ES2592689T3 - Aparato de ósmosis directa y proceso de ósmosis directa - Google Patents

Abstract

Una solucion de arrastre para un proceso de osmosis directa, que comprende: una fuente de aniones; y una fuente de cationes que tiene un peso molecular de 45 a 74 en un estado sin carga; en la que cada una de la fuente de aniones y la fuente de cationes tiene una constante de la ley de Henry en agua de 1,0 x 104 (Pa/mol - fraccion) o superior en condiciones estandar.

Description

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DESCRIPCION

Aparato de osmosis directa y proceso de osmosis directa Campo tecnico

La presente invention se refiere a un proceso de osmosis directa (proceso de OD) y a un aparato de osmosis directa (aparato de OD) capaz de llevar a cabo la separation y/o concentration por este proceso de OD.

Antecedentes de la invencion

La escasez de agua se ha convertido en un problema grave en las regiones aridas del mundo y en regiones de alta densidad de poblacion. Por consiguiente, existe una necesidad de tecnologia de desalinizacion que elimine la sal del agua de mar.

Los metodos de procesamiento de membrana son una tecnologia de desalinizacion conocida. En los metodos de procesamiento de membrana generalmente se emplean membranas semipermeables. Las membranas semipermeables se conocen como membranas en las que solo pasan las moleculas e iones de un tamano especifico o mas pequeno. Por ejemplo, son membranas en las que pasa el agua, pero no la sal del agua de mar. Cuando dos soluciones de diferentes concentraciones de soluto se ponen en contacto a traves de una membrana semipermeable, se genera una presion osmotica entre las dos soluciones. El disolvente de la solution en el lado de baja concentracion de soluto, es decir, el lado de baja presion osmotica, pasa hacia el lado de alta concentracion de soluto, es decir, el lado de alta presion osmotica. Este fenomeno de osmosis continua teoricamente hasta la fase en la que el diferencial de presion osmotica disminuye a cero. Por ejemplo, cuando el agua de mar y el agua se ponen en contacto a traves de una membrana semipermeable, el agua tiende a atravesar hacia el lado del agua de mar y crear un estado de equilibrio. El proceso de osmosis inversa (proceso de OI) y el proceso de osmosis directa (proceso de OD) son metodos conocidos de procesamiento de membrana que usan dichas membranas semipermeables.

El proceso de OI es una tecnica osmotica mediante la cual los componentes de bajo peso molecular tales como el agua son obligados a desplazarse desde el lado de alta presion osmotica de vuelta hacia el lado de baja presion osmotica. En el proceso de OI, para llevar a cabo dicha osmosis inversa, en el lado de alta presion osmotica se aplica una alta presion superior a la diferencia de presion osmotica de las dos soluciones. Por ejemplo, cuando se separa agua del agua de mar, el agua de mar y el agua se ponen en contacto a traves de una membrana semipermeable, y se aplica una presion superior a la diferencia de presion osmotica entre el agua de mar y el agua, normalmente una presion enormemente superior a este diferencial de presion osmotica, en el lado del agua de mar para hacer que el agua en el agua de mar pase hacia el lado del agua.

Por el contrario, el proceso de OD es un proceso mediante el cual se emplea una solucion de extraction con una alta de presion osmotica (solucion de arrastre) para generar artificialmente una diferencia de presion osmotica entre las dos soluciones y hacer que el agua migre, como se describe en las Referencias de patente 1 y 2. Especificamente, se ponen en contacto una solucion de partida en forma de solucion de alimentation (solucion de alimentation) y una solucion de arrastre de mayor presion osmotica que la solucion de alimentacion a traves de una membrana semipermeable. Cuando se hace eso, la diferencia de presion osmotica entre las dos soluciones hace que el agua en la solucion de alimentacion pase hacia el lado de la solucion de arrastre. Posteriormente, el componente de soluto en la solucion de arrastre se volatiliza y se recupera para separar el agua de la solucion de alimentacion. Tambien hay casos en los que la solucion de alimentacion concentrada se separa.

Un ejemplo de un caso de separacion de agua del agua de mar se describe a continuation basandose en la Figura 1.

La Figura 1 muestra un ejemplo de un aparato de tratamiento de agua de mar que usa el proceso de OD. Las flechas de linea continua muestran el flujo de agua de mar o agua 11 separada del agua de mar, y las lineas de puntos muestran el flujo de la solucion de arrastre o el soluto de la solucion de arrastre 12, respectivamente. Inicialmente, el agua de mar 11 y la solucion de arrastre 12 entran en contacto a traves de una membrana semipermeable 13. El agua en el agua de mar 11 pasa a traves de la membrana semipermeable 13 hacia el lado de la solucion de arrastre 12. A continuacion, en la columna de rectification 14, el componente de soluto de la solucion de arrastre se volatiliza de la solucion de arrastre que se ha diluido por el agua del agua de mar, separando de este modo el agua 16 y el componente de soluto 15 de la solucion de arrastre. El componente de soluto 15 de la solucion de arrastre se disuelve en la solucion de arrastre que se ha diluido en un absorbente gaseoso 17, y se vuelve a usar como solucion de arrastre 12. El numero 18 representa un manometro.

La gasification y separacion del componente de soluto de la solucion de arrastre en la columna de rectificacion 14 requiere una alta volatilidad. El componente de soluto de la solucion de arrastre tambien debe tener un alto grado de solubilidad para que se disuelva en la solucion de arrastre diluida. Ademas, naturalmente, el componente de soluto de la solucion de arrastre no debe pasar a traves de la membrana semipermeable. Cuando no se cumplen estos

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requisitos, habra problemas en el aparato de OD o proceso de OD en el sentido de que la velocidad de penetracion a traves de la membrana semipermeable por el agua de la solucion de alimentacion sera pobre; el soluto en la solucion de arrastre terminara escapando a traves de la membrana semipermeable y migrando hacia el lado de la solucion de alimentacion, incrementando la velocidad; y la cantidad de soluto de solucion de arrastre (rendimiento de separacion) que queda en el agua obtenida al volatilizar el componente de soluto de la solucion de arrastre que se ha diluido con el agua de la solucion de alimentacion sera grande.

Son conocidos los ejemplos que emplean soluciones de arrastre en forma de soluciones de iones de amoniaco y dioxido de carbono, soluciones de iones de amoniaco, soluciones de dioxido de azufre y similares (Referencias de patente 2 y 3). Sin embargo, todavia no se ha obtenido ninguna que combine plenamente una alta volatilidad, alta solubilidad y la propiedad anterior de no atravesar membranas semipermeables.

Referencias de la tecnica anterior

El documento US-A-2006/144789 desvela un sistema que incluye una unidad de osmosis directa para la dilucion de una fuente de agua para una unidad de desalinizacion aguas abajo. El sistema incluye una unidad de extraccion para extraer un agente osmotico relativamente facil de extraer de una solucion de arrastre osmotica. La solucion de arrastre tiene un potencial osmotico relativamente alto. En un ejemplo especifico la solucion de arrastre incluye bicarbonato de amonio. En otro ejemplo incluye nitrato de potasio.

El documento WO-A-2007/147013 desvela un sistema para purificar un liquido que incluye un sistema de osmosis directa, que en si mismo puede incluir una o mas unidades de osmosis directa. Una corriente de arrastre concentrada de la unidad de membrana de destilacion, tal como una solucion de salmuera concentrada, sirve como solucion de arrastre para las unidades de osmosis directa, que puede extraer el agua de una fuente de agua, tal como agua contaminada.

Desalination, 174, (2005), paginas 1-11 desvela un proceso de desalinizacion de osmosis directa que usa una solucion de arrastre que contiene bicarbonato de amonio para extraer agua de una alimentacion de agua salina a traves de una membrana polimerica semipermeable. Tras un calentamiento moderado, el bicarbonato de amonio se descompone en gases de amoniaco y dioxido de carbono que se pueden separar y reciclar como solutos de arrastre, dejando agua dulce.

Referencias de patentes

[Referencia de patente 1] Patente de Estados Unidos 6.391.205

[Referenda de patente 2] Publicacion de Solicitud de patente de Estados Unidos 2005/0145568 [Referencia de patente 3] Patente de Estados Unidos 3.171.799

Sumario de la invencion

Problema a resolver por la invencion

La Referencia de patente 2 logra una alta volatilidad asegurando al mismo tiempo un alto grado de solubilidad de los componentes de soluto en la solucion de arrastre mediante el uso de una solucion de arrastre con amoniaco y dioxido de carbono como solutos, consiguiendo de esta manera tanto una mejora del rendimiento de procesamiento como un mayor rendimiento de separacion en el proceso de OD. Sin embargo, durante su examen, los presentes inventores encontraron un problema en el sentido de que el amoniaco terminaba fugandose a traves de la membrana semipermeable en el medio de dilucion. Es decir, en el proceso de la Referencia de patente 2, era necesario reponer grandes cantidades de amoniaco en el aparato de Od. En la Referencia de patente 3, la tasa de fuga a traves de la membrana semipermeable se redujo mediante el empleo de acido sulfuroso como componente solvato de la solucion de arrastre. Sin embargo, fue imposible usar cualquier otra cosa que no fuera un solvato de baja volatilidad para lograr una alta solubilidad en la solucion de arrastre, impidiendo el rendimiento de separacion adecuado.

