilizando la
celda piloto de la figura 9, que incorpora las juntas de la presenta
invención. La celda de dos compartimentos contenía ocho unidades de
celda. Las juntas utilizadas en el depósito de celda tenían un
grosor de 0,76 mm. Cada junta tenía un área activa de 465 cm^{2}
(0,5 pies^{2}), a través de la cual se pasó una corriente
continua. El depósito contenía un ánodo (190) fabricado de óxido de
rutenio recubierto de un sustrato de titanio suministrado por
Electrode Products Inc. El compartimento de lavado de electrodo ER
utilizó una membrana catiónica MC 3470 (192), de Sybron Chemicals, y
siete celdas repetitivas que incluían compartimentos A y B que
utilizaban membranas aniónicas AMV o AMT (194) de Asahi Glass
Company. Las membranas bipolares (196) se obtuvieron de Aqualytics,
una división de Graver Water. La séptima membrana bipolar estaba
seguida de un compartimento de ácido A, una membrana aniónica (194)
(AMV o AMT), un compartimento de base B, otra membrana bipolar
(196), un compartimento de lavado de electrodo ER', y un cátodo de
acero inoxidable (198). Utilizando los diseños de puertos mostrados
en las figuras 5(d), 5(e) en las juntas de los
compartimentos de ácido y base A, B, se consiguieron fácilmente
montajes sin fugas.
El depósito inventivo se colocó en el sistema
mostrado esquemáticamente por el diagrama de bloques de la figura
10 para llevar a cabo el proceso de electrodiálisis. Se utilizaron
tres bombas (P1-P3) para circular las soluciones
desde sus respectivos recipientes de reciclado (198), (200), (202)
hasta los compartimentos de ácido, base, y lavado de electrodo
(204), (206), (208) a una velocidad de 2,5-3,5
l/min. Esto se traduce en una velocidad superficial de
7-10 cm/s en los bucles de ácido y base. Se
utilizaron válvulas de diafragma, filtros de cartucho (210),
caudalímetros (212), e indicadores de presión (214) para asegurar un
flujo de fluidos claros a velocidades de flujo y caídas de presión
conocidos en los tres bucles. Acoplado a un recipiente de
alimentación (216) había una bomba de alimentación P4 utilizada
para suministrar la corriente de alimentación de lactato amónico al
recipiente de reciclado de la base (200) a través de un controlador
de conductividad CIC. Un suministro de energía de corriente
continua se conectó a los terminales del ánodo y el cátodo (224),
(226), respectivamente, del depósito. Los controladores requeridos
para la corriente y el voltaje de entrada estaban situados en el
propio suministrador de energía.
El sistema se cargó inicialmente con el filtrado
(alimentación de lactato amónico) en los dos recipientes de
reciclado de base y ácido (200), (198). El recipiente de lavado de
electrodo se cargó con ácido sulfúrico del 8% en peso. Las bombas
de recirculación P1-P3 se pusieron en funcionamiento
y los flujos se ajustaron para obtener una caída de presión de
4-7 psi (0,3-0,5 bar). Para la mayor
parte, se mantuvo un flujo de 3,2 l/mm (velocidad superficial de 9
cm/s) a una caída de presión de 5-6 psi
(0,35-0,4 bar). Esta es una caída de presión
bastante baja considerando que la longitud total de paso en la junta
es de 30'' (76 cm), indicando que la recuperación de presión entre
los segmentos superior e inferior de los pasos de flujo en serie es
sorprendentemente buena, y representando una mejora significativa
con respecto a los aparatos comercialmente disponibles que utilizan
diseños de flujo turbulento. Por lo tanto, la excelente recuperación
de presión entre las partes superior e inferior de los pasos de
flujo en serie permite la utilización de un flujo en contracorriente
en el depósito de celda, si se desea, sin riesgos no deseados de
ruptura de membrana.
