ES2637033B2 - Sistema de obtención y purificación de oxigeno a partir de agua para respiración autónoma - Google Patents
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Description
DESCRIPCIÓN
Sistema de obtención y purificación de oxígeno a partir de agua para respiración autónoma.
Sector de la técnica
La presente invención se incluye en el sector técnico de los sistemas de generación y purificación de oxígeno y de los sistemas de respiración autónomos. En particular, la presente invención se refiere a un sistema para generar y purificar oxígeno para la respiración subacuática o en ambientes con escasez o ausencia de oxígeno así como en atmósferas que por sus propiedades o composición no son respirables. El sistema permite generar oxígeno a partir de agua y purificar dicha corriente de gas que es introducido en un sistema de circuito cerrado donde es recirculado. En dicho circuito o reciclador de aire se consigue mantener la proporción de oxígeno en niveles aceptables para la respiración humana. El sistema cerrado en el que se recircula el aire es impulsado y permite eliminar el CO2 generado en el mismo.
Antecedentes de la invención
Los sistemas de respiración subacuática más comúnmente empleados consisten en el uso de botellas que contienen aire comprimido y un sistema de circuito abierto o semiabierto. Otros sistemas emplean también botellas de aire con un sistema de circuito cerrado o semicerrado conocido como reciclador de aire (conocido comúnmente como rebreather) en el cual se elimina el dióxido de carbono (CO2) con un reactivo químico presente en el circuito, lo que permite reciclar el gas exhalado en el sistema y recircularlo para volver a ser inhalado. Estos sistemas emplean botellas de aire, oxígeno u otras mezclas para alimentar oxígeno requerido al usuario que va consumiéndolo, lo que permite recircular el gas inerte que permanece en el sistema. La reutilización de la mezcla de gases permite el uso de un menor volumen de gas inerte (N2) lo que aumenta la autonomía del sistema al ir suministrando oxígeno (O2) en la medida en que se consiguen unos niveles aceptables para la respiración humana. Este mayor tiempo de uso permite utilizar estos sistemas en actividades de submarinismo, extinción de incendios, operaciones en minas, espeleología, rescates o en actividades a elevadas altitudes así como en aplicaciones médicas como la reutilización de gases anestesiantes.
Estos sistemas permiten aumentar la autonomía del sistema, suministrando oxígeno mediante balas de gas a alta presión, lo que permite suministrar oxígeno cuando la presión parcial de oxígeno en el sistema disminuye tras ser recirculado en el sistema de respiración. Existen diferentes tipos de reciclador de aire dependiendo de la disposición y orden de los componentes principales. Así, existen recicladores de circuito semicerrado, de circuito cerrado de oxígeno, de circuito cerrado con gas mixto (N2 y O2) u otros. Algunos sistemas emplean compuestos absorbentes que permiten eliminar CO2 a la vez que liberan oxígeno al circuito como los que emplean superóxido de potasio (KO2) o emplean oxígeno líquido conocidos como recicladores criogénicos. La mayoría de sistemas de reciclado de aire utilizan sustancias que absorben CO2 a diferentes temperaturas como la cal sodada (mezcla de CaO con NaOH), mezclado con otros compuestos como potasa (KOH), sosa (NaOH), óxido de calcio (CaO), óxido de magnesio (MgO). Otras sustancias empleadas para eliminar CO2 a diferentes temperaturas son: Na2ZrO3, BaSiO3, Li2ZrO3, CaZrO3, BaZrO3, BaTiO3, hidróxido de Litio (LiOH), peróxido de Litio (Li2O2), Li4SiO4, óxido de cerio (CeO2), hidrotalcitas, serpentinita, divino, aminas como alcanolamina (monoetanolamina [MEA], dietanolamina [DEA], metildietanolamina [MDEA], diisopropanolamina, metildietanolamina o 2(2-aminoetoxi)etanol y líquidos absorbentes siendo de interés para el caso aquéllas que son capaces de absorber a temperaturas ambientales (Tomé y Marrucho, Chem. Soc. Rev.45, 2785, 2016; Wu et al., Rev. Chem. Eng. 33, 271, 2016). Otras sustancias consiguen adsorber (no absorber) C02 en su estructura porosa como carbones activados y otros materiales carbonosos como nanotubos de
carbono, grafito, grafeno, carbones nanoporosos (NPCs), zeolitas, aluminosilicatos, tamices moleculares metal-orgánicos (MOFs), entre otros (Lu et al., J. Mat. Chem. a. 4, 12118, 015).
También se han combinado materiales porosos adsorbentes de elevada área superficial que contienen sustancias absorbentes de CO2 en su interior como carbones activados con líquidos absorbentes o aminas en su interior, membranas poliméricas de fibra hueca con líquidos absorbentes o aminas en su interior (Tomé y Marrucho, Chem. Soc. Rev.45, 2785, 2016), etc. Otros sistemas emplean membranas para conseguir la separación selectiva del CO2 del resto de gases presentes en la mezcla de gas.