La presente invencion tiene por objeto mantener una alta velocidad de paso a traves de una membrana semipermeable por el agua de una solucion de alimentacion en un aparato de OD y en un proceso de OD, el control de la migracion del soluto de la solucion de arrastre hacia el lado de la solucion de alimentacion debida a la fuga a traves de la membrana semipermeable, y la reduccion de la cantidad de soluto de la solucion de arrastre que permanece en el agua obtenida al volatilizar el componente de soluto de la solucion de arrastre que se ha diluido con agua de la solucion de alimentacion (mejora del rendimiento de extraccion).

Medios para resolver el problema

Los presentes inventores llevaron a cabo una extensa investigacion sobre la base de estas condiciones, dando como resultado el descubrimiento de que el problema anteriormente indicado se podria solucionar mediante el empleo de una solucion de arrastre que contiene una fuente de aniones y una fuente de cationes de tal manera que

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la fuente de cationes tuviera un peso molecular de 45 a 74 en un estado sin carga y la fuente de cationes y la fuente de aniones cada una tenia una constante de la ley de Henry de 1,0 x 104 (Pa/mol ■ fraccion) o superior en condiciones estandar.

Por lo general, cuanto mas baja es la constante de la ley de Henry, mayor es la tendencia a hidratar y se cree que mayor es el radio de hidratacion (referencia: Chemical & Engineering Data, 53 (2008), 2873-2877, ampliacion de las ecuaciones (4), (5) y (6), lnKaw = AGhyd/RT, en la que Kaw = constante adimensional de la ley de Henry, AGhyd = energia libre de hidratacion (con la tendencia a hidratarse que aumenta con la magnitud del valor negativo, R es de la constante de Avogadro y T es la temperatura absoluta). Ademas, cuanto mayor es el radio de hidratacion, mas lenta se piensa que sera la fuga de soluto a traves de la membrana semipermeable (referencia: Desalination, 144 (2002), 387-392, Fig. 2 (b), Pagina 390, linea 7, columna de la izquierda a la linea 8, columna derecha; referencia: Journal of Membrane Science, 74 (1992), 05-103, Figs. 4 y 5, Pagina 98, linea 34, columna de la izquierda a la pagina 101, linea 9, columna de la izquierda). Esto naturalmente demuestra que a mayor nivel de hidratacion de un material, menos propenso es a volatilizarse en agua (mas baja es la constante de la ley de Henry), que indica que es dificil de lograr tanto una tendencia a no presentar fugas a traves de membranas semipermeables como una tendencia a volatilizarse. En consecuencia, se penso que el problema anteriormente indicado seria extremadamente dificil de resolver mediante el ajuste de los componentes de la solucion de arrastre. Sin embargo, sorprendentemente, una amplia investigacion por los presentes inventores dio como resultado el descubrimiento de que el problema se podria resolver mediante el empleo de componentes de soluto de la solucion de arrastre en forma de fuente de cationes y fuente de aniones que tienen unas constantes de la ley de Henry especificadas.

Especificamente, el problema de la presente invencion se resuelve mediante los siguientes medios.

<1> Una solucion de arrastre para un proceso de osmosis directa, que comprende:

una fuente de aniones; y

una fuente de cationes que tiene un peso molecular de 45 a 74 en un estado sin carga;

en la que cada una de la fuente de aniones y la fuente de cationes tiene una constante de la ley de Henry en agua de 1,0 x 104 (Pa/mol ■ fraccion) o superior en condiciones estandar.

<2> Una solucion de arrastre segun <1>, en la que la fuente de cationes tiene una constante de la ley de Henry en agua de 3,0 x 104 (Pa/mol ■ fraccion) o superior en condiciones estandar.

<3> Una solucion de arrastre segun <1> o <2>, en la que la fuente de aniones tiene una constante de disociacion acida (pKa) de 6,0 a 7,0 como material sin carga en condiciones estandar.

<4> Una solucion de arrastre de acuerdo con cualquiera de los puntos anteriores, en la que la fuente de cationes tiene una constante de disociacion basica (pKb) de 2,0 a 4,5 como material sin carga en condiciones estandar.

<5> Una solucion de arrastre segun <4>, en la que la fuente de cationes tiene una constante de disociacion basica (pKb) de 4,0 a 4,5 como material sin carga en condiciones estandar.

<6> Una solucion de arrastre de acuerdo con cualquiera de los puntos anteriores, en la que cada una de la fuente de aniones y la fuente de cationes esta presente en una concentracion de al menos 2,4 moles por kilogramo de agua.

<7> Una solucion de arrastre de acuerdo con cualquiera de los puntos anteriores, en la que los aniones son iones de acido carbonico y/o iones de carbonato de hidrogeno, y la fuente de cationes es uno o mas miembros seleccionados del grupo que consiste en trimetil amina, dimetil etil amina, isopropil amina, dimetil amina, y dietil amina.

<8> Una solucion de arrastre de acuerdo con cualquiera de los puntos anteriores, en la que la fuente de cationes y/o fuente de aniones tiene un punto de ebullicion inferior a 100 °C a 1 atm (101 kPa) como material sin carga.

<9> Una solucion de arrastre de acuerdo con cualquiera de los puntos anteriores, en la que la fuente de cationes tiene una constante de la ley de Henry en agua de 1,0 x 105 (Pa/mol ■ fraccion) o superior en condiciones estandar.

<10> Una solucion de arrastre de acuerdo con <9>, en la que la fuente de cationes tiene una constante de la ley de Henry en agua de 3,0 x 105 (Pa/mol ■ fraccion) o superior en condiciones estandar.

<11> Una solucion de arrastre de acuerdo con cualquiera de los puntos anteriores, en la que la relacion molar de la fuente de aniones y de la fuente de cationes es de 1:1 a 1:2.

<12> Una solucion de arrastre segun <1> a <9>, en la que la fuente de cationes y la fuente de aniones cada una

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tiene una constante de la ley de Henry de 1,00 x 105 (Pa/mol ■ fraccion) o superior.

<13> Una solucion de arrastre de acuerdo con cualquiera de los puntos anteriores, en la que la fuente de cationes es trimetil amina o dimetil etil amina, y la fuente de aniones es dioxido de carbono.

<14> Un aparato de osmosis directa, que comprende:

una solucion de arrastre tal como se define en uno cualquiera de <1> a <13>;

un medio de dilucion, que es capaz de poner en contacto una solucion de alimentacion con la solucion de arrastre a traves de una membrana semipermeable y diluir la solucion de arrastre con agua separada de la solucion de alimentacion a traves de la membrana semipermeable;

un medio de separacion, que es capaz de separar la solucion de arrastre que se ha diluido por el medio de dilucion en la fuente de cationes y la fuente de aniones y en agua; y

un medio de disolucion, que es capaz de devolver la fuente de cationes y la fuente de aniones de la solucion de arrastre, que han sido separadas por el medio de separacion, a la solucion de arrastre que ha sido diluida y de disolver en esta la fuente de cationes y la fuente de aniones.

<15> Un aparato de osmosis directa de acuerdo con <14>, que comprende un intercambiador de calor capaz de calentar la solucion de arrastre diluida usando, como fuente de calor, por lo menos uno entre agua, la fuente de cationes, y la fuente de aniones obtenidos por el medio de separacion.

<16> Un aparato de osmosis directa de acuerdo con uno cualquiera de <14> o <15>, que comprende ademas un intercambiador de calor que enfria al menos uno entre la fuente de cationes y la fuente de aniones obtenida por el aparato del medio de disolucion o el medio de separacion usando la solucion de alimentacion antes de la dilucion como fuente de enfriamiento.

<17> Un aparato de osmosis directa de acuerdo con uno cualquiera de <14> a <16>, en el que el aparato de osmosis directa es un aparato de purificacion de agua capaz de separar la solucion de arrastre diluida por el medio de dilucion en una fuente de cationes y una fuente de aniones y en agua, y recuperar el componente de agua como producto objetivo.

<18> El aparato de osmosis directa de acuerdo con uno cualquiera de <14> a <16> en el que el aparato de osmosis directa es un dispositivo de concentracion capaz de recuperar la solucion de alimentacion que se ha concentrado despues de poner en contacto la solucion de alimentacion y la solucion de arrastre a traves de la membrana semipermeable como producto objetivo.

