ES2336659T3 - Aparato y metodo para producir agua purificada que tiene pureza microbiologica elevada usando un conjunto de membrana de osmosis inversa. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de purificación de agua (81) que tiene: una entrada de agua de alimentación; dos conjuntos de filtros de ósmosis inversa (72, 74) para recibir agua de alimentación de la entrada de agua de alimentación; recibiendo un conjunto de filtros de ósmosis inversa de primer paso (72) agua de alimentación de la entrada de agua de alimentación y recibiendo un conjunto de filtros de ósmosis inversa de segundo paso (74) agua purificada del conjunto de filtros de ósmosis inversa de primer paso (72), incluyendo el sistema además un sistema de reciclado de agua de rechazo para reciclar el agua de rechazo del conjunto de filtros de ósmosis inversa de primer paso (72) y el conjunto de filtros de ósmosis inversa de segundo paso (74) al conjunto de filtros de ósmosis inversa de primer paso (72); un sistema de distribución de agua purificada para distribuir agua purificada a puntos de uso (62) y para devolver agua purificada a al menos uno de dichos conjuntos de filtros de ósmosis inversa (72, 74) para purificar continuamente el agua y asegurar la pureza microbiológica en dicha agua purificada, estando acoplado el sistema de distribución de agua purificada a al menos uno de dichos conjuntos de filtros de ósmosis inversa (72, 74) sin ningún almacenamiento o depósito de agua intermedio e, incluido en dicho sistema de distribución de agua purificada: - una bomba de velocidad variable (70) para bombear el agua de alimentación a dichos conjuntos de membranas de ósmosis inversa para crear una presión de agua suficiente en el sistema de distribución para mantener el dióxido de carbono en solución y producir un medio ácido; - medios para el ajuste del pH y la conductividad (56) del agua purificada que deja el conjunto de filtros de ósmosis inversa de segundo paso (74), estando adaptados dichos medios para el ajuste del pH para eliminar gas dióxido de carbono del agua purificada, y - un eductor (8) acoplado a dichos medios para el ajuste del pH (55) y a la bomba (70) para devolver el gas dióxido de carbono al suministro de agua de alimentación para dicho conjunto de membranas de ósmosis inversa de primer paso (72).
Description
Aparato y método para producir agua purificada
que tiene pureza microbiológica elevada usando un conjunto de
membrana de ósmosis inversa.
Esta invención se refiere a un sistema de
purificación de agua que incorpora un conjunto de membranas de
ósmosis inversa de doble paso para filtrar el agua pretratada y a
un método de funcionamiento de dicho sistema.
En la Fig. 1 se ilustra un sistema de
purificación de agua típico de la técnica anterior. El agua de
suministro se pretrata en 20 y se suministra a un primer depósito
de almacenamiento 22 antes del calentamiento en un intercambiador
de calor 24 a una temperatura de funcionamiento de la membrana
especificada, típicamente a 25ºC. El equipo de pretratamiento, que
se basa en la calidad del agua potable de origen, típicamente
comprende un filtro multimedia para eliminar el material en forma
de partículas, un agente de reblandecimiento para eliminar las
incrustaciones de minerales, un filtro de carbono para eliminar el
cloro/cloraminas o un sistema de inyección de agentes químicos que
usa un agente químico de tipo bisulfito, posiblemente una estación
UV para destruir bacterias, y prefiltros (de 1-10
\mum) para eliminar el material en forma de partículas antes de
que el agua entre en el sistema de ósmosis inversa. Después de
algunas adiciones químicas 26, el agua se suministra a un conjunto
de membranas de ósmosis inversa 28 y el agua purificada se trata con
luz ultravioleta en una primera estación UV 30, se desioniza en la
estación de desionización 32, se trata en una segunda estación UV
34 y se pasa a través de un primer filtro de esterilización 36 antes
de suministrarse a un segundo depósito de almacenamiento 38. El
agua se extrae del segundo depósito de almacenamiento 38 en diversos
puntos de uso indicados, en general, por el número de referencia 40
después de un tratamiento apropiado que incluye una tercera
estación UV 42, un segundo filtro de esterilización 44 y un segundo
intercambiador de calor 46 para mantener temperaturas ambientales.
El agua procedente del segundo depósito de almacenamiento 38 también
se recircula a través de un sistema de ozonización 48 con una bomba
50 para reducir el desarrollo de bacterias. Un diseño de control
microbiano alternativo puede incluir un intercambiador de calor para
la desinfección periódica por calor.
En la Fig. 1 se observará que el exceso de agua
rechazada del conjunto de membranas de ósmosis inversa 28 se extrae
a través de la bomba 52 para recircularse al conjunto de membranas
de ósmosis inversa 28 mientras que el resto del agua rechazada se
envía al desagüe. El funcionamiento del sistema se controla con el
controlador lógico programado (PLC) central indicado en 54.
El sistema es bastante complicado ya que tiene
muchas tecnologías para la monitorización y el control. La mayoría
de estos tipos de sistemas se construyen a medida debido a la
variabilidad del agua de origen y las complejidades de las
diferentes demandas de producción. Con la estrategia actual en la
industria, un operario humano no puede controlar y monitorizar
todas las variables a un nivel satisfactorio. Esto necesita un
sistema de control PLC caro. El sistema PLC también se diseña a
medida debido a las consideraciones anteriores. La complejidad de
este sistema impone largos tiempos de entrega para el suministro del
equipo. Una vez que el equipo está puesto en su sitio, se emplea un
proceso largo para ajustar todas las tecnologías con el fin de
mantener la calidad de agua deseada. Deben realizarse una limpieza y
desinfección regular en el equipo para asegurar la integridad
microbiana. Debido a la diversidad y complejidad del equipo
empleado, el mantenimiento es alto. Si falla una pieza del equipo,
se detiene el proceso de producción de agua. Dependiendo de la
localización del fallo, puede ser necesaria la desinfección del
equipo o el sistema antes de ponerlo de nuevo en servicio. Esto
representa una pérdida del tiempo de producción. La complejidad del
equipo impone una investigación y ensayo minuciosos antes de
proporcionar el sistema para la producción. Se necesita un gran
aporte de energía para templar el agua (aumentar la temperatura a
20-25ºC) para alimentar el sistema y satisfacer las
especificaciones de la membrana de ósmosis inversa. Además, se
requiere un alto consumo de energía y una gran cantidad de mano de
obra para mantener el sistema dentro de las especificaciones. El
porcentaje de recuperación de agua o el rendimiento es bajo, siendo
típicamente de 60 a 75 por ciento de la demanda del sistema.
Los microorganismos, específicamente las
bacterias, forman biopelículas, que es un polímero orgánico
extracelular (de naturaleza polisacárida). Las biopelículas también
pueden incorporar iones metálicos divalentes que pueden formar una
estructura de red consistente en masa orgánica e inorgánica. Esta
estructura protege a los organismos de los agentes químicos de la
desinfección y limpieza. Una vez que se desarrolla esta formación
dentro de un sistema es muy difícil eliminarla.
El depósito de almacenamiento es un caldo de
cultivo de microorganismos a menos que se aplique un sistema de
ozonización. Esta opción requiere una gran cantidad de capital y
tiene gastos asociados de funcionamiento y mantenimiento. Además,
el ozono es una sustancia peligrosa que requiere precauciones de
seguridad apropiadas. El ozono es una sustancia añadida al agua
purificada para controlar la integridad microbiana. En sistemas que
no emplean ozono, los microbios sedimentarán sobre la superficie del
depósito debido al poco movimiento del agua (sin velocidad) y
producirán una biopelícula. Los organismos que flotan libremente
(planctónicos) se reproducirán y contaminarán el sistema de
distribución. La biopelícula protegerá a los organismos de la
desinfección química y permitirá su reproducción. Se reducirá la
eficacia de la desinfección química. Los sistemas que emplean
desinfección con calor requieren gran cantidad de capital y energía
y no eliminan la biopelícula.