Otros sistemas empleados en vehículos submarinos tratan de aumentar la superficie de interacción entre el agua y el aire recirculado en sistemas cerrados para mejorar la transferencia del CO2 del aire al agua mediante el uso de un tanque relleno de materiales como los anillos de Dixon u otros (Kolaczkowski, S., et al., Chem. Eng. Res. & Design, 100 157, 2015). Se pueden emplear sistemas de contacto directo entre el agua y el aire. Dichos sistemas permiten el contacto entre ambas fases mediante la presurización del aire interno a la presión externa del agua o bien mediante la despresurización del agua externa que es puesta en contacto con el aire interior. Existen también sistemas que mejoran el contacto entre ambas fases, conocidos como sistemas de contacto indirecto. En este caso se pueden emplear membranas de fibra hueca semipermeables que pueden tener o no tratamientos superficiales para mejorar el contacto entre fases, ser más selectivas al paso del CO2 con respecto al resto de gases y pueden modificarse superficialmente para evitar el ensuciamiento en medios acuáticos. Estos sistemas de contacto se pueden disponer de varias formas en sistemas subacuáticos. En una primera disposición del sistema de contacto indirecto se puede comprimir el aire para igualarlo a la presión externa y ponerlo en contacto con el agua externa en las membranas para luego despresurizarlo y volver al interior con una menor concentración de CO2. En otra disposición del sistema se puede despresurizar El agua para ponerla en contacto con el gas interior en las membranas y luego volver a presurizar el agua y bombearla fuera del sistema. Otra opción sería utilizar membranas de fibra hueca sin necesidad de modificar la presión de las fases gaseosa y acuosa. En este último caso las membranas deben resistir la diferencia de presión existente entre ambos medios. En el caso de usar este tipo de sistemas en ambientes con atmósferas empobrecidas en O2 no existiría tanta diferencia en la presión, siendo únicamente necesario que las membranas sean selectivas al paso de CO2 y no al de otros gases. Sólo sería aplicable en ambientes acuáticos.
Por reciclador de aire se entienden los sistemas de recirculación de aire en un sistema cerrado (en el que se recircula la totalidad del aire mediante sistemas de impulsión, bombeo o compresión-descompresión) o semicerrado (que deja escapar al exterior un volumen de aire cada cierto tiempo). En respiración subacuática autónoma estos sistemas de recirculación de aire se ayudan mediante elementos conocidos como contrapulmones y presentan varias ventajas con respecto a los sistemas abiertos como su mayor autonomía al requerir únicamente oxígeno como gas a suplir en el sistema cerrado y la ausencia de burbujas como los equipos convencionales. Dichos sistemas permiten la reutilización del gas inerte (como el Nitrógeno) aumentando el tiempo de operación o autonomía al requerir sólo oxígeno como gas a suministrar al sistema ya que se va consumiendo con la respiración. En algunos tipos de reciclador se emplean botellas de oxígeno, nitrógeno, helio o Nitrox para suplir la falta de alguno de estos gases, sobre todo en sistemas semicerrados en los que se pierde parte del gas en forma de burbujas. Aunque los recicladores permiten reutilizar la mezcla de gas evitando el uso de botellas, requieren de adición de oxígeno almacenado en balas a presión lo que limita el tiempo de uso del sistema a la cantidad existente en las mismas. En ambientes subacuáticos se ha empleado este tipo de sistemas y existen numerosos modelos que varían en su composición para la práctica del submarinismo. En particular, se han patentado equipos que presentan un sistema de eliminación de CO2 (patentes US 3575167, US 3794021, US 4939647, US 5964221, US 6302106, US 7520280, US
2007/0163591, US 2008/0276942, US 2010/0012124, US 2010/0313887, US 2012/0132206, US 6895961) pero estos equipos no contemplan la generación de O2 ni su purificación. Los sistemas de reciclado de aire pueden emplearse además en ambientes terrestres en los que no hay oxígeno o su presencia es escasa o bien en atmósferas en las que, aun existiendo oxígeno, no son adecuadas para la respiración por otros motivos como baja presión o presencia de gases nocivos. En este caso, la impulsión depende de mecanismos de impulsión o compresión que hagan recircular el aire.
En lo referido a sistemas que empleen agua para obtener directamente oxígeno in situ para la respiración en sistemas cerrados se han desarrollado varios sistemas para la navegación submarina o respiración subacuática pero en muchos de ellos no se purifica la corriente de oxígeno obtenida convenientemente y no se presenta un pretratamiento previo del agua (patentes US 3971372, US 5203325, US 6295984, DE 102010006354) ni se explica cómo eliminar CO2 o purificar la corriente de gas. La obtención de oxígeno se puede llevar a cabo mediante la utilización de electrolizadores en los que el agua es convertida en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2). Dichos sistemas requieren de agua desmineralizada o desionizada al emplear membranas de intercambio de protones, generalmente de membrana polimérica (PEM). Para la obtención de agua desionizada o ultrapura es necesario pretratar el agua del que se obtendrá el oxígeno. En vehículos submarinos se ha empleado la destilación mediante calentadores de agua que permite obtener agua destilada que posteriormente se emplea en los sistemas de refrigeración, para tripulación y para generación de oxígeno mediante electrólisis del agua. Otra forma de obtener agua es mediante la utilización de sistemas de filtración como microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración u osmosis inversa, los cuales son capaces de retener y separar diferentes sustancias y compuestos como diferentes sales, obteniéndose un agua más pura con los sistemas de nanofiltración y osmosis inversa. La osmosis inversa puede eliminar el 99% de todas las sustancias disueltas, así como microorganismos y partículas. El rechazo o agua más concentrada obtenida puede devolverse hacia el exterior del sistema. Otros sistemas empleados se basan en la electrodiálisis, electrodiálisis reversible, electrodesionización, criodesalación, sistemas de intercambio iónico, etc. Independientemente del sistema empleado para desalar o desionizar se requiere una conductividad final muy baja o agua ultrapura. Es importante mantener una baja conductividad lo que influirá en la durabilidad de las celdas.
La obtención de hidrógeno y oxígeno mediante este tipo de electrolizadores (PEM) se basa en el transporte de protones en un polímero sólido de electrolito (SPE) a temperaturas entre 20 y más de 100 °C. Este tipo de electrolizadores presentan electrodos con ánodo y cátodo con metales como el Pt en el cátodo y óxidos de Ir o Ru en el ánodo. Las reacciones en el cátodo y ánodo se muestran a continuación:
Cátodo: 2H+ 2e- ^ H2
Ánodo: H2O^ 1/2 O2 2H+ 2e-
En el cátodo en contacto con el agua se forma oxígeno. Se suelen emplear este tipo de electrolizadores a baja temperatura entre 20-100 °C, a baja presión y presentan una larga durabilidad. El proceso de electrólisis requiere de corriente continua por lo que se emplean rectificadores para convertir corriente alterna en continua o bien acumuladores eléctricos o baterías. El proceso se lleva a cabo en un equipo denominado stack que es donde se dan los procesos electroquímicos señalados anteriormente. El stack se compone de un apilamiento de numerosas celdas compactadas a presión con unos colectores que recogen los gases del ánodo (agua y oxígeno generalmente) y del cátodo (agua e hidrógeno) para luego ser procesados en función de la utilidad de los gases.
