ES2334601B1 - Procedimiento para la desmineralizacion, desalinizacion y desbacterizacion de aguas por ultrasonidos. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la desmineralización, desalinización y desbacterización de aguas por ultrasonidos.

La presente invención se refiere a un procedimiento para la desmineralización, desalinización y desbacterización de aguas por ultrasonidos en el que, mediante la aplicación de ultrasonidos, se eliminan los agentes patógenos y se decantan minerales no deseados (aguas con alto contenido en hierro, sales calcáreas o sales de sodio, de magnesio, etc..., inclusive las sales del agua de mar) gracias a la regulación de la cavitación.

Description

Procedimiento para la desmineralización, desalinización y desbacterización de aguas por ultrasonidos.

Uno de los grandes problemas que afronta la humanidad es el disponer de agua potable en cantidad y calidad suficiente ya que, como el aire y la luz solar, resulta indispensable para la vida sobre el planeta.

Las principales fuentes de agua son las provenientes de las lluvias (pluviales), las de corrientes de agua como ríos, arroyos, lagos (superficiales), las de corrientes o reservorios que se encuentran en el subsuelo (freáticas), las que constituyen mares y océanos (marinas), las que constituyen las masas polares y las aguas efluentes de la actividad vital del hombre o de las industrias (servidas). Los gases de combustión de los derivados del petróleo (principalmente generados por los vehículos automóviles), los emergentes de los procesos industriales y los de ciertos tipos de generadores de energía eléctrica son los principales contaminantes del agua de lluvia, que la transforman en no potable. Las aguas servidas a domicilio y emergentes de los procesos industriales son los principales contaminantes de las aguas superficiales y freáticas por contener productos químicos y/o biológicos diversos (microorganismos y/o virus) que afectan la salud de seres humanos, animales y/o vegetales. Algunos tipos de aguas freáticas tampoco son potables o utilizables para uso doméstico o industrial o simplemente para el riego debido a la concentración y el tipo de minerales que contienen.

Son conocidos muchos procedimientos de potabilización de agua contaminada biológicamente tales como pasteurización, electrolisis, destilación (teniendo en cuenta siempre la posterior aireación necesaria), potabilización térmica, multiefecto, con luz ultravioleta, por compresión de gases, expansiones múltiples (multiflash), ozonización, ultrasonido, ósmosis inversa, etc. Para los requerimientos de ciertas zonas que hoy padecen severas deficiencias de agua potable, los recursos disponibles de agua contaminadas sólo biológicamente también son escasos y los procesos de potabilización conocidos resultan lentos, insuficientes y/o caros.

Ya que los ultrasonidos son útiles para la esterilización de líquidos, es el objetivo de esta solicitud conseguir un procedimiento de potabilización de agua por ultrasonidos. A este respecto se encontraron los siguientes antecedentes registrados en las patentes WO 9737937, publicada el 16-10-97 con el título "Diseño de ultrasonidos para la esterilización de líquidos"; DE 19652127, del 18-6-98 titulada "Equipo de ultrasonidos para eliminar gases disueltos"; WO 9817584 del 30-4-98 "Tratamiento por ultrasonidos de agua y otros fluidos"; GB 2350106 del 22-11-2000 titulada "Destrucción de agentes patógenos por ultrasonidos"; WO 2005005322 "Diseños y procesos para el uso de tratamientos por ultrasonidos".

Mediante la aplicación de ultrasonidos bajo determinadas condiciones, el solicitante ha logrado no sólo la eliminación de agentes patógenos, sino también la decantación de los minerales más frecuentes, por medio de la regulación del fenómeno de cavitación del líquido, pudiendo así lograr simultáneamente la potabilización de aguas que hasta la presente resultaban inutilizables por el alto costo de eliminación de los minerales por otros sistemas, como es el caso, entre otros, de aguas con un alto contenido en hierro, sales calcáreas o sales de sodio, de magnesio, etc... (agua de mar).