El sistema de purificación de agua típico de la
técnica anterior no está diseñado para impedir el crecimiento de
microbios. La estrategia ha sido permitir el aumento de la población
microbiana hasta un cierto intervalo en cuanto al número, y después
la limpieza y/o desinfección del sistema, reduciendo de esta manera
la población microbiana. Los procedimientos microbiológicos
requieren un periodo de incubación de aproximadamente dos días o
más antes de la enumeración. El retraso de los resultados puede
hacer que el sistema esté fuera de la especificación en cuanto al
número de microbios antes de la limpieza y desinfección. Como
alternativa, se realiza un régimen de limpieza y/o desinfección
programado de alta frecuencia para reducir la posibilidad de que el
número de microbios supere la especificación. Esta estrategia
requiere mucha mano de obra y energía e impide el uso del sistema
mientras se están realizando los procedimientos. El diseño de la
técnica anterior no reduce o impide intrínsecamente el crecimiento
de microorganismos durante el proceso de purificación de agua.
En la técnica anterior se han descrito diversos
intentos de regular la conductividad del agua de alta pureza
producida. Un problema importante identificado en un sistema de
ósmosis inversa de doble paso es la dificultad para rechazar gases
tales como el dióxido de carbono. El dióxido de carbono presente en
el agua de alimentación pasará a través de las membranas de primer
paso y las membranas de segundo paso formando ácido carbónico y los
productos de la ecuación en equilibrio correspondientes, lo cual
tiene como resultado una mayor conductividad del agua producida.
Este fenómeno se considera negativamente por la técnica anterior, ya
que el aumento de conductividad se percibe como una reducción de
calidad.
Las siguientes ecuaciones expresan la formación
de ácido carbónico y el equilibrio:
\vskip1.000000\baselineskip
- H_{2}O + CO_{2} (ac) \leftrightarrows H_{2}CO_{3} (ac)
\vskip1.000000\baselineskip
- H_{2}CO_{3} (ac) \leftrightarrows H^{+} (ac) + HCO_{3}^{-} (ac)
- HCO_{3}^{-} (ac) \leftrightarrows H^{+} (ac) + CO_{3}^{2-} (ac)
\vskip1.000000\baselineskip
En varias patentes de Estados Unidos, de las que
algunas se describen a continuación, se describen métodos que se
han intentado para eliminar el dióxido de carbono. En los documentos
US 4.574.049 y US 5.997.745 se añade un agente alcalino entre el
primer y segundo paso para convertir el gas dióxido de carbono en
carbonato que se rechaza por las membranas de segundo paso. En el
documento US 5.766.479 se usa la adición de un material alcalino
antes del primer paso junto con un ácido en el segundo paso con o
sin un módulo de separación de gas-líquido. En las
patentes de Estados Unidos 5.156.739 y 5.670.053 se describe la
eliminación de gas por contactores de membrana permeable a gas
hidrófoba. En los documentos US 5.338.456 y US 5.250.183 se explica
la eliminación por un descarbonatador de circulación forzada y un
desgasificador al vacío. En el documento US 5.925.255 se describe
la eliminación por un descarbonatador de circulación
forzada/inducida antes o después de un sistema de ósmosis inversa
de dos pasos. Una solución descrita en el documento US 6.258.278 es
tratar primero el agua de alimentación con una resina aniónica de
base fuerte y posteriormente eliminar el dióxido de carbono para
mantener un alto valor de pH de 6 a 9,5. Los documentos US 6.080.316
y US 6.126.834 describen el uso de inyecciones cáusticas para
ajustar el pH del agua suministrada que se controla por un PLC
basándose en las medidas de resistividad del agua producida. Estas
patentes más otras describen un proceso de eliminación de CO_{2}
o métodos para impedir el transporte del CO_{2} al agua producida.
Estas patentes consideran negativamente el aumento de conductividad
debido a la presencia de CO_{2} en el agua producida.
La patente de Estados Unidos 4.773.993 describe
un aparato para purificar y dispensar agua con medios que impiden
el estancamiento, que comprende una bomba de alta presión, una
unidad de ósmosis inversa, un abrillantador y una línea de
circulación.
El documento
DE-A-3106772 describe un sistema de
ósmosis inversa de un solo paso en el que el infiltrado procedente
de un módulo de ósmosis inversa se distribuye a un usuario o se
recircula a un depósito atmosférico donde se añade dióxido de
carbono al agua. El depósito está localizado aguas arriba de una
bomba en tándem que suministra el agua al módulo de ósmosis
inversa. El sistema de ósmosis inversa emplea un sistema de
circulación auxiliar cuando el sistema de purificación está
apagado.
Los sistemas de purificación de agua de la
técnica anterior típicamente están diseñados para producir el agua
purificada a una velocidad definida. Normalmente se basan en la
demanda de volumen máximo de agua requerido durante un periodo de
tiempo (hora, turno, día o número de máquinas de diálisis, etc.).
Para conseguir esta velocidad puede dimensionarse un depósito de
almacenamiento para proporcionar esta velocidad máxima con un
volumen mínimo de tampón de aproximadamente 20 por ciento. Los
sistemas no pueden variar su velocidad de producción en más de un
pequeño porcentaje de la velocidad original diseñada.
El objeto de la invención es proporcionar un
mejor medio para producir agua que satisfaga las especificaciones
del Agua Purificada y Agua para Inyección definidas por la
Convención de la Farmacopea de los Estados Unidos Inc. (definida,
pero sin limitación, en la edición actual XXV) y las
especificaciones del agua para diálisis definidas por la Asociación
Americana para el Avance de la Instrumentación Medica (AAMI).
La invención proporciona un medio para purificar
agua que suministra el agua purificada al punto o puntos de uso
para permitir que el agua se extraiga inmediatamente a petición. El
agua que no se usa inmediatamente se recicla y se repurifica para
asegurar la calidad continua.
Otro objeto de la invención es proporcionar agua
purificada directamente al punto o puntos de uso sin la necesidad
de un sistema de almacenamiento y distribución. El medio para
proporcionar el agua directamente al punto de uso es una parte
integral del proceso de purificación.
El objetivo de la invención es proporcionar agua
purificada que tenga un número muy bajo de microbios. Otro objeto
más de la invención es proporcionar un medio para purificar agua,
que no conduzca al desarrollo de microorganismos dentro del proceso
de purificación.
Además, el objeto de la invención es
proporcionar un medio para eliminar microorganismos que pueden
desarrollarse dentro del proceso de purificación.
El objeto de la invención también es
proporcionar velocidades de producción variables para satisfacer los
requisitos variables de la demanda. Además, esto ahorra energía y
agua.
Otro objeto de la invención es proporcionar un
medio para autolimpiar el sistema de purificación de incrustaciones
de minerales y microorganismos.
Otro objeto más de la invención es permitir que
el sistema se autopurgue de agua purificada que no satisface los
parámetros de conductividad o temperatura.
Los objetos de esta invención incluyen la
disposición de un sistema de purificación de agua que puede hacerse
funcionar para producir agua de alta pureza con una inversión
reducida de capital y con menores costes de funcionamiento.
\vskip1.000000\baselineskip
La invención se describe en las reivindicaciones
1 a 13. La desinfección y limpieza del sistema se realizan
controlando el pH de forma que normalmente es ácido a diferencia de
los sistemas de la técnica anterior, y esto se hace de forma
natural sin ninguna adición de ácido por medio del mantenimiento de
una concentración elevada de dióxido de carbono en solución,
concentrándose el dióxido de carbono en el infiltrado a partir de
un conjunto de membranas de ósmosis inversa usado para purificar el
agua. Para aumentar el pH a valores neutros para los usos finales o
reducir la conductividad del agua purificada en lo aportado por el
CO_{2}, puede añadirse una base o puede dejarse que se escape el
dióxido de carbono de la solución.
