ES2749848T3 - Procedimiento para el tratamiento de agua - Google Patents

Abstract

Un procedimiento para retirar un ion elegido de un agua para tratamiento que contiene el ion elegido, que comprende: i) un ciclo de carga de intercambio iónico que comprende hacer pasar el agua para tratamiento a través de una columna de intercambio iónico que contiene una resina de intercambio selectiva para el ion elegido para extraer el ion elegido del agua para tratamiento produciendo como producto un agua tratada; ii) un ciclo de regeneración que comprende regenerar la columna de intercambio iónico al: a) hacer pasar una primera solución acuosa de regenerador con un primer ion regenerador a través de la columna de intercambio iónico para retirar iones mantenidos menos fuertemente en la resina de intercambio selectiva para el ion elegido que el ion elegido; b) a continuación hacer pasar una segunda solución acuosa de regenerador con un segundo ion regenerador a través de la columna de intercambio iónico para retirar el ion elegido de la resina de intercambio selectiva para el ion elegido produciendo un agua rica en el ion elegido; y c) a continuación enjuagar la columna de intercambio iónico con una tercera solución acuosa de regenerador; y iii) un ciclo de destrucción que comprende hacer pasar el agua rica en el ion elegido a través de una pila electroquímica que comprende un ánodo y un cátodo y hacer pasar una corriente entre el ánodo y el cátodo, en donde la corriente se interrumpe al menos una vez mientras el agua rica en el ion elegido se está haciendo pasar a través de la pila electroquímica y en donde el ion elegido se destruye produciendo un agua agotada en el ion elegido, y en donde el ion elegido es nitrato.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para el tratamiento de agua

La presente invención se refiere a un método para retirar un ion o iones elegidos de un agua para que contiene el ion o los iones elegidos. La presente invención también se refiere a un método para mejorar la eficacia de una pila electroquímica para la destrucción de un ion o iones elegidos.

En las últimas décadas, se ha incrementado la contaminación iónica de fuentes de agua bruta. Por ejemplo, el contenido de nitrato en fuentes de agua bruta se ha incrementado debido en parte al uso intensivo de fertilizantes nitrogenados, cambios en los patrones de uso de tierras (es decir, hacia la generación de cultivos más intensivos), y la contaminación de fuentes de agua bruta con aguas residuales y efluentes industriales. Esta contaminación iónica se ha relacionado, al menos en algunos casos, con efectos adversos para la salud. Por ejemplo, el incremento en la absorción de nitrato se ha relacionado con varios peligros para la salud que provocan riesgos de metahemoglobinemia o cáncer debido a las nitrosaminas o nitrosamidas. En respuesta, algunas localidades han establecido normas en el agua potable que limitan los niveles de nitrato máximos en agua potable para consumo humano.

Un método para la retirada de iones elegidos del agua potable se divulga en la Publicación de Solicitud de Patente de EE. UU. N° 2004/0173471 de Velin et al. Velin et al. divulgan un procedimiento para la retirada y la destrucción de nitrato disuelto de agua subterránea o efluentes acuosos que contienen el mismo, especialmente agua y efluentes que contienen como mucho 500 mg/l de nitrato, que comprende una etapa de retirada en la que el nitrato se elimina de dicha agua o efluente en la forma de una solución más concentrada del mismo, y una etapa de destrucción en la que dicha solución de nitrato más concentrada se somete a una operación de electrolisis para la destrucción de nitrato mediante su reducción electroquímica, realizándose la operación de electrolisis en varios ciclos en una pila dividida con compartimentos de anolito y catolito, donde dicha solución de nitrato concentrada se usa inicialmente como un catolito y el catolito gastado se usa a continuación como un anolito. Velin et al. divulga además realizar una inversión de las polaridades de los compartimentos del anolito y el catolito durante el ciclo de reducción de nitrato.

Los documentos DE 19815669 y WO 03/077430 divulgan procedimientos para retirar nitratos de agua residual industrial.

No obstante, todavía existe una necesidad de nuevos métodos eficaces para tratar aguar para retirar de la misma iones elegidos.