<19> Un proceso de osmosis directa, que comprende:

poner en contacto una solucion de arrastre tal como se define en uno cualquiera de <1> a <13> con una solucion de alimentacion a traves de una membrana semipermeable y diluir la solucion de arrastre con un liquido separado de la solucion de alimentacion por la membrana semipermeable; separar la solucion de arrastre diluida en la fuente de cationes y la fuente de aniones y en agua; y devolver la fuente de cationes y la fuente de aniones separadas a la solucion de arrastre diluida y disolver en esta la fuente de cationes y la fuente de aniones separadas.

<20> Un proceso de osmosis directa de acuerdo con <19>, en el que la solucion de arrastre diluida se separa en la fuente de cationes y la fuente de aniones y en agua por calentamiento a una temperatura no superior a 90 °C.

<21> Un proceso de osmosis directa de acuerdo con <19> o <20>, en el que la solucion de arrastre que se introduce por el medio de dilucion tiene una temperatura de ± 5 °C de la solucion de alimentacion introducida por el medio de dilucion.

<22> Un proceso de osmosis directa de acuerdo con uno cualquiera de <19> a <21>, en el que la diferencia entre la temperatura maxima del medio de separacion y la temperatura minima del medio de disolucion es inferior a 35 °C.

<23> Un proceso de osmosis directa de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones <19> a <22>, en el que la solucion de alimentacion es agua de mar.

Efecto de la invencion

El aparato de OD y el proceso de OD de la presente invencion hacen que sea posible mantener una alta tasa de permeacion, inhiben la fuga de soluto de la solucion de arrastre a traves de la membrana semipermeable y la migracion hacia el lado de la solucion de alimentacion, y reducen la cantidad de soluto de la solucion de arrastre restante en el agua obtenida al volatilizar los componentes de soluto de la solucion de arrastre que se ha diluido con el agua de la solucion de alimentacion (mejora del rendimiento de extraccion). Como resultado, es posible usar el aparato de OD y poner en practica el proceso de OD sin la reposicion de los componentes de soluto de la solucion

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de arrastre.

Breve descripcion de los dibujos

[Figura 1] La Figura 1 es un ejemplo que muestra la configuracion de un aparato de OD convencional.

[Figura 2] La Figura 2 es un ejemplo que muestra la configuracion del aparato de OD empleado en una

realizacion de la presente solicitud.

[Figura 3] La Figura 3 es un grafico de la correlation entre el peso molecular de la fuente de cationes y las fugas.

[Figura 4] La Figura 4 es un grafico que muestra la correlacion entre la constante de la ley de Henry multiplicada

por el peso molecular y las fugas.

[Figura 5] La Figura 5 es un diagrama de flujo de una simulation empleada en una realizacion de la presente solicitud.

Modos de llevar a cabo la invencion

El contenido de la presente invencion se describe en detalle a continuation. En la presente descripcion, los valores numericos anteriores y posteriores a la palabra "a" se emplean en el sentido de los valores maximos y minimos, inclusive, de un intervalo.

En la presente descripcion, el termino "fuente de aniones" se refiere a una sustancia que genera aniones cuando se disuelve en agua, y el termino "fuente de cationes" se refiere a una sustancia que produce cationes cuando se disuelve en agua. En consecuencia, la fuente de aniones y la fuente de cationes normalmente son materiales sin carga. En la presente invencion, el termino "condiciones estandar" significa 25 °C y 105 Pa (aproximadamente 1 atmosfera).

El aparato de OD de la presente invencion comprende un medio de dilution para poner en contacto una solution de alimentation y una solucion de arrastre que comprende una fuente de cationes y una fuente de aniones en un estado ionizado a traves de una membrana semipermeable y diluir la solucion de arrastre con agua separada de la solucion por medio de la membrana semipermeable; un medio de separation, que es capaz de separar la solucion de arrastre que se ha diluido por el medio de dilucion en la fuente de cationes y la fuente de aniones y en agua; y un medio de disolucion, que es capaz de devolver la fuente de cationes y la fuente de aniones que se han separado por el medio de separacion a, y la disolucion de la fuente de cationes y la fuente de aniones en, la solucion de arrastre que se ha diluido; en el que el peso molecular de la fuente de cationes en un estado sin carga es de 45 a 74 y la constante de la ley de Henry de cada una de la fuente de aniones y de la fuente de cationes es 1,0 x 104 (Pa/mol ■ fraction) o superior en condiciones estandar. La presente invencion se describira en detalle a continuacion.

El aparato de OD de la presente invencion se refiere a un aparato que lleva a cabo la separacion, concentration, filtration, y similares por un proceso de OD. Es decir, no se prescribe especificamente siempre que comprenda un metodo para generar artificialmente una diferencia de presion osmotica entre dos soluciones con una solucion de arrastre de alta presion osmotica para hacer que el agua migre. Por ejemplo, el caso en el que se aplica una diferencia de presion osmotica y se aplica presion para forzar un liquido de alimentacion tambien esta cubierto por el proceso de OD de la presente invencion. En consecuencia, en el aparato de OD de la presente invencion, el producto objetivo que se recupera finalmente puede ser el agua que se separa en el lado de la solucion de arrastre o el liquido que se concentra en el lado de la solucion de alimentacion.

Al recuperar el agua que se separa en el lado de la solucion de arrastre como producto objetivo, el aparato de OD de la presente invencion de forma deseable es un dispositivo de purification de agua. La solucion de alimentacion que se emplea no esta limitada especificamente y se puede seleccionar adecuadamente en funcion del objetivo. Ejemplos de ello son el agua de mar, agua salobre, agua de rio, agua obtenida de lugares naturales, como lagos, pantanos y lagunas, aguas residuales industriales desechadas por fabricas y diversas instalaciones industriales, aguas residuales comunes desechadas por hogares e instalaciones comunes, y soluciones de cultivo de microorganismos en instalaciones de tratamiento de agua. De estos, se prefiere agua de mar debido a su facil disponibilidad en cantidades grandes y estables, y la necesidad de purificacion.

Al recuperar la solucion de alimentacion concentrada como producto objetivo, el aparato de OD de la presente invencion de forma deseable es un aparato de concentracion. En este caso, ejemplos de dichas soluciones de alimentacion son zumos de frutas y jugos vegetales concentrados.

El aparato de OD de la presente invencion comprende un medio de dilucion, medios de separacion, y un medio de disolucion, asi como otros medios segun sea necesario. El proceso de OD de la presente invencion comprende diluir, separar, y disolver, y se lleva a cabo por el aparato de OD de la presente invencion.

<El medio de dilucion>

El medio de dilucion es un proceso en el que la solucion de alimentacion y la solucion de arrastre se ponen en contacto a traves de una membrana semipermeable y la membrana semipermeable diluye la solucion de arrastre con agua que se separa de la solucion de alimentacion. Este proceso se puede llevar a cabo de 15 a 40 °C, por

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ejemplo. Cuando la solucion de arrastre que se introduce por el medio de dilucion se calienta por la solucion de alimentacion, el soluto en la solucion de arrastre se gasifica y potencialmente forma burbujas. Por el contrario, cuando se enfria, el soluto en la solucion de arrastre potencialmente precipita. Por lo tanto, la temperatura de la solucion de arrastre que se introduce de forma deseable es ± 5 °C la de la solucion de alimentacion que se introduce por el medio de dilucion. Ademas, la presion de la alimentacion de liquido de la solucion de alimentacion puede ser tal que la conduction se lleva a cabo a una baja presion diferente de la de la OI, tal como de 1 x 104 Pa a 5 x 105 Pa.

La membrana semipermeable no esta limitada especificamente en terminos de material, forma, tamano, configuration, o similares, y se puede seleccionar adecuadamente en funcion del objetivo. Por ejemplo, puede ser una membrana plana, un modulo espiral que emplea una membrana plana, un modulo de fibra hueca, o un modulo tubular. La direction de alimentacion de la solucion de arrastre y la solucion de alimentacion con respecto a la superficie de la membrana no esta limitada; la alimentacion se puede realizar antiparalela, en paralelo, o en una direccion no paralela como en un angulo de 90°. El espesor del caudal de la alimentacion tal como se mide desde la superficie de la membrana semipermeable no esta limitado especificamente, y puede ser de 10 |jm a 10 mm, a modo de ejemplo. Cuanto menos profundo sea el caudal, mejor, porque aumenta la eficiencia de permeation del agua en la solucion de alimentacion a traves de la membrana semipermeable. Sin embargo, tambien tiende a suceder la obstruction y similares, por lo que se selecciona un espesor adecuado.

Tampoco el material de la membrana semipermeable esta limitado especificamente, salvo por que sea capaz de separar agua y soluto. Ejemplos son acetato de celulosa, poliamidas aromaticas, polisulfonas aromaticas, y polibenzoimidazoles. De manera deseable se selecciona una poliamida o un acetato de celulosa con un grado de sustitucion de grupo acetilo de 2,50-2,95.