\vskip1.000000\baselineskip
Para entender mejor la invención, a continuación
se describen realizaciones ilustrativas de un sistema de
purificación de agua haciendo referencia a los dibujos adjuntos en
los que:
La Fig. 1 es un diagrama de flujo esquemático
que muestra un sistema de purificación de agua típico de la técnica
anterior que incluye un conjunto de membranas de ósmosis inversa de
un solo paso y un sistema de distribución que incluye un depósito
de almacenamiento;
La Fig. 2 es un diagrama de flujo esquemático
que muestra un sistema de purificación de agua fuera de la invención
y que incluye un conjunto de membranas de ósmosis inversa de doble
paso con puntos de uso y que funciona a una temperatura baja;
La Fig. 3 es un diagrama de flujo esquemático
que muestra un sistema de purificación de agua fuera de la invención
y que incluye un conjunto de membranas de ósmosis inversa de doble
paso con puntos de uso y que funciona a una temperatura elevada, o
que se va a hacer funcionar en frío y que se va a desinfectar
periódicamente con agua calien-
te;
te;
La Fig. 4 es un diagrama de flujo esquemático
que muestra un sistema de purificación de agua fuera de la invención
y que incluye un conjunto de membranas de ósmosis inversa de doble
paso con puntos de uso y que funciona a una baja temperatura, y que
tiene una vuelta de bucle de serpentina después del sistema de
purificación para la circulación continua en el bucle;
La Fig. 5 es un diagrama de flujo esquemático
que muestra un sistema de purificación de agua fuera de la invención
y que incluye un conjunto de membranas de ósmosis inversa de doble
paso con puntos de uso y que funciona a alta temperatura y que
tiene una vuelta de bucle de serpentina para recircular el exceso de
infiltrado no usado en los puntos de uso;
La Fig. 6 es un diagrama de flujo esquemático
que muestra un sistema de purificación de agua fuera de la invención
y que incluye un conjunto de membranas de ósmosis inversa de doble
paso con puntos de uso y que funciona tanto a alta temperatura como
a baja temperatura;
La Fig. 7 es un diagrama de flujo esquemático
que muestra un sistema de purificación de agua fuera de la invención
que es similar al sistema dibujado en la Fig. 2 pero que incluye
pequeños módulos de desgasificación para extraer muestras de una
fracción del agua producida;
La Fig. 8 es un diagrama de flujo esquemático
que muestra un sistema de purificación de agua fuera de la invención
que es similar al sistema dibujado en la Fig. 2 pero que incluye un
módulo de desgasificación grande para eliminar el CO_{2} de todo
el agua producida.
La Fig. 9 es un diagrama de flujo esquemático
que muestra un sistema de purificación de agua de acuerdo con la
invención que es similar al sistema dibujado en la Fig. 2 pero que
incluye un módulo de desgasificación grande para eliminar el
CO_{2} de toda el agua producida en asociación con un eductor para
devolver el CO_{2} al sistema aguas arriba de un primer conjunto
de membranas de ósmosis inversa;
La Fig. 10 es un gráfico que muestra la
reducción de pH a lo largo del tiempo del agua que circula sobre
membranas de ósmosis inversa de primer paso cuando el sistema está
funcionando en un modo de reposo o de circulación;
La Fig. 11 es un gráfico que muestra la
reducción de conductividad a lo largo del tiempo del agua que
circula sobre membranas de ósmosis inversa de primer paso cuando el
sistema está funcionando en modo de reposo o de circulación; y
La Fig. 12 es un gráfico que muestra la
reducción de alcalinidad a lo largo del tiempo del agua que circula
sobre membranas de ósmosis inversa de primer paso cuando el sistema
está funcionando en modo de reposo o de circulación.
La invención se describe en las reivindicaciones
1 a 13.
En su realización más sencilla, un sistema de
purificación de agua de acuerdo con la invención e indicado en
general por el número de referencia 81 en la Fig. 9, tiene agua
purificada (infiltrado) extraída directamente del proceso de
purificación en los puntos de uso indicados en general por el número
de referencia 62 sin ningún almacenamiento previo en un depósito o
en localizaciones en las que el agua se estanca y es susceptible de
crecimiento bacteriano.
El agua de alimentación se suministra a un
pretratamiento apropiado en 64 y opcionalmente tiene su pH ajustado
a un valor básico por medio de la adición de hidróxido sódico (NaOH)
en 66, después de lo cual se pasa a través de una primera estación
de tratamiento con radiación ultravioleta 68 antes de bombearse con
una bomba 70 de velocidad variable a un primer conjunto de
membranas de ósmosis inversa 72.
El infiltrado procedente del primer conjunto de
membranas de ósmosis inversa 72 se suministra a un segundo conjunto
de membranas de ósmosis inversa 74 y su infiltrado se pasa a través
de una segunda estación de tratamiento con radiación ultravioleta
76 antes de extraerse en diversos puntos de uso 62, cuando sea
necesario. El exceso de agua infiltrada no usada en los puntos de
uso 62 y una parte importante del agua rechazada del primer conjunto
de membranas de ósmosis inversa 72 y todo el agua rechazada del
segundo conjunto de membranas de ósmosis inversa 74 se recicla a
través del primer conjunto de membranas de ósmosis inversa 72
después de pasar a través de la primera estación de tratamiento con
radiación ultravioleta 68. La estación esterilizadora de tratamiento
con radiación ultravioleta 68 se usa para reducir la carga
microbiana que entra procedente del agua de origen pretratada y el
agua de circulación antes de entrar en el conjunto de membranas de
ósmosis inversa de primer paso 72 mientras que la segunda estación
esterilizadora de tratamiento con radiación ultravioleta 76 se usa
para destruir los organismos que finalmente se hayan desarrollado en
el lado aguas debajo de la membrana del segundo conjunto de
membranas de ósmosis inversa 74.
La invención se caracteriza por la ausencia de
un depósito de almacenamiento, que en caso contrario proporcionaría
un sustrato fértil para el crecimiento microbiano y la contaminación
del infiltrado. Esto es posible por medio de una selección de
diseño apropiada de la capacidad de suministro para mantener una
velocidad mínima aproximada de 3 pies/seg. (1 metro/seg.) y
normalmente de 5 a 7 pies/seg. (2 metros/seg.) y haciendo funcionar
el sistema para mantener el infiltrado en circulación. Se sabe que
una velocidad mínima para mantener un estado de flujo turbulento
continuo dentro de la tubería es de aproximadamente 3 pies/seg. (1
metro/seg.). Convenientemente, el mantenimiento de una velocidad
turbulenta mínima reducirá el crecimiento de microorganismos e
impedirá la formación de biopelículas en las paredes de la tubería
del punto de uso.
La velocidad de producción del sistema se diseña
basándose en la demanda de extracción esperada y el tamaño
apropiado de la tubería de serpentina con la velocidad
correspondiente. Suponiendo una velocidad media en la tubería de
1,8 m/seg. (6 pies/seg.), pueden construirse sistemas con los
siguientes tamaños comunes de tuberías:
\vskip1.000000\baselineskip
- Tubería de 1/8'' (3,0 mm)
- 0,2 US gpm (0,85 Lpm)
- Tubería de 3/16'' (4,8 mm)
- 0,5 US gpm (2,1 Lpm)
- Tubería de 1/4'' (6,2 mm)
- 0,9 US gpm (3,8 Lpm)
- Tubería de 3/8'' (9,6 mm)
- 2,0 US gpm (8,5 Lpm)
- Tubería de 1/2'' (12,5 mm)
- 3,6 US gpm (15,0 Lpm)
- Tubería de 3/4'' (19,0 mm)
- 8,0 US gpm (34,0 Lpm)
- Tubería de 1,0'' (25,4 mm)
- 14,5 US gpm (60,0 Lpm)
- Tubería de 1,25'' (32,0 mm)
- 23,0 US gpm (95,0 Lpm)
- Tubería de 1,5'' (36,0 mm)
- 32,0 US gpm (135,0 Lpm)
- Tubería de 2,0'' (51,0 mm)
- 60,0 US gpm (240 Lpm)
- Tubería de 2,5'' (64,0 mm)
- 90,0 US gpm (380 Lpm)
- Tubería de 3,0'' (76,0 mm)
- 130 US gpm (550 Lpm)
- Tubería de 3,5'' (90,0 mm)
- 180 US gpm (750 Lpm)
- Tubería de 4,0'' (100 mm)
- 230 US gpm (950 Lpm)
Etc.