Se llevó a cabo una prueba de 65 días utilizando
el montaje de celda piloto (figura 9) para procesar una corriente
de alimentación ultrafiltrada (200.000 Daltons de valor nominal).
Las ocho unidades de celda tenían membranas bipolares y membranas
aniónicas AMV. La prueba se llevó a cabo con una corriente continua
de entrada de 14,5 A (densidad de corriente de 29 A/pies^{2}
(0,031 A/cm^{2}). Se introdujo un suministro de alimentación de
lactato amónico con una conductividad de 25 mS/cm y que contenía
35-50 mg/l de láctico como lactato amónico en el
recipiente de reciclado de base (200) a una velocidad adecuada para
mantener la conductividad del recipiente en 10 mS/cm. El producto
de base a un pH de 9,5-10 (producto de base
amoniacal que contenía, aproximadamente, 10 mg/l de amoníaco y,
aproximadamente, 15 mg/l de lactato no convertido) se circuló fuera
del recipiente de recirculación de base. El producto láctico, a una
concentración de 250-300 mg/l, se circuló fuera del
recipiente de recirculación de ácido (198) con un control de nivel
adecuado. El flujo de las soluciones de ácido y base en el interior
del depósito de celda fue en corriente paralela.
Al final de la prueba, la celda permaneció
esencialmente sin fugas internas. La eficacia de las membranas y la
celda fue estable, demostrando de esta manera la utilidad de la
junta novedosa en el mantenimiento de la integridad de la membrana
y la celda. El ánodo de óxido metálico estaba en excelentes
condiciones a pesar de la presencia de pequeñas cantidades de ácido
láctico en contacto con el mismo. Se reutilizó en experimentos
posteriores con buenos resultados.
Los problemas surgidos de la ruptura de las
membranas bipolares y los resultantes niveles excesivos de
compuestos orgánicos en el bucle de lavado del electrodo se pueden
obviar, si es necesario, mediante la utilización de una membrana de
intercambio catiónico o aniónico cercana a la membrana bipolar
terminal. Si es necesario, son posibles otras dos opciones. Una
opción es separar los dos bucles de lavado de electrodo, cada uno
con su propio suministro de solución de lavado de electrodo. Una
segunda opción es utilizar un compartimento de base extra cercano
al anolito. Esta utilización se consigue fácilmente mediante la
utilización de una membrana bipolar adicional, con el lado
selectivo de cationes opuesto al cátodo. La secuencia de montaje de
componentes empezando en el extremo del ánodo sería entonces:
ánodo, compartimento de anolito, membrana catiónica, compartimento
de base, membrana bipolar, compartimento de ácido, membrana
aniónica, etc.
Se llevó a cabo una prueba de nueve días
utilizando la celda piloto (figura 9) (que contenía membranas
bipolares y membranas aniónicas AMT) para procesar dos corrientes
de alimentación separadas de lactato amónico que habían sido
sometidas a nanofiltración (200 Daltons de valor) para eliminar la
masa de metales divalentes, principalmente calcio y magnesio. Los
filtrados resultantes, 32 mg/l y 48 mg/l de láctico en forma de la
sal de lactato amónico, respectivamente, se transformaron en los
compartimentos de ácido en un producto de ácido láctico a una
concentración de 260-290 mg/l y en una corriente de
sal agotada que contenía 10-11 mg/l de lactato y
7-10 mg/l de amoníaco disuelto en los
compartimentos de base. El contenido total de calcio de las dos
corrientes de alimentación fue de 19,5 y 16,8 ppm, respectivamente,
y el contenido de magnesio estaba en el intervalo de 8 a 11 ppm para
ambas corrientes. La concentración del ión de metal divalente fue
suficientemente elevada para provocar problemas tanto de
precipitación como de flujo de corriente en los depósitos de
electrodiálisis.