La invención proporciona un procedimiento para retirar un ion elegido de un agua para tratamiento que contiene el ion elegido, que comprende: i) un ciclo de carga de intercambio iónico que comprende hacer pasar el agua para tratamiento a través de una columna de intercambio iónico que contiene una resina de intercambio selectiva para el ion elegido para extraer el ion elegido del agua para tratamiento produciendo como producto un agua tratada; ii) un ciclo de regeneración que comprende regenerar la columna de intercambio iónico al: a) hacer pasar una primera solución acuosa de regenerador con un primer ion regenerador a través de la columna de intercambio iónico para retirar iones mantenidos menos fuertemente en la resina de intercambio selectiva para el ion elegido que el ion elegido; b) a continuación hacer pasar una segunda solución acuosa de regenerador con un segundo ion regenerador a través de la columna de intercambio iónico para retirar el ion elegido de la resina de intercambio selectiva para el ion elegido produciendo un agua rica en el ion elegido; y c) a continuación enjuagar la columna de intercambio iónico con una tercera solución acuosa de regenerador; y iii) un ciclo de destrucción que comprende hacer pasar el agua rica en el ion elegido a través de una pila electroquímica que comprende un ánodo y un cátodo y hacer pasar una corriente entre el ánodo y el cátodo, en donde la corriente se interrumpe al menos una vez mientras el agua rica en el ion elegido se está haciendo pasar a través de la pila electroquímica y en donde el ion elegido se destruye produciendo un agua agotada en el ion elegido, y en donde el ion elegido es nitrato.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es un diagrama esquemático de un sistema de tratamiento de agua comparativo.

La Figura 2 es un diagrama esquemático de una realización de una porción de intercambio iónico de un sistema de tratamiento de agua de la presente invención.

La Figura 3 es un diagrama esquemático de una realización de una porción de intercambio iónico de un sistema de tratamiento de agua de la presente invención.

La Figura 4 es un diagrama esquemático de una realización de un sistema de destrucción de una pila electroquímica de la presente invención.

La Figura 5 es una gráfica de un perfil del ciclo de regeneración para una porción de intercambio iónico de un sistema de tratamiento de agua que usa una sola solución de regenerador.

La Figura 6 es una gráfica de un perfil del ciclo de regeneración para una porción de intercambio iónico de un sistema de tratamiento de agua que usa múltiples soluciones de regenerador.

La Figura 7 es una gráfica de un perfil del ciclo de regeneración para una porción de intercambio iónico de un sistema de tratamiento de agua que usa múltiples soluciones de regenerador, en donde algunas de las soluciones de regenerador se reciclan.

La Figura ⁸ es una gráfica de la concentración de NO³- en un agua tratada frente al volumen de agua para tratamiento tratada durante múltiples ciclos de carga usando soluciones de regenerador recicladas.

La Figura 9 es una gráfica de la concentración de NO³- en una solución de catolito frente al tiempo transcurrido en un sistema de destrucción de nitrato de una pila electroquímica durante múltiples ciclos de carga usando soluciones de regenerador recicladas.

Descripción detallada

El término "tiempo del ciclo", según se usa en la presente memoria y en las reivindicaciones adjuntas, se refiere al período durante el cual agua rica en el ion elegido se hace pasar a través de o se retiene en la pila electroquímica.

El término "tiempo de conexión", según se usa en la presente memoria y en las reivindicaciones adjuntas, se refiere al período durante el cual el ánodo y el cátodo de la pila electroquímica se mantienen a diferentes potenciales eléctricos.

El término "volumen de lecho o VL", según se usa en la presente memoria y en las reivindicaciones adjuntas, se refiere al volumen de solución requerido para llenar el mismo espacio ocupado por la resina de intercambio iónico cargada en una columna de intercambio iónico dada, incluyendo los huecos internos e intersticiales.

El término "velocidad de destrucción del ion elegido", según se usa en la presente memoria y en las reivindicaciones adjuntas, con relación a una pila electroquímica dada, es la cantidad del ion elegido destruida por unidad de tiempo en la pila electroquímica. Unidades típicas para la velocidad de destrucción del ion elegido son g/h.

El término "eficacia del electrodo", según se usa en la presente memoria y en las reivindicaciones adjuntas, es la velocidad de destrucción del ion elegido dividida por la superficie activa de los electrodos en una pila electroquímica dada. Unidades típicas de la eficacia del electrodo son g/h/m²

El término "eficacia de corriente", según se usa en la presente memoria y en las reivindicaciones adjuntas, es la velocidad de destrucción del ion elegido dividida por la corriente aplicada a la pila electroquímica. Unidades típicas de la eficacia de corriente son g/h/A.