\vskip1.000000\baselineskip
Primero debe descubrirse la demanda máxima
requerida en los puntos de uso 62. Como ejemplo, se requieren 30 US
gpm (120 Lpm) en el punto de uso en una base continua. Para mantener
una velocidad mínima aproximada de aproximadamente 3 pies/seg. (1
metro/seg.) en la vuelta de bucle, un sistema tendría que producir 2
veces la cantidad continua necesaria en el punto de uso. Esto
obligaría a un bucle de distribución de 2 pulgadas (51 mm) y una
velocidad de producción media de aproximadamente 60 US gpm (240
Lpm).
La invención típicamente se diseña con una
superficie específica del primer paso que tiene de 1,5 a un máximo
de 3 veces la superficie específica de las membranas de segundo
paso, pero más habitualmente 2 veces. Idealmente, el flujo de la
membrana de primer paso (caudal por unidad de superficie específica
y por unidad de tiempo) está en un intervalo de 10 a 20 galones por
pie cuadrado por día (de 406 a 812 litros por metro cuadrado por
día). El flujo de alimentación de agua a las membranas de primer
paso típicamente es un mínimo de 3 veces la velocidad de producción
media desde el conjunto de ósmosis inversa de segundo paso 74 para
proporcionar un elevado flujo transversal que reducirá la
obstrucción de las membranas.
\vskip1.000000\baselineskip
Se descubrió un fenómeno que producía dos
efectos. El sistema generalmente se hace funcionar en dos modos de
operación diferentes. El "modo de producción" se define cuando
se está extrayendo agua del sistema. El "modo de circulación o
reposo" de operación se produce cuando no se está extrayendo agua
en los puntos de uso. Todo el agua, excepto el agua rechazada, se
recircula y se repurifica. Un sistema del mismo diseño que se
muestra en la Fig. 2 se hizo funcionar durante 30 minutos en modo de
producción (agua extraída del sistema) en diferentes niveles de
recuperación del producto (80%, 90% y 95%) y después se puso en un
modo de reposo o circulación que tenía los mismos niveles de
recuperación. Osmonics Inc. fabricó las membranas de poliamida,
denominación de modelo AK8040, usadas en el sistema.
El suministro de agua corriente primero se
sometió a un reblandecimiento y después de descloró usando un
sistema de inyección de bisulfito, antes de un sistema de filtro de
cartucho de 5,0 micrómetros. El agua de alimentación tenía un pH de
7,2, una conductividad de 340 \muS/cm y una alcalinidad de 119 ppm
(en forma de CaCO_{3}).
\newpage
Después de un periodo de estabilización de la
producción de 30 minutos, se recogieron muestras del agua circulante
suministrada a las membranas de primer paso para determinar el pH,
la conductividad y la alcalinidad en función del tiempo para cada
nivel de recuperación del producto. Las Figs. 10, 11 y 12 muestran
el efecto del modo de circulación a lo largo del tiempo para la
reducción del pH, conductividad y alcalinidad respectivamente.
La conductividad del agua de circulación, que
consistía en la nueva agua que entraba en el sistema, la mayor
parte del agua reciclada del rechazo del primer paso, toda el agua
rechazada del segundo paso y toda el agua del producto, se redujo a
menos de la mitad de la conductividad del agua de alimentación que
entraba. Además se observó un segundo efecto que producía una
reducción correspondiente en el valor de pH (véase la Fig. 10) con
la reducción de conductividad. El pH se redujo a un valor inferior a
6,5 cuando la conductividad del agua de recirculación se redujo por
debajo de la mitad de la conductividad del agua de alimentación. La
velocidad de autodemostración del efecto estaba en proporción a los
sólidos totales disueltos en el agua recirculada. La reducción
significativa en los tres parámetros a partir de los valores en el
modo de producción estaba bastante por debajo de los valores del
agua corriente de alimentación, lo que demuestra la capacidad de
autolimpieza de la invención cuando se hace funcionar en el modo de
circulación.
El agua del producto de ósmosis inversa de
segundo paso en las tres condiciones de operación, es decir, a
niveles de recuperación del producto de 95%, 90% y 80% tenía
constantemente un valor de pH inferior a 5,5.
La invención se caracteriza adicionalmente
porque las membranas de ósmosis inversa tienen la propiedad bien
conocida de producir un infiltrado con contenido de dióxido de
carbono disuelto. El sistema de purificación de agua 60 se hace
funcionar para producir un infiltrado ácido durante la producción y
los tiempos normales cuando no se extrae agua de los puntos de uso
en 62 (modo de reposo), aumentándose la acidez en el infiltrado, y
en el sistema, en parte permitiendo que el pH se reduzca como
resultado de la presurización del agua para mantener el dióxido de
carbono en solución.
Es deseable una condición ácida para eliminar la
fracción inorgánica de las obstrucciones de las superficies de las
membranas y para reducir la formación de incrustaciones. Los
minerales tales como los carbonatos de calcio y magnesio que se
disuelven y se mantienen en solución se envían al desagüe. Además,
el alto nivel de ácido dentro del sistema se infiltrará a través de
las membranas y se distribuirá a lo largo del sistema desinfectando
todo el sistema de ósmosis inversa y las tuberías del punto de uso.
Los microorganismos tienen un intervalo de pH óptimo en el que se
desarrollan. Este intervalo idealmente está comprendido entre pH 6,5
y 7,5. Cuando el pH se desplaza hacia arriba o hacia abajo de estos
valores, la alcalinidad o acidez se vuelven tóxicas para los
organismos. Los organismos que se encuentran comúnmente en el agua
de origen (es decir, Pseudomonades) no crecerán en condiciones
ácidas. De hecho, las condiciones ácidas a un pH de 5,5 e inferior
destruirán los organismos sensibles a ácidos. El área de mayor
preocupación en el sistema de ósmosis inversa es las pantallas
separadoras de producto del segundo paso. Los fabricantes de
membranas de ósmosis inversa no se atribuyen la esterilidad del
agua infiltrada. Afirman que habrá un rechazo > 99% de
microorganismos. El primer paso en teoría eliminará > 2 logs y
el segundo paso rechazará aproximadamente 2 logs. El problema que se
ha observado es que los organismos finalmente crecen y, los que
pasan la primera fase, infectan la segunda fase. Los organismos que
crecen en la segunda fase finalmente pasarán al infiltrado de la
segunda fase. Debido a la construcción intrínseca del diseño de las
membranas de ósmosis inversa, los organismos empiezan a crecer en
el lado del infiltrado de segundo paso de las membranas. Ésta es la
mayor área de infección que contribuye directamente a la
contaminación del agua producida. Los organismos después se caen en
el agua e infectan las tuberías aguas abajo. En esta invención, las
condiciones altamente ácidas después del segundo paso,
aproximadamente un pH de 5,5 o inferior, impiden eficazmente el
crecimiento o destruyen los organismos que se han desarrollado en
los separadores del infiltrado de segundo paso.
De esta manera, la invención permite una
autodesinfección sin estaciones periféricas para filtros de
esterilización adicionales y sistemas de ozonización típicos de la
técnica anterior. La invención puede mantener un estado indeseable
para impedir el crecimiento de microorganismos y limpiar los
depósitos de minerales cuando al sistema no se le exige que
produzca agua para un proceso. La capacidad de esta invención para
producir un agua de producto de bajo pH, particularmente en el lado
del infiltrado del segundo paso, destruirá los organismos sensibles
a ácidos e impedirá el crecimiento de microorganismos. Lo más
deseable es que la invención funcione en estas condiciones.
La capacidad de reducir la conductividad y el pH
del agua en modo de circulación permitiría el funcionamiento de la
invención sin el uso de un agente de reblandecimiento de agua en el
pretratamiento. No se necesitaría un agente de reblandecimiento en
el pretratamiento para reducir la dureza del agua en condiciones en
las que el agua de alimentación tiene una dureza de baja a moderada
y no se exige que el sistema produzca agua para un proceso en una
base continua. El modo de circulación o reposo limpiará la membrana
del material recogido durante el modo de producción.