Los ultrasonidos son vibraciones sonoras que se producen en el entorno y que no son percibidas por el ser humano por ser su frecuencia superior a la que puede captar el sentido del oído. Los ultrasonidos naturales más conocidos popularmente son aquellos que emiten los murciélagos para orientarse en la oscuridad y los emitidos por los delfines; los menos conocidos son aquellos procedentes de objetos que se golpean, los de mecanismos en los que hay rozamientos, los de algunas deformaciones de materiales, etc. Los ultrasonidos artificiales son los creados especialmente para tratamientos terapéuticos, de diagnóstico, para comunicarse con animales (silbatos para dar órdenes a perros, etc.), para fines científicos o industriales. El oído humano sólo percibe sonidos de entre 20 Hz y 20 KHz, por lo que toda frecuencia de vibración mayor a 20 KHz es denominada ultrasonido.

El comportamiento de las vibraciones sonoras es igual para las frecuencias de los sonidos audibles que para las de los ultrasonidos, por tanto se propagan a través de gases, fluidos y sólidos, variando en cada caso la velocidad de propagación de acuerdo con la vibración de las partículas, pudiendo lograrse hasta su reflexión o rebote (conocido vulgarmente como eco). Ya que desde el punto de vista físico se conocen las leyes que rigen las vibraciones sonoras, así como sus efectos, por extrapolación puede preverse el comportamiento de las vibraciones ultrasónicas.

El ultrasonido utilizado en frecuencias muy superiores al mínimo audible supera ampliamente las dimensiones de las moléculas, por lo que los medios pueden considerarse continuos por no tener ninguna relevancia en este caso los efectos cuánticos y, por tanto, se puede considerar la propagación como un movimiento ondulatorio simple donde, en fluidos, la transmisión de esas ondas puede considerarse lineal, teniendo siempre en cuenta las contracciones y dilataciones del fluido de acuerdo con la temperatura, presión, etc. del entorno cuando se trabaja bajo las condiciones ambientales.

Otro parámetro que es necesario tener en cuenta es la densidad del fluido al que habrá de aplicarse el ultrasonido, dado que la velocidad de propagación de las vibraciones sonoras disminuye con el aumento de la densidad del fluido.

En los sólidos, la transmisión de las vibraciones sonoras puede considerarse como propagándose principalmente en dos direcciones: una en forma lineal, como en los fluidos, y otra perpendicular a la anterior o en cizalladura, por lo que se produce un reparto de la energía inicial aplicada en ambos sentidos. Desde el punto de vista industrial es necesario tener en cuenta este efecto, ya que se produce una pérdida de energía en el frente de onda y por ello resulta necesario analizar pormenorizadamente los materiales del recipiente que habrá de contener al fluido al que se va a aplicar el ultrasonido, minimizar los sistemas de control y análisis que deban encontrarse sumergidos en el mismo, así como los materiales en que éstos se han fabricado.

También es necesario tener en cuenta la forma del recipiente, ya que en todo lo analizado precedentemente se ha considerado que la vibración se transmite en el infinito, sin considerar que ésta sufre variaciones si se encuentra acotada (como es el caso de la mayoría de los instrumentos musicales, cuyo resultado no es el mismo si se varía la forma del recipiente por el que la onda se expande o el material del mismo), ya que algunas direcciones de las ondas generadas van a estar sometidas a los efectos de su parcial reflexión sobre la superficie del recipiente y otras van a ser transmitidas al exterior a través de las paredes del recipiente contenedor del fluido, incidiendo en esto el material en que éste esté conformado (refracción).

Otro fenómeno que resulta importante tener en cuenta para las aplicaciones que puede tener el ultrasonido es el de cavitación, fenómeno que se da en líquidos y en sólidos en estado de fusión, que consiste en la formación de burbujas de líquido en estado gaseoso y su violenta explosión en el mismo, creando ondas expansivas localizadas de alta presión. Como es sabido, todos los líquidos en condiciones normales poseen como mínimo cierta proporción de aire y del propio líquido en estado gaseoso en disolución. Al aplicar calor a un líquido se forman burbujas que tienden a ir hacia la superficie y, al llegar a ésta y entrar en contacto con la presión atmosférica reinante, generalmente menor que la presión interior del gas en la burbuja, ésta explota con mayor o menor intensidad.