Dependiendo del voltaje empleado se pueden producir otros compuestos como H2O2, O3, HO2, O, HO. La presencia de aniones cloruro (CI) puede a su vez producir compuestos indeseables como Cl2 HCIO, HCIO2, CIO3, CIO4.
La purificación del gas presenta una importancia clave en sistemas de respiración ya que se debe recircular el gas que debe estar libre de contaminantes. Existen diversos contaminantes cuyos valores límite deben ser controlados (Lonkar et al., The Swedish Defence Research report No. FOA-R-97-00403-720-SE, 1997). Entre ellos están el O3 H2O2 y formaldehído que pueden ser eliminados mediante el sistema propuesto en esta invención. El ozono puede descomponerse a temperatura ambiental en fase gas o fase acuosa mediante diferentes catalizadores, convirtiéndolo en CO2 (Batakliev et al., Interdiscip. Toxicol. 7, 47, 2014). El H2O2 puede descomponerse a su vez en oxígeno y agua con óxidos de manganeso. El formaldehído puede también descomponerse en CO2 y agua mediante catalizadores basados en óxido de manganeso en condiciones ambientales (Nie, at al., Catal. Sci. Technol. 6, 3649, 2016) por lo que se eliminarían compuestos producidos habitualmente en atmósferas cerradas.
Existe pues la necesidad de disponer de un sistema o dispositivo que permita la respiración subacuática o en ambientes no respirables durante largos periodos de tiempo, solucionando el problema del uso de oxígeno generándolo a partir del agua y purificándolo en el mismo dispositivo. La invención aquí descrita permite obtener oxígeno a partir de agua de diferentes procedencias. Este oxígeno es purificado e inyectado en un sistema reciclador para la respiración autónoma subacuática o en ambientes no respirables o con escasez de oxígeno. El sistema reciclador de aire posee un sistema para purificar el aire dentro, tanto eliminando CO2 como otras sustancias generadas.
Explicación de la invención
La presente invención soluciona el problema del estado de la técnica mediante un sistema de generación de oxígeno in situ y respiración autónoma subacuática. Asimismo, la invención permite la respiración a partir de fuentes de agua en ambientes en los que existe una atmósfera no respirable.
Así pues en un primer aspecto, esta invención se refiere a un sistema de generación de oxígeno a partir de agua que permite además inyectar dicho gas a un circuito cerrado donde el oxígeno es purificado y recirculado para ser respirado por el usuario o usuarios junto a un gas inerte como el nitrógeno en los niveles adecuados para la respiración humana.
En la presente invención por aguas se refiere a aguas de cualquier tipo, tanto dulces como saladas en cualquier ámbito, tanto en el mar como en lagos y ríos o aguas subterráneas. El sistema puede ser empleado tanto en ambientes subacuáticos como en atmósferas pobres en oxígeno o que, conteniendo oxígeno, no sean respirables o presenten compuestos nocivos o en los que la presión atmosférica no sea la adecuada.
El sistema propuesto en la presente invención consta de cuatro unidades principales unidas de forma secuencial, tal como se detalla en la figura 1, que permiten realizar varias funciones para conseguir el objetivo final de solucionar el problema de la respiración autónoma a partir de oxígeno generado a partir del agua. El sistema (1) cualquiera sea su forma, disposición o uso contiene en su interior cuatro unidades principales. Presenta un sistema de obtención de agua desionizada o desmineralizada a partir del agua procedente del exterior (2), un sistema de obtención de oxígeno mediante un electrolizador (3), un sistema de deshumidificaciónpurificación del oxígeno obtenido en la etapa anterior en el que se elimina el agua, ozono y otras sustancias nocivas presentes (4) y un sistema de recirculación del gas de respiración con sistema de eliminación de CO2 (5) conocido como reciclador de aire o recirculador en el que se introduce el oxígeno generado en la unidad que produce oxígeno (electrolizador) (3). Se
entiende por reciclador de aire cualquier sistema o dispositivo que permita recircular mediante cualquier medio mecánico una masa de aire con el fin de ser respirado por una o más personas y que dispone de un sistema de eliminación de CO2, cualquiera sea su forma o uso.
En la figura 2 se representa un ejemplo de sistema al que se han añadido a las 4 unidades principales, un acumulador eléctrico o batería (6) y un sistema de control (7). Dicho sistema de control permite regular el caudal de agua tratada para producir oxígeno en el electrolizador. Dicho oxígeno se genera en el volumen requerido para mantener la concentración adecuada en la unidad 5 de respiración.
La primera unidad (2) se refiere a un sistema de desionización o tratamiento de agua. Esta unidad tiene por objetivo retirar la materia en suspensión, sustancias disueltas así como sales del agua y generar agua desmineralizada o desionizada con una conductividad eléctrica baja, cualquiera sea el proceso empleado. En una realización en particular, dicho sistema puede basarse en un sistema de filtración de agua que consta de una bomba de alta presión que suministra el impulso necesario para hacer pasar el agua a través de: un sistema de filtros inicial para retirar las partículas de mayor tamaño, un sistema de microfiltración y otro de osmosis inversa. Este sistema de osmosis puede ser sustituido por otros sistemas basados en la electrodesionización, electrodiálisis o resinas de intercambio, dependiendo de la fuente de agua a tratar para retirar las sales en disolución. La cantidad de agua requerida impulsada se regula a partir de un sistema de control (7) en función de la cantidad de oxígeno requerido por el sistema para mantener la presión parcial de oxígeno en unas cantidades óptimas para el/los usuario/s. El agua generada es acumulada en un contenedor que presenta un regulador de nivel para controlar la cantidad de agua requerida por el sistema.