El término "ciclo de carga", según se usa en la presente memoria y en las reivindicaciones adjuntas, es una etapa del procedimiento de tratamiento de agua de la presente invención en la que un agua para tratamiento que contiene un ion elegido se hace pasar a través de una columna de intercambio iónico, en donde el ion elegido se extrae del agua para tratamiento produciendo un agua tratada.

El término "ciclo de regeneración", según se usa en la presente memoria y en las reivindicaciones adjuntas, es una etapa del procedimiento de tratamiento de agua de la presente invención en la que una columna de intercambio iónico que contiene una resina de intercambio iónico, apurada después de un ciclo de carga, se regenera.

El término "ciclo de destrucción", según se usa en la presente memoria y en las reivindicaciones adjuntas, es una etapa del procedimiento de tratamiento de agua de la presente invención en la que un ion elegido presente en un agua rica en el ion elegido se destruye electroquímicamente en una pila electroquímica produciendo un agua agotada en el ion elegido.

En algunas realizaciones, el procedimiento para retirar un ion elegido de un agua para tratamiento que contiene el ion elegido proporciona la retirada parcial o completa del ion elegido del agua para tratamiento. El ion elegido es nitrato. En algunos aspectos de estas realizaciones, la concentración inicial de ion elegido en el agua para tratamiento es de 0,001 a 1000 mg/l. En algunos aspectos de estas realizaciones, la concentración inicial de ion elegido en el agua para tratamiento es de 1 a 1.000 mg/l. En algunos aspectos de estas realizaciones, la concentración inicial del ion elegido en el agua para tratamiento es > 50 mg/l. En algunos aspectos de estas realizaciones, la concentración del ion elegido en el agua tratada producida es < 40 mg/l. En algunos aspectos de estas realizaciones, la concentración del ion elegido en el agua tratada producida es <10 mg/l. En algunos aspectos de estas realizaciones, la concentración inicial del ion elegido en el agua para tratamiento es de 0,001 a 1 mg/l. En algunos aspectos de estas realizaciones, la concentración inicial del ion elegido en el agua para tratamiento es > 0,010 mg/l. En algunos aspectos de estas realizaciones, la concentración del ion elegido en el agua tratada producida es < 0,001 mg/l. En algunos aspectos de estas realizaciones, la concentración inicial de nitrato en el agua para tratamiento es de 10 a 1000 mg/l. En algunos aspectos de estas realizaciones, la concentración inicial del ion elegido en el agua para tratamiento es de 50 a 1000 mg/l. En algunos aspectos de estas realizaciones, la concentración inicial del ion elegido en el agua para tratamiento es > 50 mg/l. En algunos aspectos de estas realizaciones, la concentración del ion elegido en el agua tratada producida < 40 mg/l. En algunos aspectos de estas realizaciones, la concentración del ion elegido en el agua tratada producida es < 25 mg/l. En algunos aspectos de estas realizaciones, la concentración del ion elegido en el agua tratada producida es < ^{1 0} mg/l.

El procedimiento para retirar un ion elegido de un agua para tratamiento que contiene el ion elegido comprende un ciclo de destrucción, en donde el ion elegido se destruye en el ciclo de destrucción mediante cualquier método electroquímico adecuado para ese propósito. En algunos aspectos de estas realizaciones, el ion elegido se destruye usando una pila electroquímica de dos compartimentos equipada con una membrana de intercambio catiónico. En algunos aspectos de estas realizaciones, la superficie del cátodo se selecciona de grafito, platino, titanio platinizado, titanio, plomo, níquel, cobre, rutenio, rodio, acero inoxidable y sus combinaciones. En algunos aspectos de estas realizaciones, la superficie del ánodo se selecciona de grafito, platino, titanio platinizado, titanio, plomo, níquel, niobio, cobre, iridio, óxido de iridio, rutenio, rodio, acero inoxidable y sus combinaciones.