Aplicando ultrasonidos a líquidos se forman burbujas de líquido en el estado de vapor, las que tienden a ir a la superficie, pero que, en determinadas condiciones, explotan violentamente en el seno del líquido sin llegar a la superficie, efecto que se denomina cavitación. Las burbujas explotan cuando el valor de la relación entre la presión de vapor dentro de la burbuja y la del líquido supera el de la tensión superficial de dicha burbuja. La violencia de la explosión de cada burbuja crea ondas localizadas de alta presión, presión que se expande en el líquido disminuyendo hasta lograr igualar nuevamente la presión del líquido, si la aplicación del ultrasonido no es continua. El volumen de la zona de alta presión que se crea en el seno del líquido depende de la potencia lograda en la explosión. A mayor tamaño de las burbujas, mayor presión generada y mayor es la zona de alcance dentro del líquido.

Una vez comenzada la aplicación del ultrasonido al líquido se forman burbujas, si se continúa con el ultrasonido éstas se agrandan y aglutinan hasta explotar, pero además se da el conocido efecto de que las pequeñas burbujas, cuando se encuentran próximas entre sí, tienden a aglutinarse formando burbujas más grandes, que también pueden explotar.

Para utilizar el efecto de la cavitación con fines industriales no sólo es necesario ajustar perfectamente el ultrasonido aplicado considerando el conocido comportamiento de las vibraciones sonoras (todos los parámetros precedentemente descritos), sino también tener en cuenta la densidad de formación de burbujas (cantidad de burbujas por unidad de volumen de líquido) y su tamaño, por lo que para favorecer tales condiciones puede aplicarse el conocido efecto que ejercen las puntas, para lo que pueden agregarse salientes o puntas en el recipiente o piezas con múltiples puntas de material lo más inerte posible.

Las condiciones en que se aplica el ultrasonido y la frecuencia de éste dependerán, además, del líquido de que se trate, de la concentración de minerales que se pretende decantar y de la solubilidad de éstos en el líquido.

El titular de esta solicitud no ha encontrado antecedentes de que los ultrasonidos se hayan empleado para la decantación de minerales, sales de agua de mar y otros componentes no deseados de líquidos que los contengan.

Experimentalmente, todo lo precedentemente expuesto aplicado a la potabilización de diferentes tipos de aguas no utilizables para el uso doméstico ni industrial dio excelentes resultados, ya que la frecuencia de ultrasonido necesaria a aplicar para la decantación de los minerales naturales que suelen encontrarse comúnmente permite eliminar también los microorganismos.

El presente procedimiento también puede ser aplicado para la completa eliminación de agentes patógenos de aguas servidas, como complemento de los agentes químicos utilizados hasta el presente, antes de que estas aguas sean vertidas en corrientes de agua tales como mares y océanos, a efectos de minimizar los productos químicos vertidos a tales corrientes, que pueden afectar el normal desarrollo de la vida acuática.

Breve descripción de las figuras

Los diagramas de bloque adjuntos (Figura I y Figura II) muestran dos procedimientos para la potabilización de aguas por ultrasonidos. La Figura I es un diagrama de bloques correspondiente a una primera forma de realización del procedimiento según la invención. La Figura II es un diagrama de bloques correspondiente a una segunda forma de realización del procedimiento de la invención.

Exposición detallada de dos formas de realización de la invención

En la Figura I: (1) sensor, (2) transductor, (3) amplificador de ultrasonidos (que puede estar constituido por uno o varios amplificadores, donde uno de ellos puede estar conectado a un controlador de potencia por variación de frecuencia), (4) amplificador de banda ancha, (5) amplificador de la señal del sensor, (6) modulador de frecuencia, (7) amplificador diferencial, (8) oscilador y (9) dispositivo inteligente.

La Figura II muestra otra disposición con los mismos elementos.