La segunda unidad (3) consta de un electrolizador que permite, a partir del agua desmineralizada o desionizada que es generada y acumulada en la primera unidad (2), obtener la cantidad de oxígeno requerida por el sistema de control (7) para suministrar al sistema de respiración o reciclador de aire 5 la presión parcial de oxígeno requerido, como se muestra en la figura 3. Una de las ventajas del sistema radica en el uso de potenciales superiores a los empleados normalmente. El uso de potenciales por encima de 2,3 V genera además de oxígeno (O2), ozono (O3) y otras especies como H2O2, entre otras, lo que constituye una limitación de cara a su posible utilización como generador de oxígeno para sistemas de respiración al tratarse de sustancias oxidantes que no deben introducirse en el sistema de respiración. Por otro lado, el empleo de potenciales mayores permite una mayor obtención de O2 con la contrapartida de generar ozono como se indica en la patente EP 2657369 A1. Un electrolizador con membrana de intercambio de protones (PEM) se puede emplear para generar una mayor cantidad de oxígeno. En la patente EP 2657369 A1 se elimina el ozono mediante una reducción catalítica posterior. La reducción catalítica con el hidrógeno producido puede conllevar ciertos riesgos al estar presentes oxígeno e hidrógeno por lo que el sistema propuesto en el sistema (1) elimina el ozono y el peróxido de hidrógeno mediante descomposición en condiciones ambientales. En el sistema de la presente invención el ozono es descompuesto mediante catalizadores en la siguiente unidad de purificación (4). En dicha unidad se elimina el agua mediante condensación o materiales adsorbentes y posteriormente se elimina el ozono en la corriente de gas. En una realización preferente, el electrolizador empleado debe ser de membrana de intercambio de protones (PEM). El oxígeno generado en el ánodo es circulado a través de la tercera unidad (4) que se encarga de deshumidificar la corriente y recuperar el agua mediante un condensador o bien mediante sustancias absorbentes de agua o mediante materiales desecantes o membranas de separación de H2O2 y O2. Con esto se consigue separar el oxígeno generado que es purificarlo mediante un catalizador. En una realización preferente la tercera unidad consta de un condensador, material desecante como zeolitas o tamiz molecular, gel de sílice y membranas de separación de H2O y O2. El sistema de control (7) puede regular la temperatura de esta unidad con el fin de
aumentar la actividad o velocidad de reacción de los catalizadores empleados mediante un horno.
El catalizador empleado para eliminar el ozono puede ser de varios tipos y es capaz de eliminar a temperaturas ambientales el ozono, produciendo oxígeno molecular a bajas temperaturas y con velocidades espaciales elevadas lo cual aumenta la capacidad para eliminar este contaminante en condiciones ambientales (Batakliev et al., Interdiscip. Toxicol, 7, 47, 2014). Se emplean catalizadores con los siguientes metales: Pt, Pd, Ru, Rh, W, Cu, CuO, Ag, Ag-Mn, Sn, Ni, Ni2O3, NiO, Co, Co3O4, Fe, Zn, CeO2, MnO2 y Mn2O3 tanto en forma de óxido como soportado en cualquier otro material inerte como pueden ser soportes clásicos de catalizadores como zeolitas, carbones activados, alúmina (Al2 O3), gel de sílice (SiO2), arcillas, u otros óxidos como TiO2 o ZrO2. También puede presentarse dicho catalizador en diferentes formas como extruidos, monolitos, esferas, anillos, etc. Por último, en una realización preferente puede emplearse uno de los catalizadores empleados para eliminar O3 enumerados previamente que estaría en contacto con el agua del ánodo, en cuyo caso podría, además, eliminar H2O2 y el O3 generado en el electrolizador. Otro elemento complementario sería una lámpara de ultravioleta que podría descomponer trazas de ozono y convertirlo en oxígeno y agua de ser necesario. El oxígeno puede ser almacenado en un contenedor cualquiera sea su forma mediante el uso de un compresor u otro dispositivo mecánico.
La cuarta unidad (5) consta de un sistema de recirculación de aire/gas, denominado aquí reciclador de aire, que presenta en su interior un sistema de eliminación de CO2. En dicha unidad se introduce el oxígeno acumulado y/o comprimido mediante la regulación de una válvula. Se introduce el volumen necesario en esta unidad para mantener unos niveles constantes y aceptables para la respiración humana, siendo regulado por un sistema de control automático (7) o mediante su regulación por el usuario. El oxígeno producido es introducido justo después del sistema de eliminación de CO2. El aire es pues recirculado en este circuito cerrado en el que se completa la eliminación de CO2. Dicha eliminación puede llevarse a cabo mediante diferentes sistemas ya sea mediante:
- Absorbentes como la cal sodada (mezcla de CaO con NaOH), potasa (KOH), sosa (NaOH), óxido de calcio (CaO), óxido de magnesio (MgO) y otras sustancias que actúan a una mayor temperatura para lo cual se requerirá de un aumento de la temperatura de la unidad que los contiene como Na2ZrO3, BaSiO3, Li2ZrO3, CaZrO3, BaZrO3, BaTiO3, hidróxido de Litio (LiOH), peróxido de Litio (Li2O2), Li4SiO4, óxido de cerio (CeO 2). Otros materiales que pueden emplearse para eliminar C02 son hidrotalcitas, serpentinita, olivino, aminas como alcanolamina, monoetanolamina [MEA], dietanolamina [DEA], metildietanolamina [MDEA], diisopropanolamina, metildietanolamina o 2(2-aminoetoxi) etanol y líquidos absorbentes de CO2. Estos mismos absorbentes pueden encontrarse inmersos en otros materiales adsorbentes o bien en membranas poliméricas o cerámicas.
- Absorbentes como los carbones activados, zeolitas, aluminosilicatos, tamices moleculares metalorgánicos (MOFs).