El estado actual de la técnica de las membranas
ha desarrollado dos tipos diferentes de membranas: acetato de
celulosa (CA) y compuesto de película fina (TFC) que se emplean
comúnmente en la purificación de agua. Cada membrana tiene sus
ventajas e inconvenientes. La membrana de CA no es susceptible al
cloro pero es susceptible a las condiciones básicas (alto pH). Las
membranas de TFC no son susceptibles al alto pH pero son
susceptibles al cloro. Las membranas de TFC requieren la
eliminación de cloro - normalmente por inyección de carbono o
bisulfato. El carbono permite el crecimiento de bacterias que
contaminarán el sistema. Si se usa carbono debe eliminarse con
calor (agua caliente o vapor que aumenta el coste del equipo y los
costes de operación). Las dos membranas tolerarán un bajo pH. Un
sistema que use membranas de CA no necesitará ninguna forma de
pretratamiento (sin eliminación de cloro, y sin inyección de agente
de reblandecimiento/ácido/anti-incrustaciones)
distinta de un filtro de tipo cartucho mecánico para la eliminación
del material en forma de partículas. Un sistema que usa membranas
de tipo TFC no requerirá reblandecimiento/inyección de
ácido/anti-incrustaciones pero requerirá un medio
para eliminar el material en forma de partículas y los halógenos. El
sistema de TFC podría incorporar un sistema ultravioleta de
destrucción de cloro para destruir el cloro (es decir, como el
producido por Aquafine o Trojan). El sistema ultravioleta se
colocaría justo delante de la bomba. El agua acidificada ayudaría a
impedir la acumulación de incrustaciones de minerales en los
manguitos de cuarzo que forman parte del sistema ultravioleta y que
afectarían a al intensidad global de la radiación ultravioleta en el
agua. La radiación ultravioleta también inactivaría a los
microorganismos que se introdujeran en el agua de alimentación y
potencialmente cualquiera que proceda del sistema de
distribución.
\vskip1.000000\baselineskip
No se necesitan intercambiadores de calor para
templar el agua de alimentación para el funcionamiento de este
dispositivo. Es bien sabido en la técnica de la purificación de agua
con membranas que según se reduce la temperatura, aumenta la
viscosidad del agua y viceversa. La viscosidad del agua afecta
directamente a la velocidad de producción de las membranas de
ósmosis inversa. Puede ser tan alta como una reducción en la
capacidad de producción de > 2% por cada grado C por debajo de
25ºC (25ºC es la temperatura de clasificación de flujo estándar de
los fabricantes de membranas). A 5ºC, la reducción en la velocidad
de producción puede exceder 40% a la misma presión especificada.
Cuando se reducen las temperaturas del agua para mantener la misma
velocidad de producción, se necesita un aumento de presión
correspondiente. Los sistemas de purificación de agua que
incorporan la invención no usan intercambiadores de calor para
templar el agua por las siguientes razones:
- a.
- La superficie específica de la membrana en el diseño se aumenta para compensar las pérdidas de producción debidas a la temperatura.
- b.
- Es deseable desde un punto de vista microbiológico mantener una temperatura baja dentro de la ósmosis inversa y el punto de uso y la tubería de retorno para reducir la velocidad de crecimiento de los microorganismos.
- c.
- Puede ahorrarse una cantidad significativa de energía si no se templa el agua a 25ºC.
\vskip1.000000\baselineskip
La selección de membranas de ósmosis inversa y
el diseño del proceso de esta invención evitan la necesidad de
templar el agua de alimentación. Los programas de modelado de los
fabricantes de membranas (es decir, Osmonics y Dow) determinarán la
mejor selección de membranas para la calidad iónica del agua
producida ya que están relacionados con la temperatura del agua
suministrada. Puede emplearse una combinación de superficie
específica y tipos de membranas para obtener la calidad iónica y la
velocidad de producción deseadas. La energía de calentamiento
representa una contribución significativa a los costes de operación
en los sistemas de la técnica anterior y puede ser tan alta como de
50% durante los meses de invierno en los climas del norte.
Normalmente no se emplean intercambiadores de
refrigeración en el diseño de este dispositivo. El agua rechazada
de las membranas de primer paso y el agua extraída en los puntos de
uso actúa como sumidero de calor para el sistema. Típicamente se
observa un aumento de aproximadamente un par de grados centígrados
entre la temperatura de alimentación y el agua del producto que
vuelve desde los puntos de uso. La acumulación de calor dentro del
sistema se basa en el porcentaje de recuperación, el volumen de
extracción con la velocidad de reciclado y la temperatura de
operación máxima permisible de las membranas. Los sistemas basados
en almacenamiento acumulan calor de la bomba y las pérdidas
friccionales dentro del sistema de distribución. Estos sistemas
emplean intercambiadores de refrigeración para mantener la
temperatura normalmente entre 20 y 25ºC, que es una temperatura
ideal para el crecimiento microbiano. En condiciones de altas
velocidades de recuperación donde las aguas de origen son
intrínsecamente cálidas (climas tropicales), puede emplearse un
intercambiador de refrigeración con esta invención. La localización
del intercambiador estaría en la alimentación o en el sistema de
circulación dentro del dispositivo (antes de la bomba y las
membranas), asegurando de esta manera un menor coste de capital ya
que no es necesario el diseño sanitario como ocurre con los
sistemas basados en almacenamiento.
Se apreciará que el agua producida a alta
temperatura o el agua que no satisface la especificación de
conductividad se enviará automáticamente al desagüe. Se establece
una velocidad de rechazo normal en el sistema normalmente
comprendida entre 2 y 50% de la velocidad de producción del producto
o una recuperación de 50-98%. El agua rechazada que
va al desagüe y el agua producida extraída actúan como sumideros de
calor para eliminar el calor del sistema que se acumula debido a
los caballos de vapor de la bomba y la fricción. Un sensor de
conductividad/temperatura 14-18 mide la calidad del
agua producida en la línea de suministro de agua purificada en los
puntos de uso 62 (línea de producto) o en la tubería de retorno de
vuelta al conjunto de membranas de ósmosis inversa 72. Si el agua
excede cualquiera o los dos límites, se abre una válvula automática
que forma parte de un conjunto de rechazo 73 en la línea de rechazo
para enviar el agua adicional al desagüe. Esto actúa purgando el
sistema de agua que no está dentro de la especificación. Después de
haber restablecido la calidad, la válvula automática 73 se cierra
para que el sistema vuelva a las condiciones de operación
normales.
Un variador de frecuencia (VFD) está asociado
con el motor que controla la bomba 70 y se usa para el control
hidráulico dentro del sistema. Un medidor de flujo con un sensor 12,
16 en la línea de agua producida y/o línea de retorno al punto de
uso monitorizará el caudal del producto. El sensor o sensores (12,
16) transmitirán una señal al variador de frecuencia para aumentar
o reducir la velocidad del motor de la bomba 70. El VFD permitirá
el funcionamiento de un sistema de purificación de agua de acuerdo
con la invención desde un mínimo de 3 pies por segundo (1 metro por
segundo) hasta una velocidad máxima recomendada de 9 pies por
segundo (2,7 metros por segundo). Se entenderá que el sistema está
diseñado para el funcionamiento continuo de forma que el agua nunca
quede estancada. Si se superan los 10 pies por segundo (3,0 metros
por segundo) se puede producir un golpe de ariete dentro del
sistema. Esto equivale a una velocidad de producción de tan sólo 50%
de la velocidad media diseñada hasta un máximo de 150% de la
velocidad media diseñada. El VFD se emplea para diferentes
condiciones de operación y razones:
- a)
- Durante la extracción, el sensor de flujo de la vuelta del bucle 16 detectará una reducción del flujo. Esto aumentará las revoluciones por minuto (RPM) de la bomba 70 para aumentar la presión aplicada sobre los conjuntos de membranas de ósmosis inversa 72, 74 que a su vez producirán más agua para compensar el volumen extraído. Esto también mantiene el requisito mínimo de velocidad de 3 pies por segundo (1 metro por segundo) en la línea de retorno.
- b)
- En climas del norte, las fuentes de agua pueden variar en temperatura dependiendo de la estación, particularmente si el agua de origen procede de una fuente superficial (lago, río o depósito). El VFD automáticamente controlará la velocidad de producción basándose en el flujo del producto, independientemente de la temperatura y la viscosidad del agua. La variación de temperatura no afectará a la velocidad de producción.