El procedimiento para retirar un ion elegido de un agua para tratamiento que contiene el ion elegido comprende un ciclo de destrucción que comprende: (a) hacer pasar un agua rica en el ion elegido a través de una pila electroquímica que comprende un ánodo y un cátodo, y (b) hacer pasar una corriente entre el ánodo y el cátodo; en donde el ion elegido se destruye durante un ciclo de destrucción produciendo un agua agotada en el ion elegido, en donde la corriente se interrumpe periódicamente durante el ciclo de destrucción mientras el agua rica en el ion elegido se está haciendo pasar a través de la pila electroquímica y en donde el ion elegido es nitrato. En algunos aspectos de estas realizaciones, el agua rica en el ion elegido continúa fluyendo a través de la pila electroquímica durante el período de interrupción de la corriente. El número y la duración de los períodos de interrupción por ciclo de destrucción se pueden modificar para optimizar un procedimiento dado. En algunos aspectos de estas realizaciones, la corriente se interrumpe múltiples veces durante un ciclo de destrucción. En algunos aspectos de estas realizaciones, la corriente se interrumpe de un modo periódico durante un ciclo de destrucción. Un ejemplo de un modo periódico podría ser conexión durante 60 minutos, desconexión durante 3 segundos; conexión durante 60 minutos, desconexión durante 3 segundos. En algunos aspectos de estas realizaciones, la corriente se interrumpe de un modo no periódico. Un ejemplo de un modo no periódico podría ser conexión durante 60 minutos, desconexión durante 0,5 segundos; conexión durante 60 minutos, desconexión durante 1 segundo; conexión durante 60 minutos, desconexión durante 1,5 segundos. En algunos aspectos de estas realizaciones, la corriente se interrumpe periódicamente durante el ciclo de destrucción mientras el agua rica en el ion elegido se está haciendo pasar a través de la pila electroquímica, en donde el agua rica en el ion elegido se hace pasar a través de la pila electroquímica a lo largo de un tiempo de ciclo; en donde la corriente se hace pasar entre el ánodo y el cátodo a lo largo de un tiempo de conexión; y en donde el tiempo de conexión es menor que el tiempo del ciclo. En algunos aspectos de estas realizaciones, el tiempo de conexión es < 99,99% del tiempo del ciclo. En algunos aspectos de estas realizaciones, el tiempo de conexión es < 99% del tiempo del ciclo. En algunos aspectos de estas realizaciones, el tiempo de conexión es < 98% del tiempo del ciclo. En algunos aspectos de estas realizaciones, el tiempo de conexión es < 95% del tiempo del ciclo. En algunos aspectos de estas realizaciones, el tiempo de conexión es de 99% a 99,99% del tiempo del ciclo. En algunos aspectos de estas realizaciones, el tiempo de conexión es de 95% a 99,99% del tiempo del ciclo. En algunos aspectos de estas realizaciones, la concentración del ion elegido en el agua agotada en el ion elegido que sale de la pila electroquímica es menor que la concentración del ion elegido en el agua rica en el ion elegido que entra en la pila electroquímica. En algunos aspectos de estas realizaciones, la concentración del ion elegido en el agua agotada en el ion elegido que sale de la pila electroquímica es < 500 mg/l. En algunos aspectos de estas realizaciones, la concentración del ion elegido en el agua agotada en el ion elegido que sale de la pila electroquímica es < 250 mg/l. En algunos aspectos de estas realizaciones, la concentración del ion elegido en el agua agotada en el ion elegido que sale de la pila electroquímica es < 100 mg/l.

En algunas realizaciones de la presente invención, el procedimiento para retirar un ion elegido de un agua para tratamiento que contiene el ion elegido comprende un ciclo de destrucción, en donde el ciclo de destrucción da como resultado la destrucción del ion elegido presente en un agua rica en el ion elegido. En algunos aspectos de estas realizaciones, > 90% en peso del ion elegido presente en el agua rica en el ion elegido se destruye durante el ciclo de destrucción. En algunos aspectos de estas realizaciones, > 95% en peso del ion elegido presente en el agua rica en el ion elegido se destruye durante el ciclo de destrucción. En algunos aspectos de estas realizaciones, > 99% en peso del ion elegido presente en el agua rica en el ion elegido se destruye durante el ciclo de destrucción.