En particular, se observó que la solubilidad del
magnesio era menor en el producto de base. Por consiguiente, el
material precipitó en el interior del bucle de base (206) (en la
superficie de la membrana bipolar de pH elevado) y, posteriormente,
se extrajo de la celda (250) y se eliminó en el filtro externo
(230). En ausencia de precipitados, se observó que el flujo de
corriente eléctrica era mayor de 70 A/pies^{2} (0,075 A/cm^{2})
a un voltaje de unidad de celda de 3,5 voltios. La presencia de
precipitados en esta prueba redujo el flujo de corriente y requirió
voltajes más elevados para una corriente de entrada determinada. En
la prueba de nueve días, la corriente varió entre 27 y 32 A
(54-64 A/pies^{2} (0,058-0,069
A/cm^{2})) a un voltaje de celda unitaria de 4 voltios.
Las mismas corrientes de alimentación que se
utilizaron en el ejemplo anterior se procesaron en una planta
utilizando depósitos de celdas de electrodiálisis obtenidos
comercialmente. Estos depósitos, suministrados por Aqualytics, una
división de Graver, tenían un diseño de flujo laminar y utilizaban
una combinación similar de membrana
bipolar-membrana aniónica con un área efectiva de
seis pies cuadrados (0,56 m^{2}) por celda unitaria. Las juntas
en los depósitos de celda tenían un grosor de 0,76 mm. Cada junta
tenía seis conjuntos de orificios colectores (doce en total) y tres
conjuntos de puertos (seis en total) para acomodar un flujo de
solución. La velocidad lineal en el interior de las juntas fue de
5-6 cm/s.
Se utilizaron cuatro depósitos comerciales,
conteniendo cada uno dos cientas diez celdas unitarias, durante una
prueba de cinco días. Las celdas funcionaron a
700-750 voltios, lo que se traduce en un voltaje de
celda unitaria de 3,2-3,4 V. La conductividad del
producto de base del depósito de celda fue de 15-20
mS/cm, que es considerablemente superior a la conductividad
utilizada en el Ejemplo 2, y contenía 15-25 mg/l de
láctico y 5-8 mg/l de amoníaco disuelto. El flujo
eléctrico (Amperios) en los depósitos de electrodiálisis (ED) fue
tal como se indica a continuación:
| Días | Depósito ED 1 | Depósito ED 2 | Depósito ED 3 | Depósito ED 4 | Corriente Promedio |
| 1 | 220 | 210 | 185 | 220 | 206 |
| 2 | 235 | 185 | 185 | 212 | 204 |
| 3 | 200 | 155 | 160 | 170 | 172 |
| 4 | 200 | 170 | 180 | 150 | 175 |
| 5 | 140 | 120 | 140 | 125 | 131 |
Tal como puede observarse, existen variaciones
apreciables en el flujo eléctrico entre los diversos depósitos. El
flujo eléctrico también varió con el tiempo. Ambos se pueden
atribuir a la formación de precipitado y la distribución no
uniforme del flujo resultante del mismo. Las densidades de corriente
eléctrica que varían entre 37 A/pies^{2} (0,040 A/cm^{2}) hasta
21 A/pies^{2} (0,023 A/cm^{2}) (corriente promedio, dividida
por el área efectiva de 6 pies cuadrados (0,56 m^{2})) son
significativamente inferiores a las obtenidas en el Ejemplo 2, que
utilizaba la junta de la presente invención.
Claims (31)
1. Junta (55, 59, 60, 62, 64, 166, 168) para un
depósito de electrodiálisis que comprende un área activa cubierta
de, como mínimo, una malla de soporte, refuerzos de material de
junta (32, 34) que separan dicha área activa en secciones de paso
de flujo (26, 28, 30, 74, 76, 78, 80, 82, 84, 85, 88) unidas
mediante secciones de restricción (36, 38) para formar pasos de
flujo en serie que se extienden entre dos extremos, como mínimo, un
orificio colector (21, 22, 23, 24, 56, 58, 88, 90, 92, 94, 96, 98,
100, 102, 120, 122, 124, 126, 128, 130, 134, 136, 140, 142) en cada
uno de dichos dos extremos de dicho paso de flujo en serie, puertos
(P1, P2, P3, P4, P7, P8, P9, P10, P11, P12, P13, P14, P15, P16,
P17, P18) que unen cada uno de dichos orificios colectores a un
extremo unido individualmente de dicho paso de flujo en serie,
formando cada puerto una entrada o salida de fluido, y membranas
(180, 172, 170, 192, 194, 196) selladas contra los lados opuestos de
dicha junta, caracterizada porque dichos puertos son
estructuras separadas (1, 2, 3, 4, 5) que tienen superficies
superiores e inferiores planas y coplanares con los lados opuestos
de dicha junta, y una rigidez más elevada que la de la junta.