- Sistemas de contacto directo o indirecto entre agua o aire externo y el aire interno del sistema mediante membranas selectivas de separación de CO2. En este tipo de sistemas se incluyen elementos que ponen en contacto el aire interno con el agua o aire externo mediante sistemas de contacto directo como los anillos de Dixon o sistemas de burbujeo. También se incluyen sistemas de contacto indirecto como membranas de fibra hueca semipermeables siendo selectivas o no al paso del CO2. El CO2 puede ser transferido al agua o atmósfera exterior de forma selectiva tanto ajustando las presiones entre el interior de la membrana como sin ajuste de las presiones mientras las membranas sean capaces de soportar la diferente presión entre ambos medios.
Además de estas cuatro unidades principales el sistema consta de un sistema que dota de suministro eléctrico de cualquier tipo, como cualquier generador eléctrico, acumuladores eléctricos, baterías o de otro tipo (6) que suministra la energía necesaria para la impulsión de agua mediante bombas, para el funcionamiento del electrolizador, para el sistema de control, detectores, hornos, compresores, válvulas automáticas y cualquier otro accesorio requerido por el sistema.
El sistema de control electrónico (7) permite regular la cantidad de agua requerida para obtener el volumen de oxígeno necesario que se debe introducir en el sistema cerrado de respiración (5). El control permite bombear la cantidad de agua necesaria a través de las membranas en la primera unidad (2) cuando disminuya de un cierto nivel en el depósito de agua desmineralizada o desionizada tras el sistema de filtración/desalinización. También permite poner en funcionamiento el electrolizador para producir oxígeno (3) y mantener unos niveles aceptables en el interior del reciclador (5). Los detectores de oxígeno en el sistema de respiración posibilitan el funcionamiento tanto del electrolizador. Pueden disponerse detectores de nivel de agua tanto en el depósito de agua desmineralizada o desionizada como en el electrolizador así como detectores de conductividad en el depósito de agua desmineralizada o desionizada con el fin de comprobar si se ha tratado correctamente. En el interior del reciclador de aire existen detectores de presión, presión parcial de oxígeno, nitrógeno y CO2 con el fin de regular la presión parcial de oxígeno y CO2 en el sistema. Estos detectores se disponen en la zona de inhalación donde se encuentra la atmósfera respirable. En otra realización en particular el controlador de la presión o concentración de CO2 se encuentra justo después del sistema de eliminación de CO2 (sea por absorbentes, adsorbentes o membranas selectivas).
En una realización en particular, la invención contiene un catalizador de eliminación de formaldehído en el sistema de eliminación de CO2.
En una realización en particular, el sistema contiene material desecante en el interior del reciclador de aire de forma previa al paso del aire al sistema de eliminación de CO2.
En particular, el sistema propuesto en la invención puede aplicarse tanto en dispositivos individuales de respiración con circuito cerrado o semicerrado conocidos como recicladores de aire, tanto en ambientes subacuáticos como en ambientes que presenten atmósferas no respirables como los requeridos en la espeleología, en extinción de incendios u otros tipos de exploración o rescate en atmósferas no respirables. Puede aplicarse en vehículos de navegación submarina de cualquier tipo en los que sea necesario adecuar los niveles de oxígeno a los requeridos para la tripulación. Puede emplearse en ambientes en los que exista una baja presión atmosférica. A su vez, dicho sistema puede disponerse de forma portátil para su uso en rescate de personas atrapadas en cuevas o como resultado de accidentes en minas, en cuyo caso pueden ser utilizados siempre que se disponga de una fuente de agua y atmósfera no respirable o asfixiante. Dichos sistemas pueden ser incluidos en vehículos o drones empleados para el salvamento. Otros usos incluyen el empleo de este sistema en otros ambientes como edificaciones subacuáticas o en ambientes no respirables que dispongan de suficiente agua como para ser empleado para la obtención de oxígeno. Otro uso del sistema sería la aplicación en sistemas hospitalarios o de otro tipo en los que se requiere recircular gases de elevado coste y mantener una concentración de oxígeno estable.
Breve descripción de los dibujos
Fig. 1: Muestra la configuración de las cuatro unidades principales consecutivas del sistema (1) propuesto en la invención. Sistema autónomo para respiración (1) dividido en cuatro unidades principales; Sistema de filtración o desionización de agua (2); sistema de generación de oxígeno mediante electrólisis (3); sistema de purificación de oxígeno (4); sistema de reciclado de aire con eliminación de CO2 (5).
Fig. 2: Muestra la configuración general del sistema autónomo de respiración (1) de la presente invención junto a las cuatro unidades principales (2, 3, 4, 5) a las que se han añadido un acumulador eléctrico o batería (6) y un sistema automático de control (7),
Fig. 3: Muestra un diagrama de flujo en el sistema (1) que señala la generación de un rechazo o salmuera en el sistema de desalinización y generación de agua desmineralizada o desionizada (2), la generación de hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) junto a ozono (O3) en el electrolizador (3) y la salida de vapor de H2O y O2 hacia el sistema de purificación (4). Finalmente se muestra la recepción del O2 generado a partir del agua en el reciclador (5) y su reuso, así como la separación del CO2 formado en la respiración. En el diagrama se muestra la eliminación de la salmuera, el H2 y el CO2.
Fig. 4: Muestra una configuración específica del sistema descrito en la presente invención cuya unidad de reciclado consiste en un reciclador con un contrapulmón.
Fig. 5: Muestra una configuración específica del sistema descrito en la presente invención cuya unidad de reciclado consiste en un reciclador con dos contrapulmones.
Fig. 6: Muestra un sistema de transferencia del gas rico en CO2 de contacto indirecto hacia una corriente de gas o agua exterior sin variación en la presión del agua ni del gas.
Fig. 7: Muestra un sistema de transferencia del gas rico en CO2 de contacto indirecto hacia una corriente de gas o agua exterior a diferente presión, usando un compresor para igualar la presión en el sistema de intercambio.