En algunas realizaciones de la presente invención, la pila electroquímica es una pila electroquímica de dos compartimentos que tiene un compartimento catódico y un compartimento anódico con una membrana que separa los dos compartimentos. En algunos aspectos de estas realizaciones, el compartimento anódico contiene una solución de anolito y el compartimento catódico contiene una solución de catolito y el principal papel de la membrana es aislar la solución de catolito de la solución de anolito. De ahí que ambos compartimentos puedan tener una solución con una composición diferente, optimizada para las reacciones químicas deseadas para cada compartimento. En algunos aspectos de estas realizaciones, la membrana se selecciona para controlar el flujo de iones de un compartimento al otro. En algunos aspectos de estas realizaciones, la membrana se selecciona de membranas de intercambio catiónico. Cuando se usa una membrana de intercambio catiónico, el principal portador de carga entre el compartimento anódico y el compartimento catódico es H+. La selección apropiada de la membrana de intercambio catiónico facilita la minimización de la transferencia de aniones no deseados, tales como NO³-, HCO³- y/o Cl-, del compartimento catódico al compartimento anódico. Al mantener la solución de catolito que contiene nitrato lejos del ánodo, se evita la reoxidación de los productos intermedios y los productos del proceso de reducción de nitrato. Al mantener cualesquiera iones Cl- de la solución de catolito lejos del ánodo, se evita el desprendimiento de cloro en la superficie del ánodo. Además, la selección apropiada de la membrana ayuda a evitar la migración de especies oxidativas a la solución de catolito, que podría provocar daño a la resina de intercambio selectiva para el ion elegido al entrar en contacto con la misma en las realizaciones en las que la solución de catolito se recicla para el uso como una solución de regenerador.

El procedimiento para retirar un ion elegido de un agua para tratamiento que contiene el ion elegido comprende además un ciclo de carga de intercambio iónico y un ciclo de regeneración.

El ciclo de carga de intercambio iónico comprende hacer pasar un agua para tratamiento que contiene un ion elegido a través de una columna de intercambio iónico que contiene un lecho de una resina de intercambio selectiva para el ion elegido, en donde el ion elegido se extrae del agua para tratamiento produciendo como producto un agua tratada. El ion elegido es nitrato.

En algunas realizaciones de la presente invención, el procedimiento para retirar un ion elegido de un agua para tratamiento que contiene el ion elegido comprende un ciclo de carga en el que se usa una resina de intercambio selectiva para el ion elegido para extraer el ion elegido del agua para tratamiento durante el ciclo de intercambio iónico. Las resinas de intercambio selectivas para el ion elegido son resinas de intercambio iónico que exhiben una afinidad superior para el ion elegido que para otros iones presentes en el agua para tratamiento. Por ejemplo, una resina de intercambio selectiva para nitrato es una resina de intercambio iónico que exhibe una afinidad superior para nitrato que para otros aniones principales (también conocidos como "iones no elegidos") presentes típicamente en aguas para tratamiento. El uso de una resina de intercambio selectiva para el ion elegido ayuda (a) a incrementar la capacidad operativa del procedimiento de intercambio iónico particularmente en las situaciones en las que la relación de los iones no elegidos al ion elegido en el agua para tratamiento sea alta; (b) reducir la adsorción de iones no elegidos a la resina de intercambio iónico; y (c) disminuir la acumulación de iones no elegidos en cualesquiera soluciones de regenerador recicladas. No obstante, un experto normal en la técnica reconocerá que incluso las resinas de intercambio selectivas para el ion elegido tienen una afinidad para más que solamente el ion elegido y extraerán estos iones no elegidos del agua para tratamiento que entra en contacto con la resina. El agua para tratamiento contiene a menudo múltiples iones diferentes. Por ejemplo, en un procedimiento para retirar nitrato de un agua para tratamiento, se apunta que las aguas para tratamiento que contienen NO³- también contienen típicamente SO⁴2-, Cl- y HCO³-. En particular, cantidades significativas de SO⁴2- están presentes a menudo en estas aguas para tratamiento. Estos otros iones no son reducidos electroquímicamente bajo las mismas condiciones usadas típicamente para la reducción de NO³-. Según esto, si estos iones no elegidos están presentes en el agua rica en nitrato (también conocida como "solución de catolito") alimentada a la pila electroquímica y el agua agotada en nitrato que sale de la pila electroquímica se ha de reciclar para el uso como una solución acuosa de regenerador en un ciclo de regeneración posterior, estos iones no elegidos se acumularán en el sistema. Un experto en la técnica sabrá que una acumulación de estos iones en el sistema sería indeseable.