El metodo de fabrication de la membrana semipermeable no esta limitado especificamente salvo por que sea posible la separation de agua y soluto. Ejemplos son el metodo de separation de fases inducida por un no disolvente (NIPS), metodo de separacion de fases inducida termicamente (TIPS), el metodo de polimerizacion interfacial y el metodo de evaporation del disolvente. Por ejemplo, se pueden llevar a cabo diversos metodos de fabricacion de la membrana mediante los procedimientos descritos en los metodos de ciencias experimentales con membranas en A Compilation of Artificial Membranes (compilado por la Sociedad de membrana de Japon), 1.2 Metodos para la fabricacion de membranas macromoleculares. En la fabricacion de una membrana semipermeable por el metodo de evaporacion del disolvente, es deseable una membrana delgada con un espesor inferior a 1 jm. En ese caso, hay riesgo de danar la membrana semipermeable en el transcurso del desprendimiento de la membrana delgada del sustrato de recubrimiento (incluyendo formas de la pelicula). Por lo tanto, se puede adoptar de antemano el metodo de recubrimiento de una capa de sacrificio sobre el sustrato de recubrimiento y el desprendimiento de una membrana para cada capa de sacrificio. En este caso, el termino "capa de sacrificio" se refiere a una capa que se desprende o se disuelve espontaneamente cuando se sumerge en disolvente, se calienta, o similares.

Una membrana que se emplea como membrana de OI se puede usar tal cual o en una forma mejorada, como membrana semipermeable, ademas de una pelicula fabricada como membrana de OD. Sin embargo, de manera deseable se selecciona una membrana de OD en la que se ha inhibido el deterioro en el rendimiento de permeacion por polarization de la concentration interna. Como ejemplos especificos, se puede emplear la membrana integrada Expedition y la membrana integrada X-Pack, ambas fabricadas por Hydration Technology Innovation.

La solucion de alimentacion

La solucion de alimentacion no esta limitada especificamente. Se puede seleccionar adecuadamente en funcion del objetivo. Ejemplos de ello son el agua de mar, agua salobre, agua de rio, agua obtenida de lugares naturales, como lagos, pantanos y lagunas, aguas residuales industriales desechadas por fabricas y diversas instalaciones industriales, aguas residuales comunes descargadas por hogares e instalaciones comunes, soluciones de cultivo de microorganismos en instalaciones de tratamiento de aguas, soluciones de cultivo de microorganismos en biorreactores de membrana (MBR), zumos de frutas, legumbres y hortalizas. De estos, se prefiere el agua de mar debido a su facil disponibilidad en cantidades grandes y estables, y la necesidad de purification.

La solucion de alimentacion se puede someter a diversos tratamientos previos antes del procesamiento por el medio de dilucion. Ejemplos son metodos comunes de tratamiento de agua tales como un tratamiento floculante, tratamiento de sedimentation, y tratamientos de filtration tales como filtration por arena y microfiltracion. Un ejemplo adicional es el metodo de dilucion por uso previo de la solucion de alimentacion como solucion de arrastre en otro aparato de osmosis directa, tal como la dilucion osmotica descrita en el Journal of Membrane Science, 362 (2010), pp. 417-426. La reduction de la concentracion de soluto de la solucion de alimentacion por ese metodo se puede anticipar que tenga efectos tales como la mejora de la tasa de dilucion en el aparato de osmosis directa de la presente invention y la reduccion en gran medida de la entrada de energia.

La solucion de arrastre

La solucion de arrastre comprende solutos en forma de fuente de aniones y fuente de cationes cada una que tiene

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una constante de la ley de Henry de 1,0 x 104 (Pa/mol ■ fraccion) o superior. La constante de la ley de Henry es una propiedad fisica que indica la relacion entre la fraccion molar de una sustancia y la presion parcial de vapor de saturacion en una solucion en la que una gran cantidad de una solucion se ha disuelto en agua. Cuanto mayor sea esta constante, mayor sera la volatilidad de la solucion acuosa y mas baja sera la solubilidad indicada. Se describe en los libros: Chemistry Handbook (publicado por Maruzen kK) y Gas Absorption, Supplemented (publicado por Kagaku Kogyo K.K.); en la literatura: Recopilacion de las constantes de la Ley de Henry para especies organicas e inorganicas de importancia potencial en Quimica Ambiental (hipervinculo:
http://www.mpch- mainz.mpg.de/~sander/res/henry.html); y similares. Cuando el soluto se carga (iones), dado que solo el componente sin carga del soluto se correlaciona con la presion de vapor de saturacion, la constante de la ley de Henry es una propiedad fisica que indica la relacion entre la fraccion molar del componente sin carga del soluto y la presion parcial de vapor de saturacion. Por lo tanto, cuando la fuente de aniones y la fuente de cationes se cargan en forma de aniones y cationes basandose en el pH de la solucion acuosa, la presion de vapor de saturacion cae, es decir, aumenta la solubilidad. Dado que en la presente invencion se emplea una fuente de aniones y una fuente de cationes con constantes altas de la ley de Henry de 1,0 x 104 (Pa/mol ■ fraccion) o superior, la solubilidad es baja en el estado sin carga. Sin embargo, cuando la fuente de aniones y la fuente de cationes se juntan para ajustar el pH, la relacion de cada uno de los materiales cargados se incrementa y su solubilidad aumenta notablemente en relacion con el caso de la solucion sola.

La solucion de arrastre comprende una fuente de aniones y una fuente de cationes. En este caso, la fuente de aniones y la fuente de cationes estan contenidas en la solucion de arrastre en estado ionizado.

El contenido de la fuente de aniones y la fuente de cationes en la solucion de arrastre no esta limitado especificamente y se puede seleccionar adecuadamente en funcion del objetivo.

En el medio de dilucion, son deseables altas concentraciones desde el punto de vista de aumentar la tasa de separacion de agua de la solucion de alimentacion. Por ejemplo, la concentracion total de soluto disuelto en la solucion de arrastre justo antes del medio de dilucion de forma deseable es de 4,8 moles o superior por kilogramo de agua. Si el pH de la solucion es extremadamente alto o bajo existe el riesgo de favorecer el deterioro de la membrana semipermeable y similar, por lo que el pH de forma deseable es de 4 a 10. Cuando se emplea dioxido de carbono como fuente de aniones, para aumentar la solubilidad es deseable una relacion de mezcla que produzca un pH de 8 o superior. La relacion molar de la fuente de aniones y la fuente de cationes de forma deseable es de 1:1 a 1:2, preferentemente de 1:1,2 a 1:1,7. Para esta relacion, en funcion de las especies de aniones y cationes, se selecciona un valor adecuado.

En el medio de separacion, es deseable que la solucion de arrastre diluida sea de baja concentracion desde el punto de vista del aumento de la eficiencia de separacion y la reduccion de la energia requerida para la separacion. Por lo tanto, la tasa de dilucion en el medio de dilucion de forma deseable es alta. Sin embargo, cuando disminuye la diferencia de presion osmotica entre la solucion de arrastre diluida y la solucion de alimentacion, la tasa de permeacion de agua a traves de la membrana semipermeable en el medio de dilucion cae bruscamente, por lo que se seleccionan una concentracion y una tasa de dilucion adecuadas.

La fuente de cationes

El peso molecular de la fuente de cationes en la presente invencion es de 45 a 74 en un estado sin carga y la constante de la ley de Henry en condiciones estandar es de 1,0 x 104 (Pa/mol ■ fraccion) o superior. El empleo de dicha fuente de cationes con la fuente de aniones hace que sea posible mantener una alta tasa de permeacion de agua a traves de la membrana semipermeable y la inhibicion de la fuga de soluto en la solucion de arrastre a traves de la membrana semipermeable y la migracion hacia el lado de la solucion de alimentacion en un aparato de OD. Tambien reduce la cantidad de soluto de la solucion de arrastre que permanece en el agua obtenida al volatilizar el componente de soluto de la solucion de arrastre que se ha diluido con el agua de la solucion de alimentacion (mejora del rendimiento de extraction).

El peso molecular de la fuente de cationes en un estado sin carga preferentemente es de 45 a 62.

La constante de la ley de Henry de la fuente de cationes en condiciones estandar de forma deseable es 1,0 x 105 (Pa/mol ■ fraccion) o superior. El limite superior no esta fijado especificamente. A modo de ejemplo, puede ser de 1,0 x 107 (Pa/mol ■ fraccion) o inferior. Fijarlo dentro de dicho intervalo permite elevar la volatilidad del medio de separacion, y como resultado, reducir la cantidad de agua que se termina volatilizando innecesariamente en el medio de separacion. Como resultado, es posible mantener baja la energia requerida para la separacion.