Fig. 8: Muestra un ejemplo del sistema descrito en la presente invención adaptado a la práctica del submarinismo.
Fig. 9: Muestra un ejemplo del sistema descrito en la presente invención adaptado en un vehículo submarino.
Realización preferente de la invención
Ejemplo 1. Sistema específico para submarinismo mediante un sistema de producción v purificación de oxígeno con reciclador cerrado de un contrapulmón.
El sistema (1) mostrado en la figura 4 se recibe el agua del exterior mediante una entrada que dispone de unas rejillas para evitar el paso de partículas gruesas al interior (8) que mediante una bomba (9) es dirigido a un sistema de prefiltración para eliminar partículas más pequeñas (10). Una bomba de alta presión (11) impulsa el agua a través de un sistema de osmosis inversa (14) del que se extraen dos tipos de agua al filtrarse en las membranas, una corriente de agua desionizada y una de agua concentrada en sales y otras sustancias. Una válvula de seguridad (12) recircula el agua al exterior en caso de ser necesario (13). El agua salada desechada es impulsada hacia el exterior y puede ser utilizada para refrigerar en un condensador de agua (20). El agua desmineralizada o desionizada es acumulada en un tanque (15) que recoge una cantidad y mide el nivel para comprobar la cantidad de agua en su interior y la cantidad necesaria para la unidad de producción de O2 (3). En dicha unidad se impulsa al electrolizador mediante una bomba (16). El electrolizador (17) produce en el ánodo oxígeno y vapor de agua y en el cátodo hidrógeno. En la unidad de purificación del oxígeno (4) existe un catalizador (18) de óxidos de manganeso (MnO/MnxOy) que trata el agua en el que está inmerso el electrolizador con el fin de eliminar H2O2 y O3 en medio acuoso. Posteriormente se hace pasar la corriente por el condensador y un lecho de zeolitas (19) dispuesto antes del reactor catalítico que contiene MnOx (20) donde se elimina el O3de la corriente de gas. Un
compresor almacena el oxígeno en una bala (21) de cara a inyectarlo mediante una válvula al sistema de reciclado de aire y purificación de Co 2 (5).
En el reciclador de aire se analizan los gases principales para asegurar que están presentes en unas proporciones adecuadas para la respiración. Existe una válvula de paso para la inhalación y exhalación de gases (22) con válvulas antirretorno (33). El gas exhalado, con alta concentración de CO2 (23) es conducido a través de un compuesto para la purificación de CO2 (24) donde un sistema de membranas o bien un absorbente como CaO mezclado con NaOH retira el CO2 de la corriente. Un contrapulmón (25) almacena el aire para poder recircular de nuevo el aire sin CO2 (27). Una bala de aire u oxígeno auxiliar (28) permite alargar la vida útil del sistema en caso de fallo en el sistema de producción de oxígeno.
Ejemplo 2. Sistema específico para submarinismo en el mar mediante un reciclador cerrado con dos contrapulmones.
El sistema (1) mostrado en la figura 5 muestra un dispositivo para respiración subacuática con dos contrapulmones para actividades de submarinismo a varias profundidades. El agua de mar entra en el equipo a través del colector de agua (8) y pasa el prefiltro de partículas antes de ser bombeada (11) en la unidad de osmosis inversa (14). El rechazo obtenido es expulsado al exterior del sistema. La calidad del agua purificada obtenida se monitoriza con ayuda de un conductivímetro (35). En el electrolizador (17) se obtiene el oxígeno (O2) que necesitará el submarinista durante su inmersión, acompañado de trazas de ozono (O3). La mezcla gaseosa se hace circular por el sistema de eliminación de dicho gas (18-20), donde además de eliminar el vapor de agua se elimina la posible formación de especies como H2O2 u O3 que se es convertido en oxígeno. El hidrógeno, otro elemento obtenido en el electrolizador, se hace salir del sistema.
El oxígeno obtenido pasa mediante un compresor a ser almacenado en la botella de reserva (21). De esta botella el submarinista va regulando el oxígeno durante su inmersión, introduciendo la cantidad necesaria del gas al contrapulmón de inhalación (25) manteniendo constante el volumen parcial de oxígeno en el gas de respiración que se esté empleando: Aire (O2/N2) o Triox (O2/He/N2). Para ello, el submarinista se ayuda de un oxímetro y accionador (36) de la llave de paso de la reserva (34).
La alimentación eléctrica necesaria para las unidades de osmosis inversa, hidrolizador, eliminador de ozono y compresor se consigue mediante una batería eléctrica (6). También puede dotar de electricidad a un hornillo para aumentar la temperatura en la unidad del reactor catalítico. El resto del equipo consiste en un sistema de reciclado de aire, donde el submarinista toma aire del contrapulmón de inhalación (25) y lo expulsa al contrapulmón de exhalación (37) gracias al sistema anti retorno de la pieza bucal (33). La recirculación del aire se completa cuando éste ingresa de nuevo al contrapulmón de inhalación (25) después de atravesar la unidad de eliminación de CO2 (5). El funcionamiento de dicha unidad se monitoriza con un detector de CO2 a la entrada y salida del mismo (36).
Según se vaya ganando en profundidad, será necesario compensar los efectos de la presión sobre el gas de respiración inyectando más diluyente (N o He) al circuito de respiración desde su botella de reserva (28). La llave de paso del diluyente se controla con un accionador que lleva incorporado un manómetro (34). Como sistema añadido de seguridad, se incorpora una pequeña botella de oxígeno (O2) (28) que cubra el tiempo de ascensión de emergencia en caso de mal función de algunos de los elementos o agotamiento de la batería. Para pasar a modo de circuito abierto en ascensión de emergencia se añade al equipo una válvula de escape (26).
Ejemplo 3. Ejemplo de unidad de purificación de CO2 mediante sistema de contacto indirecto.