2. Junta, según la reivindicación 1,
caracterizada porque las membranas están selladas contra las
superficies superiores e inferiores de dichos puertos.
3. Junta, según la reivindicación 2,
caracterizada porque dicha junta tiene un grosor uniforme, el
grosor de malla es sustancialmente igual al grosor de la junta, las
secciones de paso de flujo (26, 28, 30, 74, 76, 78, 80, 82, 84, 85,
86) forman canales que tienen una anchura que está en el intervalo
del 10 al 49% de la anchura total de la junta y dichos pasos de
flujo en serie giran en las secciones de restricción (36, 38).
4. Junta, según la reivindicación 3,
caracterizada porque dicho paso de flujo en serie forma un
canal completo que se extiende entre dichos dos puertos.
5. Junta, según la reivindicación 1,
caracterizada porque cada una de dicho conjunto de secciones
de paso de flujo (26, 28, 30, 74, 76, 78, 80, 82, 84, 85, 86) tiene
sustancialmente la misma anchura y está separada de otra de dichas
secciones de paso de flujo mediante refuerzos (32, 34) de dicha
junta (55, 59, 60, 62, 64, 166, 168), teniendo dichos refuerzos una
anchura de 0,5-5 mm.
6. Junta, según la reivindicación 3,
caracterizada porque dicha junta (55, 59, 60, 62, 64, 166,
168) tiene de dos a seis pasos de flujo en serie.
7. Junta, según la reivindicación 3,
caracterizada porque las secciones de paso de flujo (26, 28,
30, 74, 76, 78, 80, 82, 84, 85, 86) forman canales que tienen una
anchura que está en el intervalo de 6,35 a 30,5 cm (2,5 a 12
pulgadas).
8. Junta, según la reivindicación 3,
caracterizada porque un conjunto de dichos pasos de flujo en
serie están conectados en paralelo y son suministrados con la
corriente de proceso de los orificios colectores de entrada
habitual y salida habitual (120, 122, 124, 126, 128, 130, 134, 136,
140, 142) a través de dichos puertos (P11, P12, P13, P14, P15, P16,
P17, P18).
9. Junta, según la reivindicación 3,
caracterizada porque dichos puertos (P1, P2, P3, P4, P7, P8,
P9, P10, P11, P12, P13, P14, P15, P16, P17, P18) comprenden un
canal de fluido que está fabricado de malla no tejida que tiene una
densidad de malla que es, como mínimo, igual a la densidad de la
malla que se utiliza en los pasos de flujo en
serie.
serie.
10. Junta, según la reivindicación 3,
caracterizada porque dichos puertos (P1, P2, P3, P4, P7, P8,
P9, P10, P11, P12, P13, P14, P15, P16, P17, P18) son un compuesto
de películas y materiales de malla no tejida planos.
11. Junta, según la reivindicación 10,
caracterizada porque hay un conjunto de capas de dicho
material de malla no tejida en dichos puertos.