- c)
- Pueden realizarse ajustes temporales para un aumento o reducción de la demanda de agua. Las velocidades de producción pueden modularse dentro de parámetros definidos. Un establecimiento manual del VFD puede fijar la velocidad de producción desde un valor tan bajo como 50% de las RPM de la bomba hasta 100% de su intervalo, que produciría un intervalo de producción de 50% a 150% de la velocidad de producción media diseñada.
- d)
- El mantenimiento de la velocidad en la tubería del punto de uso de idealmente 3 pies por segundo (1 metro por segundo) pero no superior a 6 pies por segundo (2 metros por segundo) durante los tiempos de reposo, cuando no se extrae agua del sistema, reducirá el consumo de agua y las necesidades de energía para ahorrar energía. Esto también reduce la posibilidad de que se sedimenten microbios sobre las paredes de la tubería que finalmente formarán biopelículas y contaminarán el sistema.
- e)
- En el caso de un fallo de energía, el VSD reiniciará el sistema de forma suave. Cuando se restaure la energía, la bomba 70 iniciará una rampa lenta para llevar el sistema hasta las especificaciones de operación aumentando las RPM a la velocidad de operación. Esto impide los choques hidráulicos, con lo que se reduce el desgaste y la ruptura en el sistema y en el equipo del punto de uso asociado. El sistema se autorregulará para volver a producir la calidad y cantidad de agua deseada.
- f)
- Se usa durante la limpieza in situ (CIP) del sistema. El impulsor de frecuencia se fijaría a aproximadamente 50 por ciento de la frecuencia máxima del motor, y además se abrirían las válvulas que regulan la presión negativa en las líneas de recirculación. Esto produce una buena velocidad de flujo dentro del sistema a bajas presiones. Durante la CIP, es deseable mantener una alta velocidad a través de las membranas a bajas presiones para levantar el material depositado de la superficie de la membrana. Los agentes químicos limpiadores pueden dosificarse al sistema con una neutralización química apropiada en el rechazo del primer paso.
\vskip1.000000\baselineskip
Puede conseguirse eficacia de energía con el uso
de bombas sumergibles. El agua que se está bombeando enfría el
motor. Esta energía calorífica del motor de la bomba y la fricción
se recoge por el agua a través del sistema de distribución y ayuda
a reducir la viscosidad del agua, lo cual aumenta la velocidad de
producción a una presión especificada. Esto a su vez ahorra costes
de energía en caballos de vapor de la bomba.
Durante todo el proceso se usan consideraciones
de diseño sanitarias. Se usa al menos una bomba 70 para aplicar
presión al primer paso. La presión residual del primer paso se usa
para alimentar al segundo paso. Éste es un diseño más sanitario que
una bomba para el primer paso y una segunda bomba para el segundo
paso. Además, la bomba 70 se localiza en el lado contaminado del
proceso de purificación, que está aguas arriba del primer conjunto
de membranas. Si tiene que reemplazarse una bomba 70, no se requiere
la desinfección de las tuberías del proceso y del punto de uso 62
como en la técnica anterior típica. Además, podría añadirse una
bomba de reserva al sistema, podrían rotarse las articulaciones de
movimiento de la bomba existente sobre la segunda bomba muy
rápidamente para reducir el tiempo de inactividad.
La invención puede hacerse funcionar para
regularse por sí misma para mantener la calidad y cantidad de agua
producida con sólo 2 sensores, una combinación de sensor de
conductividad/temperatura (14, 18) y un sensor de flujo (12, 16).
No se necesita ningún otro control para permitir que el sistema se
autorregule. El sensor de flujo (12, 16) proporcionará la
retroalimentación para que el VFD mantenga la velocidad y la tasa de
producción. El sensor de conductividad/temperatura (14, 18)
regulará la válvula automática localizada en el conjunto rechazado
73 para enviar agua de alta temperatura o conductividad al desagüe
que limpiará el sistema rápidamente y mantendrá el equilibrio
hidráulico.
El sistema puede hacerse funcionar con controles
muy sencillos. No se necesita un controlador lógico programado
(PLC) o sistemas de control patentados para el funcionamiento.
La invención puede adaptarse a diversas
calidades de agua de origen de hasta aproximadamente 2.000 mg/l de
sólidos totales disueltos (TDS) con respecto a la técnica de
membranas existente. Pueden realizarse ajustes en el porcentaje de
recuperación en el sistema para asegurar la calidad del agua final
producida (de 50% a 98%). Además, pueden elegirse diferentes
membranas que tengan diferentes características de rechazo para
ayudar a la calidad de agua final. Según avanza la tecnología de
las membranas, pueden emplearse membranas con mayor rechazo para
usar este dispositivo con un agua de origen de incluso mayor
contenido de TDS. En los casos en los que el agua de origen supera
las directrices de funcionamiento recomendadas, como se especifica
por los fabricantes de las membranas, puede emplearse un
pretratamiento apropiado, como el diseñado por los especialistas en
la técnica de la purificación de agua.
Los sistemas de ósmosis inversa de dos pasos
típicos de la técnica anterior normalmente se diseñan para funcionar
con una recuperación total de 50-60%. La
recuperación típica para este diseño es de 80% a 98% durante el
modo de producción. El porcentaje de recuperación dependería de la
temperatura del agua de origen y del nivel de sólidos totales
disueltos.
Cuando la recuperación del sistema, en el modo
de producción, está por debajo de 90%, pueden aumentarse a
90-98% cuando se hace funcionar en modo de
circulación o reposo usando una válvula automática adicional en el
conjunto de rechazo 73. La válvula automática se cerraría una vez
que se ha iniciado el modo de reposo para reducir la cantidad de
agua enviada como agua de rechazo.
Convenientemente, el agua acidificada que
circula sobre las membranas de primer paso 72 durante el modo de
circulación o reposo también ayuda a la reducción del cloro y las
cloraminas.
Los sistemas de la técnica anterior han empleado
un proceso denominado alimentación directa que no usa un depósito
de almacenamiento. Esencialmente consiste en un tubo de distribución
desde la salida del proceso de purificación que suministra agua
purificada a los puntos de uso. Algunos sistemas emplean una línea
de retorno desde los puntos de uso hasta la entrada del proceso de
purificación. Esto permite la circulación del agua cuando no se
pide por los puntos de uso. Típicamente, en este tipo de diseño se
determina la velocidad de demanda en el punto de uso. La velocidad
de producción de los sistemas se diseña para satisfacer esta demanda
con un 10-20 por ciento adicional. Esta invención
emplea un concepto diferente de la técnica anterior. El propósito
de esta invención es proporcionar agua purificada cuando se requiera
(punto de uso) pero como un punto de extracción directo dentro del
lado de alta pureza de los procesos de purificación de la invención.
El agua se obtiene como una extracción directa de agua recién
purificada de la invención. A diferencia de la técnica anterior, la
tubería hasta el punto de uso y la vuelta al conjunto de membranas
es una parte integral del proceso de purificación. La velocidad de
producción de la invención típicamente es el doble que la de la
demanda de eliminación. Las condiciones hidráulicas son diferentes
de la técnica anterior para mantener las velocidades dentro del
proceso de purificación. Además, se necesita un bajo equilibrio de
sólidos totales disueltos, agua y dióxido de carbono en el volumen
de agua que se devuelve al conjunto de membranas en una base
continua.
continua.
El estado natural del sistema es hacerlo sin un
ajuste del pH para obtener las ventajas del CO_{2} en el modo de
producción y circulación. La conductividad del agua producida se
elevará debido al gas CO_{2} disuelto, que forma ácido carbónico
y a su vez contribuye a la conductividad. En aplicaciones en las que
se va a mantener una conductividad especificada para determinar el
contenido máximo permisible de sólidos totales disueltos sin la
interferencia de la conductividad aportada por el CO_{2}, el gas
CO_{2} puede retirarse en una corriente de muestra de producto de
bajo volumen. Una corriente de muestra del agua producida procedente
de la salida de las membranas de segundo paso antes del bucle, o
del agua que vuelve desde el bucle, o de ambos sitios, puede
pasarse a través de un pequeño módulo de membrana de desgasificación
59 (por ejemplo, Liqui-Cel por Celgard o similar)
antes de un detector de conductividad 14, 18 como se muestra en el
sistema de purificación de agua 61 de la Fig. 7. El sensor de
conductividad 14, 18 después registraría sólo la conductividad
aportada por los sólidos totales disueltos (es decir, análisis de
conductividad online USP Fase 1).