Una de las posibles formas de eliminar el CO2 y que se representa en la figura 6 consiste en un sistema de contacto indirecto, entre el gas enriquecido en CO2 y una corriente externa mediante su puesta en contacto empleando membranas de fibra hueca semipermeables. La corriente de gas exhalado circula por el interior de las fibras cilíndricas de materiales poliméricos como polisulfona o bien mediante materiales cerámicos resistentes y selectivos al paso de este gas. El agua o aire exterior circula por el exterior de las membranas. El CO2 atraviesa la membrana y es transferida a la corriente externa ya que la membrana permite la separación selectiva de este gas.
Ejemplo 4. Ejemplo de unidad de purificación de CO2 mediante contacto indirecto con sistema de compresión de gas.
El sistema mostrado en la figura 7 representa un sistema de contacto indirecto para transferir el CO2 del sistema propuesto en la invención hacia el medio externo alternativo a materiales absorbentes como cal sodada u otros absorbentes o adsorbentes. En este caso, el gas interno es comprimido hasta alcanzar la presión exterior del agua para atravesar membranas selectivas al paso de CO2 y poder eliminarlo de la corriente de gas. Posteriormente el gas es descomprimido para reintroducirlo al reciclador (5).
Ejemplo 6. Sistema aplicado a escafandra autónoma para submarinismo.
La figura 8 representa un ejemplo del sistema compacto aplicado al submarinismo de forma individualizada. Se representan de forma individualizada los elementos descritos en la invención. El submarinista soporta una batería (6) que alimenta un sistema de obtención de agua ultrapura basado en osmosis inversa (2) y a un electrolizador (17) que genera oxígeno. El oxígeno es purificado mediante un pequeño reactor catalítico con óxido de manganeso (18) siendo acumulado en una bala mediante un compresor (21). La unidad de reciclado de aire y purificación de CO2 (5) presenta un contrapulmón de inhalación (25) y otro contrapulmón (37), un manómetro (31) y un analizador de gases (36). El submarinista presenta además una bala de gas auxiliar (28) para ser usado en caso de necesidad.
Ejemplo 7 Sistema aplicado a instalación submarina.
La figura 9 representa un ejemplo de submarino en el que se ha incluido el sistema propuesto en la presente invención. El submarino presenta unas conducciones de aire en el que éste entra desde las conducciones que se sitúan en la parte superior siendo extraído en las conducciones que se sitúan en la parte inferior, según indica la dirección de las flechas. Este método sigue las recomendaciones de recirculación de aire en ambientes cerrados de diferentes establecimientos o habitaciones. La unidad de reciclado de aire (5) incluye un compresor o bomba de aire o impulsor que hace recircular el aire a través de la citada unidad de reciclado de aire, que incluye el paso a través de unos depósitos que almacenan material que absorbe el CO2 retirándolo de la corriente de aire.
El submarino representado dispone de un sistema de filtrado de partículas y almacenamiento de agua externa (8) seguido de una bomba de alta presión (11) y el sistema de filtración (14). El suministro eléctrico de los elementos representados se consigue mediante un juego de baterías (6) que incluye un electrolizador para generación de oxígeno a partir del agua desmineralizada o desionizada obtenida mediante filtración (17). Un condensador y un lecho de zeolitas y gel de sílice eliminan el exceso de vapor de agua del oxígeno generado. La corriente de oxígeno, tras eliminar el vapor de agua es tratada mediante un catalizador en el agua en contacto con el electrolizador (18) y otro en la corriente de gas (19) basados en óxidos de manganeso. Un compresor (21) almacena el oxígeno en balas de almacenamiento. El submarino dispone de balas de gas de respiración auxiliar (28) en caso de ser necesarias.
Leyenda
1. Sistema propuesto en la invención. Conjunto de unidades que lo componen.
2. Unidad de desalinización de agua/Unidad de tratamiento de agua.
3. Unidad de electrólisis/electrolizador.
4. Unidad de purificación de oxígeno.
5. Unidad de reciclado de aire y purificación de CO2.
6. Batería/acumulador eléctrico.
7. Sistema de control.
Componen la unidad de desalinización (2).
8. Receptor/tanque de agua con prefiltro de retención de partículas.
9. Bomba de agua.
10. Prefiltro.
11. Bomba alta presión.
12. Válvula de seguridad.
13. Recirculación de agua.
14. Sistema de filtración.
15. Tanque agua desmineralizada o desionizada.
Componen la unidad de producción de oxígeno (3).
16. Bomba.
17. Electrolizador.
Componen la unidad de purificación de oxígeno (4).
18. Catalizador depuración de agua.
19. Condensador con lecho de zeolitas.
20. Catalizador purificación de gas.
Componen la unidad de reciclado de aire v purificación de CO2 (5).
21. Compresor gas y bala de almacenamiento.
22. Válvula.
23. Gas exhalado.
24. Sistema de eliminación de CO2 basado en cal sodada (mezcla de CaO con NaOH).
25. Contrapulmón o contrapulmón de inhalación.
26. Válvula de sobrepresión.
27. Gas inhalado.
28. Gas de respiración auxiliar almacenado.
29. Válvula de gas auxiliar.
30. Regulador.
31. Manómetro.
32. válvula automática de compensación.
33. Válvula by pass o válvula antirretorno.
34. Válvula.
35. Detector de presión.
36. Analizador de gases O2, O3, CO2, N2.
37. Contrapulmón.
Claims (23)
1. Sistema para la obtención de oxígeno a partir de fuentes de agua de cualquier tipo, purificación del gas y respiración autónoma (1), caracterizado porque comprende:
Una unidad de tratamiento y desalinización de agua (2) que permite la obtención de agua pura con muy baja conductividad,
Una unidad de generación de oxígeno o electrolizador (3) en la que se produce el oxígeno a partir del agua tratada en la primera unidad (2),
Una unidad de purificación (4) del oxígeno producido en la unidad de electrólisis (3) que deshumidifica y elimina el ozono (O3) presente en el gas y el peróxido (H2O2) y ozono generado en el agua en contacto con el electrolizador (4),
Un reciclador de aire o sistema de recirculación del gas (5) que recircula la mezcla de aire para su inhalación al que se inyecta el oxígeno generado en la unidad de purificación (4) y que dispone de un sistema o dispositivo de eliminación de CO2.
2. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado porque el sistema de desalinización comprende un sistema de filtración y separación mediante membranas y más preferentemente mediante membranas de osmosis inversa.
3. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado porque el sistema de desalinización comprende un sistema de electrodiálisis o electrodesionización.
4. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado porque el sistema de desalinización comprende un sistema de resinas de intercambio iónico.
5. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado porque el sistema de obtención de oxígeno (3) comprende un electrolizador con membrana polimérica (PEM).
6. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado porque contiene un catalizador sólido en la unidad de purificación (4), seleccionado de entre manganeso, óxido de manganeso, Pt, Pd, Ru, Rh, W, Cu, CuO, Ag, Ag-Mn, Sn, Ni, Ni203, NiO, Co, Co3O4, Fe, Zn o CeO2 soportado en cualquier material sólido en contacto con el agua que emplea el electrolizador (3) para eliminar subproductos en contacto con el agua.
7. Sistema según reivindicación 1 caracterizado porque contiene un catalizador metálico en la unidad de purificación (4), seleccionado de entre manganeso, óxido de manganeso, Pt, Pd, Ru, Rh, W, Cu, CuO, Ag, Ag-Mn, Sn, Ni, Ni2O3, NiO, Co, Co3O4, Fe, Zn o CeO2, para la eliminación de ozono en la corriente de gas procedente del electrolizador (3).
8. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado porque contiene un sistema de deshumidificación mediante un condensador y un material adsorbente en la unidad de purificación (4).
9. Sistema según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque contiene un sistema de eliminación de CO2 basado en membranas selectivas al paso de CO2 en contacto directo con agua o con el aire exterior al sistema en la unidad de recirculación de aire (5).
10. Sistema según las reivindicaciones 1 a 8, donde el sistema de eliminación de CO2 de la unidad de recirculación de aire (5) se basa en sustancias absorbentes como cal sodada (mezcla de CaO con NaOH), potasa (KOH), KO2, sosa (NaOH), óxido de calcio (CaO), óxido de
magnesio (MgO), Na2ZrO3, BaSiO3, Li2ZrO3, CaZrO3, BaZrO3, BaTiO3, hidróxido de litio (LiOH), peróxido de Litio (Li2O2), Li4SiO4, óxido de cerio (CeO2) y líquidos absorbentes o combinaciones de todos ellos.
11. Sistema según las reivindicaciones 1 a 8, donde el sistema de eliminación de CO2 de la unidad de recirculación de aire (5) se basa en sustancias adsorbentes como los carbones activados, zeolitas, aluminosilicatos, tamices moleculares metalorgánicos (MOFS).
12. Método de generación y purificación de O2 para respiración que comprende sistemas de desalinización (2), electrólisis (3), purificación de O3 con catalizadores o sistemas físicos como lámparas ultravioleta (4) y eliminación de CO2 mediante sistemas de separación o absorción de este gas (5), incluido en sistema de respiración autónomo o reciclador de aire de circuito cerrado que comprende los elementos según la reivindicación 1.
13. Método de generación de 02 para respiración y purificación de O3 y CO2 en sistema de respiración autónomo o reciclador de aire de circuito cerrado que comprende los elementos según la reivindicación 1 en el que se dispone además de botellas auxiliares conteniendo oxígeno, nitrógeno, helio o cualquiera de sus combinaciones.
14. Método de eliminación de formaldehído en sistemas de respiración cerrados cualquiera sea su forma que contienen sistemas de eliminación de CO2 (5) según la reivindicación 1, mediante un catalizador de óxido de manganeso incluido en sistema de recirculación del gas respirable (5).
15. Método de eliminación de O3 incluido en sistema para purificación de O2 según reivindicación 1 tras un proceso de electrólisis mediante electrolizadores de membrana polimérica (PEM) mediante catalizadores de manganeso, óxido de manganeso, Pt, Pd, Ru, Rh, W, Cu, CuO, Ag, Ag-Mn, Sn, Ni, Ni2O3 , NiO, Co, Co3O4 , Fe, Zn o CeO2 soportado en cualquier material sólido o bien mediante lámparas ultravioleta.
16. Uso de sistema (1) según reivindicaciones 1 a 11 en dispositivos para la práctica de submarinismo como sistemas de recirculación de aire cerrado o semicerrado.
17. Uso de sistema (1) según reivindicaciones 1 a 11 para la generación de oxígeno de respiración en instalaciones o vehículos submarinos o terrestres.
18. Uso de sistema (1) según reivindicaciones 1 a 11 para la generación de oxígeno de respiración en sistemas o dispositivos de salvamento marítimo.
19. Uso de sistema (1) según reivindicaciones 1 a 11 para la generación de oxígeno de respiración en equipos o dispositivos de salvamento de personas en minas, desastres o accidentes.
20. Uso de sistema (1) según reivindicaciones 1 a 11 para la generación de oxígeno en actividades de espeleología.
21. Uso de sistema (1) según reivindicaciones 1 a 11 para su implementación en drones de salvamento.
22. Uso de sistema (1) según reivindicaciones 1 a 11 para su uso en aplicaciones médicas donde sea necesario conservar el aire respirable en pacientes que requieran conservar gases mediante recirculación en la unidad de eliminación de CO2 (5).
23. Sistema según reivindicaciones 1 a 11 en el que se deseca el aire en el interior de la unidad de reciclado de aire (5). Los materiales para desecar la corriente de aire se eligen de entre: los carbones activados, zeolitas, aluminosilicatos, tamices moleculares metalorgánicos (MOFs).
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