Según las formas de realización del procedimiento de la invención que describen las figuras: por ejemplo el modulador (6) modula las frecuencias entre dos de los osciladores (8c) con la señal del último oscilador (8b), que pasa a través del amplificador diferencial (7), esta señal es recibida entonces por el amplificador de banda ancha (4), que la amplifica y la envía al o a los amplificadores de potencia (en caso de que sean éstos varios, cada amplificador responderá a frecuencias diferentes, por lo que la señal entonces activará el que se corresponda con la frecuencia que se esté trasmitiendo). El amplificador de potencia provoca entonces la cavitación en el recipiente, el sensor lo registra y lo transmite a su amplificador de señal (5), el cual activa otro de los osciladores (8a), anulando la del (8b), lo que será trasmitido al dispositivo inteligente (9), que cambiará la frecuencia de los osciladores (8b) y (8c), reanudándose el circuito pero con otro de los amplificadores de potencia. En el caso de contar con un controlador de potencia conectado a (3), éste regulará la alimentación del o de los amplificadores de potencia, logrando modular la amplitud de la señal que llega al transductor.

Ejemplo

Se tomaron tres muestras 1 a 3 y se sometieron a análisis mediante los dispositivos mostrados en las Figuras:

Muestra 1: no aconsejable para consumo humano y con un elevado contenido en hierro, sin agentes patógenos.

Muestra 2: con agentes patógenos en cantidades que duplicaban lo permitido para considerarla potable.

Muestra 3 (agua de mar): con sales de sodio, magnesio, etc. y agentes patógenos (coliformes) en niveles superiores a lo permitido para declarar la zona apta para el baño.

Tras someter las tres muestras independientemente a la acción de los ultrasonidos según el procedimiento de la presente invención, derivado de los Esquemas según las Figuras I y II, el análisis posterior de las tres muestras dio como resultado para todas ellas que se trataba de agua dulce potable de muy buena calidad, libres todas de agentes patógenos.

Las aplicaciones de este procedimiento pueden alcanzar a todo proceso que requiera aguas libres de ciertos minerales y/o de microorganismos patógenos, por ejemplo la acuicultura (piscicultura, ranicultura, etc...).

Se trata de una utilización bajo determinadas condiciones de efectos conocidos para lograr un resultado sorprendente de aplicación industrial que soluciona un problema planteado mediante un procedimiento novedoso.

Claims (5)

1. Procedimiento para la desmineralización, desalinización y desbacterización de aguas por ultrasonidos caracterizado porque se produce la máxima cavitación en el seno del fluido mediante la regulación de la frecuencia y la intensidad de los ultrasonidos eliminándose los agentes patógenos y decantándose sólo los minerales no deseados simultáneamente.

2. Procedimiento para la desmineralización, desalinización y desbacterización de aguas por ultrasonidos según la reivindicación 1, caracterizado porque en el seno del fluido además se emplean puntas de materiales inertes para lograr la máxima cavitación.

3. Procedimiento para la desmineralización, desalinización y desbacterización de aguas por ultrasonidos según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el procedimiento se logra mediante un modulador (6), que modula las frecuencias entre dos de los osciladores (8c) y (8b) que pasan a través de un amplificador diferencial (7).

4. Procedimiento para la desmineralización, desalinización y desbacterización de aguas por ultrasonidos según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la señal procedente del amplificador diferencial (7) es recibida por el amplificador de banda ancha (4) y, ya amplificada, la envía al o a los amplificadores de potencia (en el caso de que sean éstos varios, cada amplificador responderá a frecuencias diferentes, por lo que la señal activará el que corresponda a la frecuencia que esté trasmitiendo), el amplificador de potencia provoca la cavitación en el seno del fluido, que el sensor registra y transmite a su amplificador de señal (5), el cual activa el oscilador (8a) anulando el (8b), lo que es trasmitido al dispositivo inteligente (9), que cambia la frecuencia de los osciladores (8b) y (8c), reanudándose el circuito pero con otro de los amplificadores de potencia.

5. Procedimiento para la desmineralización, desalinización y desbacterización de aguas por ultrasonidos según las reivindicaciones 3 y 4, caracterizado porque además se dispone un controlador de potencia conectado al o a los amplificadores de potencia (3) modulando la amplitud de la señal que llega a un transductor (2).