Cuando existe la necesidad de producir agua de
una conductividad reducida, puede añadirse hidróxido sódico u otro
álcali adecuado al agua de alimentación en 66 para convertir el
CO_{2} en carbonato, que se rechazará por las membranas,
produciendo agua de producto de menor conductividad. En el mercado
están disponibles sistemas adecuados para el ajuste del pH en
condiciones de flujo variable tales como los fabricados por
Prominent Fluid Controls. En este caso, sería necesario un agente
de reblandecimiento en el pretratamiento para impedir una formación
de incrustaciones más rápida en las membranas en condiciones
alcalinas. En estas condiciones, un mecanismo temporizador o una
inactivación manual de la bomba de inyección de NaOH 66 producirá un
bajo pH en el sistema y bucle de distribución para conseguir
autolimpieza y desinfección, durante las horas bajas de producción.
Este estado también puede conseguirse entre los requisitos de
extracción durante la producción normal. El estado normal será
mantener un pH bajo. Cuando se necesita agua, un cambio por los
puntos de uso activará la bomba de NaOH 66 para llevar el pH dentro
del intervalo deseado (aproximadamente 8,3 en las membranas de
primer paso) para proporcionar agua de una menor conductividad.
Después de la extracción, la bomba de NaOH 66 se inactiva de nuevo
para mantener un estado de limpieza y desinfección de ácido.
Como alternativa, el gas CO_{2} puede
retirarse del agua incorporando un módulo de desgasificación de
dióxido de carbono tal como un contactor de membrana (por ejemplo,
Liqui-Cel por Celgard o similar) para aumentar el
pH de nuevo a un valor especificado y deseado y también para reducir
la conductividad en los puntos de uso cuando sea necesario. Un
contactor de membrana 55, puesto en el lado del infiltrado del
segundo paso, antes del tratamiento con radiación ultravioleta,
eliminará el gas CO_{2} como se muestra en el sistema de
purificación de agua 71 de la Fig. 8. La eliminación del gas
reducirá la conductividad y aumentará el pH de nuevo al valor
especificado y deseado. El módulo de desgasificación puede
conectarse con una fuente de gas de arrastre o puede aplicarse
vacío en el modulo para eliminar el CO_{2} del agua producida.
Otra alternativa es permitir que el gas salga del agua purificada
después de extraerse del sistema. Una vez que se ha liberado la
presión, el CO_{2} se desprenderá naturalmente del agua reduciendo
la conductividad y aumentando el pH.
Un sistema 81 mostrado en la Fig. 9 de acuerdo
con la invención comprende un eductor 8 conectado a un contactor de
membrana, que está localizado después del segundo paso y antes del
sistema ultravioleta. Un eductor 8, colocado en una línea de agua
desde la descarga de la bomba 70 y conectado a la entrada de la
bomba, y que tiene la línea de vació del eductor conectada al
contactor de membrana 55 elimina gas CO_{2} del agua producida y
lo introduce en el agua de alimentación. Esto reducirá la
alcalinidad en el agua de alimentación, reduciendo las
incrustaciones en las membranas y reduciendo el pH dentro del
sistema antes del contactor para impedir el crecimiento
microbiano.
Cuando los puntos de uso requieren agua caliente
o la membrana seleccionada para uso en los conjuntos de membranas
de ósmosis inversa 72, 74 se hace funcionar a temperaturas
superiores (70-80ºC), continua o periódicamente
para destruir las bacterias, los sistemas de radiación ultravioleta
68 y 76 pueden reemplazarse por intercambiadores de calor
identificados por los números de referencia 78, 80 respectivamente
en la realización del sistema de purificación de agua 82 mostrado
en la Fig. 3. Los demás componentes por lo demás son similares a los
del sistema de purificación de agua 60 de la Fig. 2 y se
identifican por números similares. El segundo intercambiador de
calor opcional 80 se dispone para controlar la temperatura del
infiltrado antes de alcanzar los puntos de uso indicados en 62 para
aumentar o mantener altas temperaturas del agua, por ejemplo, en
agua para inyección, para enfriar el agua para otros usos finales o
para desinfectar el bucle y el equipo asociado unido al bucle del
punto de uso. En dichos sistemas, se apreciará que los costes de
operación serán mayores debido a los costes de energía asociados
con el calentamiento del agua. Por lo tanto, se reducirán las
ventajas del coste de operación mencionadas anteriormente descritas
haciendo referencia a la Fig. 2.
Tanto el sistema 60 como el sistema 82 de las
Figs. 2 y 3 pueden modificarse para crear sistemas 86, 88 como se
muestra en las Figs. 4 y 5 en las que se añade una vuelta de bucle
de serpentina en la que se extrae el infiltrado a través de la
bomba 84 dispuesta para evitar los conjuntos de membranas de ósmosis
inversa primero y segundo 72, 74. La colocación de los sistemas 86,
88 en modo de reserva, en el que la bomba 70 se hace funcionar
durante unos pocos minutos cada hora, para lavar los sistemas,
reducirá los requisitos de agua globales para conservar el agua
mientras se mantiene una velocidad mínima de agua en la tubería del
punto de uso que inhibe la formación de biopelícula e impide el
estancamiento de agua.
En la Fig. 6 se ilustra un sistema híbrido 90 de
los sistemas 60 y 82 donde el primer conjunto de membranas de
ósmosis inversa 72 se hace funcionar a una temperatura baja y está
asociado con una estación de radiación ultravioleta 68 aguas arriba
y el segundo conjunto de membranas de ósmosis inversa 74 se hace
funcionar a una temperatura elevada y está asociado con un
intercambiador de calor 92 aguas arriba y una bomba 94 dispuesta
entre el primer conjunto de membranas de ósmosis inversa 72 y el
segundo conjunto de membranas de ósmosis inversa 74. Se dispone un
segundo intercambiador de calor 80 opcional para controlar la
temperatura del infiltrado antes de alcanzar los puntos de uso
indicados en 62.
Se observará que el infiltrado procedente del
segundo conjunto de membranas de ósmosis inversa 74 se extrae por
la bomba 94 para volver a través del intercambiador de calor 92 al
segundo conjunto de membranas de ósmosis inversa 74 mientras que el
agua de rechazo del segundo conjunto de membranas de ósmosis inversa
de segundo paso 74 se divide en dos fracciones que suministran a
los dos conjuntos de membranas de ósmosis inversa de primer y
segundo paso 72, 74.
El infiltrado del conjunto de membranas de
ósmosis inversa de primer paso 72 también tiene una fracción que se
recicla a través de la estación de radiación ultravioleta 68 y su
agua de rechazo se divide en dos fracciones, una que va al desagüe
mientras que la otra se recicla a través de la estación de radiación
ultravioleta 68.
\vskip1.000000\baselineskip
En el uso, se apreciará que un sistema de
purificación de agua construido de acuerdo con la invención
proporciona enormes ventajas en cuanto al coste. Los costes de
capital son significativamente menores, proporcionando ahorros del
orden de 30 a 50% con respecto a los sistemas de la técnica anterior
que incluyen un depósito de almacenamiento de agua. Los costes de
operación también se reducen en 20 a 50%, siendo los ahorros
atribuibles a un menor consumo de energía y a una menor mano de
obra para la limpieza y desinfección. Más ventajosamente, un
sistema construido de acuerdo con la invención produce agua con una
alta pureza microbiológica sin la infraestructura asociada con la
desinfección con agua caliente y la desinfección con ozono.