Cuando la constante de disociacion basica (pKb) de la fuente de cationes como material sin carga es excesivamente baja en condiciones estandar, hay problemas en el sentido de que disminuye la volatilization en el medio de separacion, aumenta la cantidad de la fuente de cationes restante en el agua separada, y aumenta la energia necesaria para la separacion. Por el contrario, cuando el pKb es excesivamente alto, hay problemas en el sentido de que cae el pH del absorbente, disminuye la cantidad de fuente de aniones que se disuelve, y disminuye la tasa de permeacion de agua a traves de la membrana semipermeable en el medio de dilucion. Por lo tanto, la pKb se debe

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seleccionar adecuadamente y de forma deseable es de 2,0 a 4,5, preferentemente de 4,0 a 4,5.

Mantener el peso molecular, la constante de la ley de Henry, y el pKb de la fuente de cationes dentro de los intervalos adecuados anteriores inhibe de manera mas eficaz que la fuente de cationes se fugue a traves de la membrana semipermeable y la migracion hacia el lado de la solucion de alimentacion, aumenta la eficiencia de separacion del medio de separacion, mantiene baja la ene^a requerida para la separacion, y aumenta la eficiencia del medio de dilucion.

El punto de ebullicion de la fuente de cationes como material sin carga a 1 atm (101 kPa) de forma deseable es inferior a 100 °C, preferentemente no superior a 50 °C. Al permanecer dentro de este intervalo se inhibe la condensation durante la operation de gas en la fuente de cationes que se ha separado en el medio de separacion. El limite inferior no esta fijado especificamente. Por ejemplo, puede ser de -20 °C o superior.

La concentration de la fuente de cationes en la solucion de arrastre justo antes de ponerla en contacto con la membrana semipermeable de forma deseable es de 2,4 moles o superior por kg de agua, preferentemente de 3,0 mol/kg o superior. La adoption de dichos medios hace que sea posible elevar la tasa de permeation de agua a traves de la membrana semipermeable en el medio de dilucion. El limite superior no esta limitado especificamente, y normalmente puede ser de 8,0 mol/kg o inferior.

La fuente de cationes no tiene por que estar limitada especificamente para permanecer dentro del espiritu y el alcance de la presente invention. Sin embargo, de forma deseable es un compuesto de amina y se puede representar por la formula general (I) a continuation.

Formula general (I): Rn-NH(3-n)

(En la formula general (I), R representa un grupo alifatico lineal o ramificado con 1 a 4 atomos de carbono y n significa 1,2, o 3.)

En la formula general (I), R de forma deseable indica un grupo metilo con 1 atomo de carbono y n representa de forma deseable 3.

Ejemplos especificos son uno o mas seleccionados entre trimetil amina, dimetil etil amina, isopropil amina, dimetil amina, dietil amina, n-propil amina, etil amina, n-butil amina, isopropil amina, isobutil amina, t-butil amina, pirrolidina, metil amina, etil metil amina, metil n-propil amina, metil isopropil amina, pentil amina, dimetil n-propil amina, dimetil isopropil amina, etil n-propil amina, etil isopropil amina y dietil metil amina; mas preferentemente uno o mas seleccionados entre trimetil amina, dimetil etil amina, isopropil amina, dimetil amina, y dietil amina; y aun mas preferentemente, trimetil amina o dimetil etil amina.

La fuente de aniones

La fuente de aniones en la presente invencion tiene una constante de la ley de Henry en condiciones estandar de 1,0 x 104 (Pa/mol ■ fraction) o superior. El empleo de dicha fuente de aniones en combination con la fuente de cationes mantiene una alta tasa de permeacion e impide que el soluto en la solucion de arrastre se fugue a traves de la membrana semipermeable y la migracion hacia el lado de la solucion de alimentacion en un aparato de OD, asi como la reduction de la cantidad de soluto de la solucion de arrastre restante en el agua obtenida al volatilizar el componente de soluto de la solucion de arrastre que se ha diluido con agua de la solucion de alimentacion (mejora del rendimiento de extraction).

La constante de disociacion acida (pKa) de la fuente de aniones como material sin carga en condiciones estandar es de manera deseable de 6,0 a 7,0. Mantenerla dentro de dicho intervalo tiene los efectos de causar la volatilization y la separacion preferenciales sobre los cationes en el medio de separacion, la mejora de la eficiencia global de la separacion, y la inhibition de la fuga de la fuente de aniones a traves de la membrana semipermeable y la migracion hacia el lado de la solucion de alimentacion en el medio de dilucion.

El punto de ebullicion de la fuente de aniones como material sin carga a 1 atm (101 kPa) de forma deseable es inferior a 100 °C, preferentemente no superior a 50 °C, y mas preferentemente no superior a 0 °C. Mantenerlo dentro de dicho intervalo tiene los efectos de causar la volatilizacion y la separacion preferenciales sobre los cationes en el medio de separacion y mejorar la eficiencia global de la separacion. El limite inferior no esta fijado especificamente. Sin embargo, normalmente es de -100 °C o superior.

La constante de la ley de Henry de la fuente de aniones en condiciones estandar preferentemente es de 1,0 x 107 (Pa/mol ■ fraccion) o superior. Mantenerlo dentro de dicho intervalo tiene los efectos de causar la volatilizacion y la separacion preferenciales sobre los cationes en el medio de separacion y mejorar la eficiencia global de la separacion. El limite superior no esta fijado especificamente, pero normalmente es de 1,0 x 1010 (Pa/mol ■ fraccion) o inferior.

La concentracion de la fuente de aniones en la solucion de arrastre justo antes de su puesta en contacto con la

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membrana semipermeable de forma deseable es de 2,4 moles por kg de agua o superior, preferentemente, de 2,8 mol/kg o superior. El empleo de dicho medio aumenta la tasa de permeacion de agua a traves de la membrana semipermeable en el medio de dilucion. El limite superior no esta fijado espedficamente, pero normalmente es de 8,0 mol/kg o inferior.

La fuente de aniones no esta limitada espedficamente, y los ejemplos son dioxido de carbono (CO2), acido carbonico (H2CO2), y dioxido de azufre (SO2). De estos, el dioxido de carbono (CO2) es particularmente deseable desde el punto de vista de una alta volatilidad, estabilidad, baja reactividad y facil disponibilidad. Por consiguiente, como aniones es deseable una mezcla de iones de acido carbonico e iones de carbonato de hidrogeno. En algunos casos, se pueden incorporar iones complejos, tales como iones de carbamato.

<El medio de disolucion>

El medio de disolucion devuelve y disuelve los solutos volatiles de la solucion de arrastre que se han separado por el medio de separacion a la solucion de arrastre que se ha diluido por el medio de dilucion. El medio de disolucion no esta limitado espedficamente y se puede seleccionar adecuadamente en funcion del objetivo entre los aparatos que se emplean habitualmente para absorber gases. Por ejemplo, opcionalmente se puede emplear el aparato, las piezas, las condiciones y similares que se describen en el libro: Gas Absorption, Supplemented (publicado por Kagaku Kogyo K.K.), pp 49-54, pp 83-144. Ejemplos espedficos son los metodos que emplean absorbentes, columnas de relleno, columnas de platos, columnas de pulverizacion, y columnas de relleno de fluidos; metodos de contacto de pelicula de liquido de flujo cruzado; metodos de flujo rotatorio de alta velocidad; y metodos que usan fuerzas mecanicas. Tambien es posible construir y causar la absorcion de capas finas de gases y liquidos usando dispositivos de control de microfluidos tales como microrreactores y reactores de membrana. Tambien se pueden emplear estructuras similares a los absorbentes empleados en bombas de calor, tales como enfriadores de absorcion de amoniaco.

Los rellenos que se colocan en columnas de relleno pueden ser rellenos estructurados o rellenos no estructurados. Por ejemplo, se pueden seleccionar opcionalmente los rellenos descritos en el libro: Gas Absorption, Supplemented (publicado por Kagaku Kogyo K.K.), pp 221 a 242.

Las partes estructurales y materiales tales como rellenos, columnas, distribuidores y soportes no estan limitados espedficamente y se pueden seleccionar de forma adecuada en funcion del objetivo. Ejemplos son materiales a base de acero, tales como acero inoxidable y acero calmado con aluminio; materiales no ferrosos, tales como titanio y aluminio; materiales ceramicos tales como vidrio y alumina; y materiales tales como carbono, polimeros sinteticos y cauchos. Para absorber eficientemente los gases de la fuente de aniones y de la fuente de cationes en el medio de disolucion, es deseable la presencia de una funcion de refrigeracion. La funcion de refrigeracion puede estar integrada con los elementos de intercambio de calor que atraviesan el medio de disolucion, o en forma de uno o varios intercambiadores de calor conectados a una parte del medio de disolucion. Desde el punto de vista de una disolucion eficiente, de manera deseable se selecciona una forma integrada. En el medio de disolucion se pueden emplear varios tipos de absorbentes de gas.