12. Junta, según la reivindicación 3,
caracterizada porque dichos puertos (P1, P2, P3, P4, P7, P8,
P9, P10, P11, P12, P13, P14, P15, P16, P17, P18) comprenden una
placa (40) que tiene un grosor que es sustancialmente igual al de
dicha junta (55, 59, 60, 62, 64, 166, 168), y dichos puertos (P1,
P2, P3, P4, P7, P8, P9, P10, P11, P12, P13, P14, P15, P16, P17,
P18) tienen además un conjunto de orificios de paso (42) que se
extienden a través de los mismos para interconectar dichos
orificios colectores (21, 22, 23, 24, 56, 58, 88, 90, 92, 94, 96,
98, 100, 102, 120, 122, 124, 126, 128, 130, 134, 136, 140, 142) con
dicho paso de flujo en serie.
13. Junta, según la reivindicación 12,
caracterizada por un material elastómero (44, 46) que cubre
la parte superior e inferior de dichos puertos (P1, P2, P3, P4, P7,
P8, P9, P10, P11, P12, P13, P14, P15, P16, P17, P18).
14. Junta, según la reivindicación 12,
caracterizada porque dichos puertos (P1, P2, P3, P4, P7, P8,
P9, P10, P11, P12, P13, P14, P15, P16, P17, P18) comprenden dos
placas (52, 54) mantenidas en una confrontación cara a cara y
dichos orificios de paso son ranuras (48) que se extienden
transversalmente a, como mínimo, una de dichas caras
confrontadas.
15. Junta, según la reivindicación 3,
caracterizada porque cada una de las secciones de restricción
de flujo (36, 38) comprende un puerto (P5, P6), siendo dicho puerto
una estructura rígida (1, 2, 3, 4, 5) y que tiene superficies
superior e inferior planas, uniendo dichos puertos (P5, P6) dichas
secciones de flujo de fluido para formar dichos pasos de flujo en
serie.
16. Junta, según la reivindicación 15,
caracterizada porque dichas superficies planas de dichos
puertos se sellan contra membranas adyacentes que responden a la
presión, fijando dicho depósito.
17. Junta, según la reivindicación 3,
caracterizada porque dicha malla es un material de malla no
tejida.
18. Junta, según la reivindicación 3,
caracterizada porque cada una de las secciones de restricción
de flujo (36, 38) comprende una malla no tejida que tiene una
densidad de malla que es superior a la densidad de malla de la
malla que se utiliza en los pasos de flujo en serie.
19. Junta, según la reivindicación 3,
caracterizada porque cada una de las secciones de restricción
de flujo (36, 38) tiene una anchura de paso de flujo que está en el
intervalo del 20 al 90% de la anchura de las secciones de paso de
flujo (26, 28, 30, 74, 76, 78, 80, 82, 84, 85, 86).
20. Depósito de celda de electrodiálisis
caracterizada por un conjunto de juntas (55, 59, 60, 62, 64,
166, 168) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, estando
dicho conjunto de juntas (55, 59, 60, 62, 64, 166, 168) montado en
un depósito cara a cara, formando unas de dichas juntas individuales
(55, 59, 60, 62, 64, 166, 168) celdas separadas mediante membranas
de intercambio iónico (170, 171, 172, 180, 192, 194, 196).
21. Depósito de celda de electrodiálisis de dos
compartimentos, caracterizado por un primer conjunto y un
segundo conjunto de juntas (55, 59, 60, 62, 64, 166, 168), según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, teniendo cada una de
dichas juntas (55, 59, 60, 62, 64, 166, 168) dos conjuntos de
orificios colectores de conductos (21, 22, 23, 24, 88, 90, 92, 94,
96, 98, 100, 102, 120, 122, 124, 126, 128, 130, 134, 136, 140, 142)
para dicha celda de electrodiálisis de dos compartimentos, un
conjunto de orificios colectores (21, 23, 88, 92, 96, 100, 120,
124, 128, 136, 140) que suministran dicho primer conjunto de dichas
juntas en dicho depósito, y los otros de dichos orificios
colectores (22, 24, 90, 94, 98, 102, 122, 126, 130, 134, 138, 142)
que suministran dicho segundo conjunto de juntas en dicho
depósito.