- 8
- eductor
- 12
- sensor de flujo
- 14
- sensor de conductividad/temperatura
- 16
- sensor de flujo
- 18
- sensor de conductividad/temperatura
- 20
- pretratamiento de agua de alimentación
- 22
- depósito de almacenamiento
- 24
- intercambiador de calor
- 26
- adiciones de agentes químicos
- 28
- conjunto de ósmosis inversa de un solo paso
- 30
- primera estación ultravioleta
- 32
- estación de desionización
- 34
- segunda estación ultravioleta
- 36
- primer filtro de esterilización
- 38
- segundo depósito de almacenamiento
- 40
- puntos de uso
- 42
- tercera estación ultravioleta
- 44
- segundo filtro de esterilización
- 46
- segundo intercambiador de calor
- 48
- sistema de ozonización
- 50
- bomba
- 52
- bomba
- 54
- controlador lógico programado
- 55
- módulo de desgasificación de CO_{2}
- 59
- módulo pequeño de membrana de desgasificación
- 60
- sistema de purificación de agua (Fig. 2)
- 61
- sistema de purificación de agua (Fig. 7)
- 62
- puntos de uso
- 64
- pretratamiento de agua de alimentación
- 66
- ajuste del pH
- 68
- primera estación ultravioleta
- 70
- bomba de velocidad variable
- 71
- sistema de purificación de agua (Fig. 8)
- 72
- primer conjunto de membranas de ósmosis inversa
- 73
- conjunto de rechazo
- 74
- segundo conjunto de membranas de ósmosis inversa
- 76
- segunda estación ultravioleta
- 78
- intercambiador de calor
- 80
- intercambiador de calor
- 81
- sistema de purificación de agua (Fig. 9)
- 82
- sistema de purificación de agua (Fig. 3)
- 84
- bomba
- 86
- sistema de purificación de agua (Fig. 4)
- 88
- sistema de purificación de agua (Fig. 5)
- 90
- sistema de purificación de agua (Fig. 6)
- 92
- intercambiador de calor
- 94
- bomba
Claims (13)
1. Un sistema de purificación de agua (81) que
tiene:
una entrada de agua de alimentación;
dos conjuntos de filtros de ósmosis inversa (72,
74) para recibir agua de alimentación de la entrada de agua de
alimentación;
- \quad
- recibiendo un conjunto de filtros de ósmosis inversa de primer paso (72) agua de alimentación de la entrada de agua de alimentación y recibiendo un conjunto de filtros de ósmosis inversa de segundo paso (74) agua purificada del conjunto de filtros de ósmosis inversa de primer paso (72),
- \quad
- incluyendo el sistema además un sistema de reciclado de agua de rechazo para reciclar el agua de rechazo del conjunto de filtros de ósmosis inversa de primer paso (72) y el conjunto de filtros de ósmosis inversa de segundo paso (74) al conjunto de filtros de ósmosis inversa de primer paso (72);
un sistema de distribución de agua purificada
para distribuir agua purificada a puntos de uso (62) y para
devolver agua purificada a al menos uno de dichos conjuntos de
filtros de ósmosis inversa (72, 74) para purificar continuamente el
agua y asegurar la pureza microbiológica en dicha agua purificada,
estando acoplado el sistema de distribución de agua purificada a al
menos uno de dichos conjuntos de filtros de ósmosis inversa (72, 74)
sin ningún almacenamiento o depósito de agua intermedio e, incluido
en dicho sistema de distribución de agua purificada:
- -
- una bomba de velocidad variable (70) para bombear el agua de alimentación a dichos conjuntos de membranas de ósmosis inversa para crear una presión de agua suficiente en el sistema de distribución para mantener el dióxido de carbono en solución y producir un medio ácido;
- -
- medios para el ajuste del pH y la conductividad (56) del agua purificada que deja el conjunto de filtros de ósmosis inversa de segundo paso (74), estando adaptados dichos medios para el ajuste del pH para eliminar gas dióxido de carbono del agua purificada, y
- -
- un eductor (8) acoplado a dichos medios para el ajuste del pH (55) y a la bomba (70) para devolver el gas dióxido de carbono al suministro de agua de alimentación para dicho conjunto de membranas de ósmosis inversa de primer paso (72).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Un sistema de purificación de agua (81) de
acuerdo con la reivindicación 1 que tiene un sensor de flujo (12,
16) para controlar la velocidad de flujo de agua en el sistema de
distribución de agua purificada y acoplado a la bomba de velocidad
variable (70).
3. Un sistema de purificación de agua (81) de
acuerdo con la reivindicación 1 que tiene un sensor (14, 18) para
medir la conductividad y la temperatura del agua y acoplado a un
conjunto de agua de rechazo (73) para liberar el agua rechazada
procedente del sistema cuando se exceden las especificaciones de
conductividad y temperatura.
4. Un sistema de purificación de agua (81) de
acuerdo con la reivindicación 1 que tiene un primer sistema de
tratamiento con radiación ultravioleta (68) dispuesto para tratar el
agua que entra en el conjunto de filtros de ósmosis inversa de
primer paso (72) y que tiene un segundo sistema de tratamiento con
radiación ultravioleta (76) dispuesto para tratar el agua
purificada que deja el conjunto de filtros de ósmosis inversa de
segundo paso.
5. Un sistema de purificación de agua (81) de
acuerdo con la reivindicación 1 que tiene medios para ajustar el pH
(66, 55) del agua de alimentación dispuesto para tratar el agua que
entra en dicho al menos un conjunto de filtros de ósmosis inversa
(72, 74) para regular el pH y la conductividad del agua purificada
que sale de dicho al menos un conjunto de filtros de ósmosis
inversa (72, 74).
6. Un sistema de purificación de agua (81) de
acuerdo con la reivindicación 1, en el que la bomba (70) tiene un
intervalo de autorregulación para variar las velocidades de
producción del agua purificada entre 50 y 150% de una velocidad de
producción nominal en respuesta a la demanda de agua purificada en
los puntos de uso (62).
7. Un sistema de purificación de agua (81) de
acuerdo con la reivindicación 1 en el que la bomba (70) se puede
hacer funcionar manualmente para variar las velocidades de
producción de agua purificada entre 50 y 150% de una velocidad de
producción nominal en respuesta a las demandas de agua purificada en
los puntos de uso (62).
8. Un método para hacer funcionar un sistema de
purificación de agua (81) de acuerdo con la reivindicación 1, en el
que se mantiene una velocidad mínima de 1 metro/seg. (3 pies/seg.)
en el sistema de distribución de agua purificada para producir
condiciones de flujo turbulento que impiden la contaminación por
microorganismos.
\newpage
9. Un método de acuerdo con la reivindicación 8
para hacer funcionar un sistema de purificación de agua de acuerdo
con la reivindicación 1, en el que el caudal de agua de alimentación
que va al conjunto de ósmosis inversa de primer paso (72) es al
menos tres veces la velocidad media de producción desde el conjunto
de ósmosis inversa de segundo paso (72) para reducir la obstrucción
de las membranas de ósmosis inversa en dicho conjunto de ósmosis
inversa de primer paso (72).
10. Un método de acuerdo con la reivindicación 8
para hacer funcionar un sistema de purificación de agua (81) de
acuerdo con la reivindicación 1, en el que la bomba (70) regula las
velocidades de producción de agua purificada a través de dicho al
menos un conjunto de filtro de ósmosis inversa (72, 74) en respuesta
a la demanda de agua purificada en puntos de uso (62).
11. Un método de acuerdo con la reivindicación 8
para hacer funcionar un sistema de purificación de agua (81) de
acuerdo con la reivindicación 1, con lo que el pH del agua
suministrada al conjunto de ósmosis inversa de primer paso se
mantiene por debajo de 7,0 durante un modo de reposo o circulación
para autolimpiar las membranas de depósitos minerales.
12. Un método de acuerdo con la reivindicación 8
para hacer funcionar un sistema de purificación de agua (60, 61,
71, 81, 82, 86, 88, 90) de acuerdo con la reivindicación 1, en el
que el agua purificada tiene un pH reducido por debajo de 5,5
durante un modo de operación de reposo para asegurar la pureza
microbiológica en el agua purificada.
13. Un método de acuerdo con la reivindicación 8
para hacer funcionar un sistema de purificación de agua de acuerdo
con la reivindicación 1, donde el sistema se hace funcionar
continuamente de forma que el agua nunca queda estancada.
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