Una baja temperatura de funcionamiento del medio de disolucion en general aumenta la eficiencia de disolucion. Sin embargo, puesto que se requiere una cantidad inmensa de energia de refrigeracion para llegar por debajo de la temperatura ordinaria, desde el punto de vista de la cantidad de energia necesaria, es deseable una temperatura desde temperatura ordinaria o superior, o desde una temperatura ordinaria a 15 °C por encima de la temperatura ordinaria. En este caso, el termino "temperatura normal" significa temperatura ambiente.

<El medio de separacion>

En el medio de separacion, el soluto volatil en la solucion de arrastre se separa de la solucion de arrastre que se ha diluido por el medio de dilucion y se obtiene una solucion objetivo, tal como agua o una solucion de alimentacion concentrada.

El medio de separacion no esta limitado espedficamente y se puede seleccionar adecuadamente en funcion del objetivo. Ejemplos de ello son columnas de rectificacion, aparatos de separacion, unidades de procesamiento de membrana, microrreactores, y otros dispositivos de control de microfluidos empleados habitualmente en la separacion. De estos, se prefieren las columnas de rectificacion.

Cuando se emplea una columna de rectificacion, la temperatura de calentamiento de forma deseable es no superior a 90 °C, preferentemente no superior a 75 °C. El empleo de dicho medio permite el uso de un medio calefactor de bajo valor de utilidad como fuente de energia, mejorando asi en gran medida la rentabilidad. El limite inferior no esta fijado espedficamente, pero normalmente es de 30 °C o superior.

El metodo de calentamiento en el medio de separacion se puede seleccionar adecuadamente con tal de que permita el calentamiento de la solucion de arrastre diluida. Desde el punto de vista de la economia, es deseable seleccionar un metodo de calentamiento que use un calor residual inferior a 100 °C, no fuentes de calentamiento electrico o de

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calor de alta temperatura de 100 °C o superior. En concreto, se pueden seleccionar plantas de ene^a, tales como centrales termicas y centrales nucleares, hornos de incineracion, industria de fabricacion de acero y plantas de la industria petroqmmica, sistemas de recoleccion de luz solar que emplean espejos y lentes, y similares. La seleccion de una planta de energia es deseable desde el punto de vista de la cantidad de calor residual.

La columna de rectificacion no esta limitada especificamente y se puede seleccionar adecuadamente en funcion del objetivo. Ejemplos son columnas de platos y columnas de relleno.

Ejemplos de columnas de platos son las estructuras descritas en los libros de Distillation Technology (publicado por Kagaku Kogyo K.K.), pp. 139-143 y Chemical Engineering Explained (publicado por Baifukan), pp. 141-142. Ejemplos especificos son platos de campana de burbujas, platos de valvula y platos de lamina porosa (tamiz).

Los rellenos que se colocan en columnas de relleno pueden ser rellenos estructurados o rellenos no estructurados. Por ejemplo, opcionalmente se pueden seleccionar rellenos descritos en Chemical Engineering Explained (publicado por Baifukan), pp. 155 a 157, y Gas Absorption, Supplemented (publicado por Kagaku Kogyo K.K.), pp. 221 a 242.

Por ejemplo, se puede emplear la unidad de destilacion de membrana descrita en un articulo cientifico en el Journal of Membrane Science, Vol. 124, No. 1, pp. 1-25 y similares como unidad de procesamiento de la membrana.

Por ejemplo, se puede emplear el reactor descrito en el libro Techniques and Applications of Microchemical Chips (publicado por Maruzen) como microrreactor.

Cuando se emplea dioxido de carbono como fuente de aniones, estan involucradas reacciones mas lentas que en las columnas de rectificacion a base de hidrocarburos, tales como la hidratacion y deshidratacion, y se requiere un tiempo extremadamente largo para alcanzar el equilibrio gas-liquido. Por lo tanto, para conseguir que el medio de separacion funcione de manera eficiente, es deseable mantener la solucion en los distintos rellenos y platos mas tiempo que el tiempo de retencion recomendado calculado para un sistema de hidrocarburos. Ejemplos de metodos comunes que se pueden adoptar para alargar el tiempo de retencion son el aumento del diametro de la columna de rectificacion, la seleccion de una columna de platos, y el ajuste del tamano del poro.

<Otros procesos>

Ejemplos de otros procesos son procesos de control y procesos de accionamiento. Estos se llevan a cabo por medios de control y medios de accionamiento.

Los medios de control no estan limitados especificamente aparte de que sean capaces de controlar el funcionamiento de cada medio, y se pueden seleccionar adecuadamente en funcion del objetivo. Ejemplos de ello son dispositivos tales como secuenciadores y ordenadores.

<Energia requerida>

En el proceso de osmosis directa de la presente invencion, se pueden seleccionar condiciones relativamente especificas, tales como la fuente de aniones y la fuente de cationes para reducir en gran medida la energia requerida. En particular, dado que se puede emplear una fuente de calor de baja calidad como fuente de energia usada en el proceso de osmosis directa, se logra algo de gran importancia en la fabricacion. En este caso, el termino "energia de baja calidad" se refiere a la energia que no se puede usar en aplicaciones comunes, o que proporciona una pobre eficiencia. Por ejemplo, para el calor inferior a 100 °C, la eficiencia de conversion de energia electrica de las turbinas y similares es pobre, y el valor de utilidad de dicho calor es bajo. El proceso de osmosis directa de la presente invencion requiere principalmente energia de alimentacion y energia de calentamiento en el medio de separacion. Sin embargo, dado que la presion de alimentacion es baja, a diferencia de la OI, la energia de calentamiento representa la mayor parte de la energia en el medio de separacion. Sin embargo, cuando la temperatura en el medio de disolucion es inferior a la temperatura ordinaria, la temperatura de enfriamiento se vuelve inmensa. Por lo tanto, se debe ajustar por encima o igual a la temperatura ordinaria. Asi, para reducir la energia general, se deben seleccionar las condiciones optimas para todo el sistema, no solo para el medio de separacion.

Cuando se realizo una simulacion termodinamica del sistema de osmosis directa de la presente invencion, se comprobo que la reduccion de la cantidad de agua que termino siendo volatilizada innecesariamente con la fuente de aniones y la fuente de cationes en el elemento de separacion mantenia baja de manera efectiva la energia en el medio de separacion. En particular, cuando se emplea dioxido de carbono como fuente de aniones, la separacion se produjo con la fuente de aniones que se volatiliza preferentemente en el periodo inicial en el medio de separacion. Por lo tanto, era importante la facilidad con que se volatiliza y se separa la fuente de cationes restante. Es decir, el criterio de seleccion de la fuente de cationes no es su energia de volatilizacion; es importante seleccionar cationes con una alta constante de la ley de Henry y una alta pKb. En el medio de disolucion, es necesario disolver eficazmente el dioxido de carbono, pero como se ha expuesto anteriormente, se hace necesaria una inmensa cantidad de energia de refrigeracion cuando la temperatura en el medio de disolucion se vuelve excesivamente baja.

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Por lo tanto, es deseable un intervalo de temperatura normal a temperatura ordinaria, mas 15 °C. Para mejorar la eficiencia de la disolucion de dioxido de carbono, es deseable un pH alto en la solucion de arrastre. Por lo tanto, de forma deseable el pKb de la fuente de cationes es bajo. El hecho de que el pKb que se requiere en la fuente de cationes vaya en contra de lo que se necesita en el medio de separacion y el medio de disolucion indica asi que estara presente un intervalo adecuado. Especificamente, desde el punto de vista de la energia requerida, son deseables un pKb de 3,2 a 4,5 y una constante de la ley de Henry de 1,0 x 105 (Pa/mol ■ fraccion) o superior, y en la fuente de cationes son preferidos un pKb de 4,0 a 4,5 y una constante de la ley de Henry de 3,0 x 105 (Pa/mol ■ fraccion) o superior. Mas especificamente, de manera deseable se selecciona trimetil amina o dimetil etil amina, por ejemplo.

Ademas de lo anterior, en la presente invencion se pueden adoptar las tecnicas descritas en la Patente de Estados Unidos 6.391.205, la Publicacion de Solicitud de patente de Estados Unidos 2005/0145568 y la Publicacion Internacional N.° WO2007/146094.

[Realizaciones]

La presente invencion se describe mas especificamente a continuacion por medio de formas de realizacion. El alcance de la presente invencion no esta limitado por los ejemplos especificos que se dan a continuacion.

En las presentes realizaciones, se emplean las siguientes sustancias como fuente de cationes y fuente de aniones.