En algunas realizaciones de la presente invención, el ciclo de regeneración comprende la regeneración de un lecho de resina de intercambio selectiva para el ion elegido en una columna de intercambio iónico. En algunos aspectos de estas realizaciones, el ciclo de regeneración se inicia una vez que se apura la capacidad de retirada del ion elegido del lecho de resina de intercambio selectiva para el ion elegido en la columna de intercambio iónico. En algunos aspectos de estas realizaciones, el lecho se regenera usando una o más soluciones acuosas de regenerador. La solución o las soluciones acuosas de regenerador se ponen en contacto con la resina de intercambio selectiva para el ion elegido, en las que los iones adsorbidos sobre la resina de intercambio selectiva para el ion elegido se reemplazan por iones presentes en la solución acuosa de regenerador. En algunos aspectos de estas realizaciones, al menos una solución acuosa de regenerador usada en el ciclo de regeneración contiene un ion regenerador seleccionado de cloro, bicarbonato y sus combinaciones, preferiblemente cloro. Como resultado del ciclo de regeneración, al menos una solución acuosa de regenerador está enriquecida en el ion elegido. En algunos aspectos de estas realizaciones, al menos una de las soluciones acuosas de regeneración está enriquecida con nitrato como resultado del procedimiento de regeneración que produce un agua rica en nitrato. En algunos aspectos de estas realizaciones, el agua rica en nitrato se transfiere a una pila electroquímica como una solución de catolito, en donde el nitrato se destruye durante un ciclo de destrucción que produce un agua agotada en nitrato.

En algunas realizaciones de la presente invención, la acumulación de iones no elegidos en el sistema de tratamiento de agua se alivia a través del uso de múltiples soluciones acuosas de regenerador. En algunos aspectos de estas realizaciones, se usan al menos dos soluciones acuosas de regenerador para regenerar la columna de intercambio iónico en un ciclo de regeneración después de un ciclo de carga en el que un ion elegido se extrae de un agua para tratamiento usando una columna de intercambio iónico que contiene un lecho de resina de intercambio selectiva para el ion elegido. En algunos aspectos de estas realizaciones, se usan una primera solución acuosa de regenerador y una segunda solución acuosa de regenerador para regenerar el lecho de resina de intercambio selectiva para el ion elegido en la columna de intercambio iónico después de un ciclo de carga. En algunos aspectos de estas realizaciones, la primera solución acuosa de regenerador contiene un primer ion regenerador que retira iones mantenidos menos fuertemente a la resina de intercambio selectiva para el ion elegido que el ion elegido. En algunos aspectos de estas realizaciones, la segunda solución acuosa de regenerador contiene un segundo ion regenerador capaz de desplazar el ion elegido de la resina de intercambio selectiva para el ion elegido. En algunos aspectos de estas realizaciones, el primer ion regenerador y el segundo ion regenerador son iguales, en donde la concentración del primer ion regenerador en la primera solución acuosa de regenerador es menor que la concentración del segundo ion regenerador en la segunda solución acuosa de regenerador.

En algunas realizaciones de la presente invención, la acumulación de iones no elegidos en el sistema de tratamiento de agua se alivia a través del uso de múltiples soluciones acuosas de regenerador. En algunos aspectos de estas realizaciones, una primera solución acuosa de regenerador con un primer ion regenerador se alimenta a través de la columna de intercambio iónico durante un ciclo de regeneración para retirar iones mantenidos menos fuertemente a la resina de intercambio selectiva para el ion elegido que el ion elegido. En algunos aspectos de estas realizaciones, una segunda solución acuosa de regenerador con un segundo ion regenerador se alimenta a través de la columna de intercambio iónico después de la primera solución acuosa de regenerador durante un ciclo de regeneración para retirar ion elegido de la resina de intercambio selectiva para el ion elegido. En algunos aspectos de estas realizaciones, la segunda solución acuosa de regenerador se enjuaga de la columna de intercambio iónico durante un ciclo de regeneración usando una tercera solución acuosa de regenerador (también conocida como "solución de enjuague"). En algunos aspectos de estas realizaciones, la tercera solución acuosa de regenerador es agua para tratamiento o agua tratada. En algunos aspectos de estas realizaciones, el primer ion regenerador y el segundo ion regenerador son iones diferentes. En algunos aspectos de estas realizaciones, el primer ion regenerador y el segundo ion regenerador son iguales y la concentración del primer ion regenerador en la primera solución acuosa de regenerador es inferior que la concentración del segundo ion regenerador en la segunda solución acuosa de regenerador.