22. Depósito de celda de electrodiálisis de tres
compartimentos, caracterizado por un primer, un segundo y un
tercer conjunto de juntas (55, 59, 60, 62, 64), según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 19, teniendo cada una de dichas juntas
(55, 59, 60, 62, 64, 166, 168) tres conjuntos de orificios
colectores de conductos (21, 22, 23, 24, 56, 58) para suministrar
las corrientes de proceso a dicha celda de electrodiálisis de tres
compartimentos, un primer conjunto de dichos orificios colectores
(21, 23) que suministran dicho primer conjunto de dichas juntas
(55, 59, 60, 62, 64, 166, 168), un segundo conjunto de dichos
orificios colectores (22, 24) que suministran dicho segundo
conjunto de juntas (55, 59, 60, 62, 64, 166, 168), y un tercer
conjunto de dichos orificios colectores (56, 58) que suministran
dicho tercer conjunto de dichas juntas (55, 59, 60, 62, 64, 166,
168).
23. Depósito de celda de electrodiálisis, según
la reivindicación 20, caracterizado por depósitos sucesivos
de ácido (162) y base (164) para celdas de hasta cuatro
compartimentos, definidas mediante dichas membranas de separación
(170, 171, 172, 180, 192, 194, 196).
24. Depósito de celda de electrodiálisis de dos
compartimentos, según la reivindicación 23, caracterizado
porque cada una de dichas celdas está definida por una pareja de
membranas bipolares de intercambio iónico (170, 196, 171) con
membranas de intercambio aniónico (172, 194) entre dichas membranas
bipolares (170, 196, 171), estando dichas juntas (55, 59, 60, 62,
64, 166, 168) fijadas entre dichas membranas (170, 171, 172, 180,
192, 194, 196) para formar dicho depósito.
25. Depósito de celda de electrodiálisis de tres
compartimentos, según la reivindicación 23, caracterizado
porque las membranas de intercambio catiónico (180, 192) y aniónico
(172, 194) están colocadas entre una pareja de membranas bipolares
(170, 196, 171), estando dichas juntas (55, 59, 60, 62, 64, 166,
168) colocadas entre y selladas entre y contra dichas membranas
(170, 171, 172, 180, 192, 194, 196).
26. Depósito de celda de electrodiálisis, según
la reivindicación 20, caracterizado por un ánodo recubierto
de un óxido de un metal noble (154) en un extremo de dicho
depósito.
27. Depósito de celda de electrodiálisis, según
la reivindicación 20, caracterizado por un ánodo (154) en un
extremo de dicho depósito, siendo dicho ánodo (154) óxido de rutenio
que cubre un sustrato de titanio.
28. Depósito de celda de electrodiálisis, según
la reivindicación 26, caracterizado por un electrolito en
forma de una solución diluida de un ácido inorgánico que circula en
los compartimentos del electrodo.
29. Celda de electrodiálisis, según la
reivindicación 28, caracterizada porque el ácido es ácido
sulfúrico.
30. Celda de electrodiálisis, según la
reivindicación 27, caracterizada por un compartimento de base
(164) situado cerca de una membrana de intercambio catiónico (180,
192) que, a su vez, está contiguo a un anolito.
31. Celda de electrodiálisis que comprende una
serie de componentes, empezando con un ánodo (154) y acabando con
un cátodo (160), una serie de celdas que están situadas entre dicho
ánodo (154) y cátodo (160), estando cada celda definida por una
pareja de membranas bipolares (170, 196, 171) con una membrana de
intercambio (172, 180, 192, 194) entre dichas membranas bipolares
(170, 196, 171), tomando dichas membranas de intercambio (172, 180,
192, 194) de un grupo que consiste en membranas catiónicas (180,
192) y membranas aniónicas (172, 194), teniendo cada una de dichas
celdas un compartimento de ácido (162) y un compartimento de base
(164), estando dicho compartimento formado por una junta (55, 59,
60, 62, 64, 166, 168) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a
19.
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