La constante de la ley de Henry es un valor basado en la Recopilacion de las constantes de la Ley de Henry para especies organicas e inorganicas de importancia potencial en Quimica Ambiental (hipervinculo:
http://www.mpch- mainz.mpg.de/~sander/res/henry.html). Para sustancias para las que se enumeran varios valores, se eliminaron valores extremos y se empleo el valor medio. Se representa en unidades de Pa/mol ■ fraccion. El peso molecular es el peso molecular del compuesto respectivo en un estado sin carga. El pKa y pKb son los valores habituales basados en la literatura, como el Manual de Quimica, Basic Edition, ed. por la Chemical Society of Japan, Maruzen. El punto de ebullicion es un valor basado a 1 atm (101 kPa).

[Tabla 1]

Soluto (estado sin carga)

Constante de Henry Peso molecular pKa o pKb Punto de ebullicion [°C]

Cation

Trimetil amina 6,0E + 05 60,11 4,21 3

Dimetil etil amina

4,0E + 05 74,14 4,17 36

Isopropil amina

2,6E + 05 60,11 3,37 33

Dietil amina

2,2E + 05 74,14 2,98 55,5

Dimetil amina

1,3E + 05 46,08 3,27 7

Etil amina

8,0E + 04 46,08 3,3 17

Propil amina

7,8E + 04 60,11 3,33 48

* Pentil amina

1,4E + 05 88,16 3,4 104

Amoniaco (comparacion)

9,8E + 04 18,03 4,75 -33

Etilendiamina (comparacion)

9,7E + 00 61,1 3,92 116

Anion

CO2 1,6E + 08 44,01 6,35 -79

SO2

4,6E + 06 64,07 1,81 -10

Acido trifluoroacetico (comparacion)

7,7E + 02 114,03 0,3 72

* para referencia

Tasa de fugas de soluto a traves de la membrana semipermeable

La tasa a la que solo la fuente de cationes permea a traves de la membrana semipermeable de una solucion acuosa se analizo en un experimento modelo de la tasa de fuga del soluto en el medio de dilucion. De la fuente de aniones y sus materiales cargados y la fuente de cationes y sus materiales cargados, se sabe que la fuente de cationes sin carga pasa mas facilmente a traves de una membrana semipermeable cuando en la presente invencion se emplea dioxido de carbono como fuente de aniones. Por lo tanto, el analisis fue eficaz en el sentido de que se ha seleccionado la fuente de cationes.

Se prepararon concentraciones de 0,4 moles de amoniaco (fabricado por Kanto Chemical Co., Inc.), dimetil amina (fabricada por Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.), etil amina (fabricada por Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.), propil amina (fabricada por Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), trimetil amina (fabricada por Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), y dietil amina (fabricada por Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) por kilogramo de agua pura como soluciones de arrastre. Se emplea agua pura como solucion de alimentacion. Se empleo una membrana integrada

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Expedition fabricada por Hydration Technology Innovations (denominada en lo sucesivo "membrana HT") como membrana semipermeable. Se bombearon una cantidad de 100 ml de solucion de alimentacion y 100 ml de solucion de arrastre a una tasa de flujo de 20 mm/segundo con una bomba Peri-Star y la solucion de alimentacion y la solucion de arrastre se pusieron en contacto a traves de la membrana semipermeable en una celda que alberga una membrana semipermeable (membrana HT). En ese momento, el area de la superficie de contacto de la membrana era de 280 mm2 y los dos flujos eran paralelos y estaban orientados de manera identica. Las dos soluciones se pusieron en contacto mientras se introducian durante 30 minutos, despues de lo cual se midio la concentracion de cada fuente de cationes en la solucion de alimentacion y se estimo la tasa de permeacion de la membrana semipermeable. Se midieron el pH y la conductividad electrica de las soluciones de alimentacion y se estimo la concentracion de cationes de cada fuente de cationes contenida a partir de una curva de calibracion. Los resultados se dan en la Tabla 2. La Figura 3 muestra la correlacion con el peso molecular de la fuente de cationes y la Figura 4 muestra la correlacion con el valor del peso molecular multiplicado por la constante de la ley de Henry de la fuente de cationes.

[Tabla 2]

Fuente de cationes

Abreviatura Constante de Henry Peso molecular Henry * PM Tasa de fuga

Promedio

Desviacion tipica

[Pa/molfrac]

[g/mol] [GPA/mol molfrac] [mol/mm2h] -

Amoniaco

NH3 9,8E + 04 17 1,66E + 06 6,92 0,51

Dimetil amina

NMe2 1,3E + 05 45,08 5,86E + 06 2,85 0,26

Etil amina

Net 8,0E + 04 45,08 3,59E + 06 3,30 0,48

Propil amina

NPr 7,8E + 04 59,11 4,61 E + 06 3,21 0,31

Trimetil amina

NMe3 6,0E + 05 59,11 3,53E + 07 1,36 0,2

Dietil amina

NEt2 2,2E + 05 73,14 1,58E + 07 1,96 0,34

Como se muestra en la Tabla 2 y la Figura 3, los resultados indicaban que el uso de una fuente de cationes con un peso molecular de 45 a 74 suprime la tasa de permeacion de la membrana semipermeable. Como se muestra en la Figura 4, la seleccion de una fuente de cationes con una constante de la ley de Henry alta, ademas de un alto peso molecular, suprime mejor la tasa de permeacion de la membrana semipermeable.

Ajuste de la solucion de arrastre

Se prepararon soluciones de arrastre con las composiciones que se muestran en la Tabla 3. Para el CO2, la absorcion de gas se llevo a cabo con dioxido de carbono (usando un cilindro de CO2 gaseoso) mientras se enfria una solucion acuosa de una fuente de cationes preparada de antemano. Se anadio acido trifluoroacetico (fabricado por Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) en forma liquida. Para el SO2, se empleo una solucion acuosa de acido sulfuroso (fabricado por Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) en la preparacion.

Ajuste de la solucion de alimentacion

Se empleo una solucion del 0,1 % en peso (0,1 % de BSA) de albumina de suero bovino (fabricada por Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) o una solucion 0,6 M (NaCl 0,6 M) de cloruro de sodio (fabricada por Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) como solucion de alimentacion.

En el aparato de OD mostrado en la Figura 2, el medio de dilucion y el medio de separacion se ensamblan de forma independiente. En la Figura 2, Las flechas de lineas continuas indican el flujo de la solucion de alimentacion o de agua separada de la solucion de alimentacion y las lineas de puntos indican el flujo de la solucion de arrastre o del soluto de la solucion de arrastre, respectivamente. El presente aparato de OD esta compuesto de un medio de dilucion 21, un medio de disolucion 22, y un medio de separacion 23.

Inicialmente, como medio de dilucion, se ponen en contacto 200 ml de solucion de alimentacion y 200 ml de solucion de arrastre a traves de una membrana semipermeable 24 (membrana HT) en el medio de dilucion 21 (area de la superficie de contacto de la membrana 280 mm2). Cada solucion se bombeo a un caudal de 20 mm/segundo en paralelo con la misma orientacion usando una bomba Peri-Star. La tasa a la que el agua de la solucion de alimentacion permea hacia el lado del medio de disolucion 22 a traves de la membrana semipermeable 24 se analizo midiendo los pesos de la solucion de alimentacion y la solucion de arrastre en tiempo real. Se cuantifico la concentracion de cationes que se habia filtrado de la solucion de arrastre y estaba contenida en la solucion de alimentacion despues de fluir durante tres horas con diversos electrodos de amina o por cromatografia de gases, y se calcula la tasa de fuga. Se obtuvieron los electrodos de amina empleados en la cuantificacion de amina

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sustituyendo el liquido interno de electrodos de amoniaco comerciales (fabricados por DKK-TOA Corporation, que comprende electrodos de compuesto de amoniaco AE-2041 conectados a un medidor de iones portatil IM-32P) con una solucion acuosa de cloruro de la amina a medir (por ejemplo, solucion acuosa 50 mM de cloruro de trimetil amina). El metodo de medicion consistia en ajustar el pH de la muestra de liquido con solucion acuosa de NaOH y a continuacion la medicion de la fuerza electromotriz en estado estacionario. Se prepararon curvas de calibracion de la concentracion de amina y la fuerza electromotriz para diferentes concentraciones de las soluciones acuosas de los diferentes controles de medicion y a continuacion se estimaron las concentraciones de amina de las muestras.

A continuacion, se empleo una columna de rectification como medio de separation para medir la cantidad de soluto restante. Se empleo una columna de rectificacion de configuration de doble tubo con un sistema incorporado de relleno estructurado (Laboratory Packing EX, fabricado por Sulzer Chemtech: en adelante denominado "Labpack") como columna de rectificacion. Mientras se calentaba la parte inferior con un calentador de camisa, la solucion de arrastre que se habia diluido por el agua de la solucion de alimentation se introdujo de forma continua desde la parte superior de la columna de rectificacion. En la columna de rectificacion del medio de separacion 23, el componente de soluto de la solucion de arrastre se volatiliza para separar el agua del componente de soluto de la solucion de arrastre. En ese momento, la parte superior de la columna se conecta a traves de un elemento de refrigeration a una bomba de vacio y la presion interna se regula automaticamente a 1,0 x 104 Pa. Durante tres horas de operation, se tomaron muestras de una cantidad adecuada de liquido separado de la parte inferior de la columna y se midio la concentracion de cationes restante en la solucion sin carga de la parte inferior de la columna de rectificacion mientras se encuentra en estado estacionario. La medicion se llevo a cabo por el mismo metodo que en el medio de dilution anteriores.

Tasa de flujo de permeation

En el proceso anterior se mide el caudal de permeacion de la membrana semipermeable de agua de la solucion de alimentacion.

O: 300 |jmol/mm2 h o mas

A: 30 jmol/mm2 o mas, pero inferior de 300 jmol/mm2

X: menos de 30 jmol/mm2

Por encima, A o mejor indica un nivel practico.

Tasa de fuga

En el proceso anterior se midio la fuga del componente de soluto a traves de la membrana semipermeable hacia la solucion de arrastre. Se llevo a cabo la siguiente evaluation.

O: menos de 1 jmol/mm2

A: 1 jmol/mm2 o mas, pero inferior a 5 jmol/mm2

X: mas de 5 jmol/mm2

Por encima, A o mejor indica un nivel practico.

Cantidad de soluto restante

Se midio la cantidad de solucion de arrastre restante en el agua despues de la separacion de la fuente de cationes y la fuente de aniones de la solucion de arrastre. Se llevo a cabo la siguiente evaluacion.

@: menos de 50 |jM O: 50 jM o mas, pero inferior a 200 jM A: 200 jM o mas, pero inferior de 1 mM X: 1 mM o mas

Por encima, A o mejor indica un nivel practico.

Claims (25)

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   REIVINDICACIONES

   1. Una solucion de arrastre para un proceso de osmosis directa, que comprende:

   una fuente de aniones; y

   una fuente de cationes que tiene un peso molecular de 45 a 74 en un estado sin carga;

   en la que cada una de la fuente de aniones y la fuente de cationes tiene una constante de la ley de Henry en agua de 1,0 x 104 (Pa/mol ■ fraccion) o superior en condiciones estandar.
2. 2. Una solucion de arrastre de acuerdo con la reivindicacion 1, en la que la fuente de cationes tiene una constante de la ley de Henry en agua de 3,0 x 104 (Pa/mol ■ fraccion) o superior en condiciones estandar.
3. 3. Una solucion de arrastre de acuerdo con la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2, en la que la fuente de aniones tiene una constante de disociacion acida (pKa) de 6,0 a 7,0 como material sin carga en condiciones estandar.
4. 4. Una solucion de arrastre de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en la que la fuente de cationes tiene una constante de disociacion basica (pKb) de 2,0 a 4,5 como material sin carga en condiciones estandar.
5. 5. Una solucion de arrastre de acuerdo con la reivindicacion 4, en la que la fuente de cationes tiene una constante de disociacion basica (pKb) de 4,0 a 4,5 como material sin carga en condiciones estandar.
6. 6. Una solucion de arrastre de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en la que cada una de la fuente de aniones y la fuente de cationes esta presente en una concentracion de al menos 2,4 moles por kilogramo de agua.
7. 7. Una solucion de arrastre de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en la que los aniones son iones de acido carbonico y/o iones de carbonato de hidrogeno, y la fuente de cationes son uno o mas miembros seleccionados del grupo que consiste en trimetil amina, dimetil etil amina, isopropil amina, dimetil amina y dietil amina.
8. 8. Una solucion de arrastre de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en la que la fuente de cationes y/o la fuente de aniones tienen un punto de ebullicion inferior a 100 °C a 1 atm (101 kPa) como material sin carga.
9. 9. Una solucion de arrastre de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en la que la fuente de cationes tiene una constante de la ley de Henry en agua de 1,0 x 105 (Pa/mol ■ fraccion) o superior en condiciones estandar.
10. 10. Una solucion de arrastre de acuerdo con la reivindicacion 9, en la que la fuente de cationes tiene una constante de la ley de Henry en agua de 3,0 x 105 (Pa/mol ■ fraccion) o superior en condiciones estandar.
11. 11. Una solucion de arrastre de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en la que la relacion molar de la fuente de aniones y de la fuente de cationes es de 1:1 a 1:2.
12. 12. Una solucion de arrastre de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-9, en la que la fuente de cationes y la fuente de aniones cada una tienen una constante de la ley de Henry de 1,00 x 105 (Pa/mol ■ fraccion) o superior.
13. 13. Una solucion de arrastre de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en la que la fuente de cationes es trimetil amina o dimetil etil amina y la fuente de aniones es dioxido de carbono.
14. 14. Un aparato de osmosis directa, que comprende:

    una solucion de arrastre tal como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13; un medio de dilucion, que es capaz de poner en contacto una solucion de alimentacion con la solucion de arrastre a traves de una membrana semipermeable y diluir la solucion de arrastre con agua separada de la solucion de alimentacion por medio de la membrana semipermeable;

    un medio de separacion, que es capaz de separar la solucion de arrastre que ha sido diluida por el medio de dilucion en la fuente de cationes y la fuente de aniones y en agua; y

    un medio de disolucion que es capaz de devolver la fuente de cationes y la fuente de aniones de la solucion de arrastre, que han sido separadas por el medio de separacion, a la solucion de arrastre que ha sido disuelta y de disolver en esta la fuente de cationes y la fuente de aniones.
15. 15. Un aparato de osmosis directa de acuerdo con la reivindicacion 14, que comprende un intercambiador de calor capaz de calentar la solucion de arrastre diluida usando, como fuente de calor, al menos uno entre agua, la fuente de cationes y la fuente de aniones obtenidos por el medio de separacion.
16. 16. Un aparato de osmosis directa de acuerdo con una cualquiera de la reivindicacion 14 o la reivindicacion 15, que comprende ademas un intercambiador de calor que enfria al menos uno entre la fuente de cationes y la fuente de aniones obtenidas por el aparato del medio de disolucion o el medio de separacion usando como fuente de

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    refrigeracion la solucion de alimentacion antes de la dilucion.
17. 17. Un aparato de osmosis directa de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 14 a 16, en donde el aparato de osmosis directa es un aparato de purificacion de agua capaz de separar la solucion de arrastre diluida por el medio de dilucion en una fuente de cationes y una fuente de aniones y en agua, y recuperar el componente acuoso como producto objetivo.
18. 18. El aparato de osmosis directa de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 14 a 16 en donde el aparato de osmosis directa es un dispositivo de concentracion capaz de recuperar la solucion de alimentacion que ha sido concentrada despues de poner en contacto la solucion de alimentacion y la solucion de arrastre a traves de la membrana semipermeable como producto objetivo.
19. 19. Un proceso de osmosis directa, que comprende:

    poner en contacto una solucion de arrastre tal como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13

    con una solucion de alimentacion a traves de una membrana semipermeable y diluir la solucion de arrastre con

    un liquido separado de la solucion de alimentacion por la membrana semipermeable;

    separar la solucion de arrastre diluida en la fuente de cationes y la fuente de aniones y en agua; y

    devolver la fuente de cationes y la fuente de aniones separadas a la solucion de arrastre diluida y disolver en

    esta la fuente de cationes y la fuente de aniones separadas.
20. 20. Un proceso de osmosis directa de acuerdo con la reivindicacion 19, en el que la solucion de arrastre diluida es separada en la fuente de cationes y la fuente de aniones y en agua por calentamiento a una temperatura no superior a 90 °C.
21. 21. Un proceso de osmosis directa de acuerdo con la reivindicacion 19 o la reivindicacion 20, en el que la solucion de arrastre que es introducida por el medio de dilucion tiene una temperatura de ± 5 °C de la solucion de alimentacion introducida por el medio de dilucion.
22. 22. Un proceso de osmosis directa de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 19 a 21, en el que la diferencia entre la temperatura maxima del medio de separacion y la temperatura minima del medio de disolucion es inferior a 35 °C.
23. 23. Un proceso de osmosis directa de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 19 a 22, en el que la solucion de alimentacion es agua de mar.

    imagen1

    imagen2

    Fig. J

    Correlacion entre el peso molecular de la fuente de cationes y las fugas

    Peso molecular de la fuente de cationes

    Fig. 4

    Correlacion entre la constante de la ley de Henry x peso molecular y las fugas

    I NH3

    NEt

    5$ NMe2 (\iFt2 ------------------x----_

    NMeE

    ,E+G7 4.E-HD7
24. 0.E-HXI 1, E+07
25. 2.E+07

    Constante de la ley de Henry de la fuente de cationes x peso molecular

    Fig. 5

    imagen3