En algunas realizaciones de la presente invención, la totalidad o una porción de la solución o las soluciones acuosas de regenerador que salen de la columna de intercambio iónico durante un ciclo de regeneración se recicla para el uso en un ciclo de regeneración posterior. En algunos aspectos de estas realizaciones, se usan múltiples soluciones acuosas de regenerador. En algunos aspectos de estas realizaciones, una primera solución acuosa de regenerador, una segunda solución acuosa de regenerador y una tercera solución acuosa de regenerador (también conocida como "solución de enjuague") se alimentan a la columna de intercambio iónico durante un ciclo de regeneración. En algunos aspectos de estas realizaciones, la primera solución acuosa de regenerador y la segunda solución acuosa de regenerador contienen diferentes concentraciones del mismo ion regenerador, en donde la concentración de ese ion regenerador es superior en la segunda solución acuosa de regenerador. En algunos aspectos de estas realizaciones, la totalidad o una porción de la segunda solución acuosa de regenerador que sale de la columna de intercambio iónico se alimenta a una pila electroquímica como una solución de catolito. En algunos aspectos de estas realizaciones, la totalidad o una porción de la primera solución acuosa de regenerador que sale de la columna de intercambio iónico se dirige al alcantarillado o se combina con el agua tratada. En algunos aspectos de estas realizaciones, la totalidad o una porción de la tercera solución acuosa de regenerador que sale de la columna de intercambio iónico se recicla para el uso en un ciclo de regeneración posterior como la primera solución acuosa de regenerador. En algunos aspectos de estas realizaciones, la porción de la tercera solución acuosa de regenerador que sale de la columna de intercambio iónico se trata para fijar la concentración de iones regeneradores de la misma antes de que se recicle para el uso en un ciclo de regeneración posterior como la primera solución acuosa de regenerador. En algunos aspectos de estas realizaciones, la tercera solución acuosa de regenerador que sale de la columna de intercambio iónico se trata para elevar la concentración de iones regeneradores de la misma. En algunos aspectos de estas realizaciones, la tercera solución acuosa de regenerador que sale de la columna de intercambio iónico se trata para reducir la concentración de iones regeneradores de la misma. En algunos aspectos de estas realizaciones, el volumen de la tercera solución acuosa de regenerador que sale de la columna de intercambio iónico que se recicla para el uso como la primera solución acuosa de regenerador en un ciclo de regeneración posterior es igual a al menos 90% en volumen del volumen total de la primera solución acuosa de regenerador que sale de la columna de intercambio iónico que no se recicla para el uso como la primera solución acuosa de regenerador en un ciclo de regeneración posterior.

El procedimiento para retirar un ion elegido de un agua para tratamiento que contiene el ion elegido comprende: i) un ciclo de carga de intercambio iónico que comprende hacer pasar el agua para tratamiento a través de una columna de intercambio iónico que contiene una resina de intercambio selectiva para el ion elegido para extraer el ion elegido del agua para tratamiento produciendo un agua tratada; ii) un ciclo de regeneración que comprende regenerar la columna de intercambio iónico al: a) hacer pasar una primera solución acuosa de regenerador con un primer ion regenerador a través de la columna de intercambio iónico para retirar iones mantenidos menos fuertemente a la resina de intercambio selectiva para el ion elegido que el ion elegido; b) a continuación hacer pasar una segunda solución acuosa de regenerador con un segundo ion regenerador a través de la columna de intercambio iónico para retirar el ion elegido de la resina de intercambio selectiva para el ion elegido produciendo un agua rica en el ion elegido; c) a continuación enjuagar la columna de intercambio iónico con una tercera solución acuosa de regenerador para arrastrar la segunda solución acuosa de regenerador de la columna de intercambio iónico y para retirar iones regeneradores en exceso de la columna de intercambio iónico; iii) un ciclo de destrucción que comprende hacer pasar el agua rica en el ion elegido a través de una pila electroquímica que comprende un ánodo y un cátodo y hacer pasar una corriente entre el ánodo y el cátodo, en donde el ion elegido se destruye produciendo un agua agotada en el ion elegido, en donde la corriente se interrumpe al menos una vez mientras el agua rica en el ion elegido se hace pasar a través de la pila electroquímica. En algunos aspectos de estas realizaciones, el agua agotada en el ion elegido que sale de la pila electroquímica se trata para reponer la concentración de iones regeneradores de la misma antes de que se recicle de nuevo a la columna de intercambio iónico para el uso como la segunda solución acuosa de regenerador en un ciclo de regeneración posterior.

La elección del ion regenerador usado en las soluciones acuosas de regenerador depende del ion elegido y la selectividad de la resina de intercambio iónico usada. En algunas realizaciones de la presente invención, el ion regenerador usado en al menos una solución acuosa de regenerador se selecciona de bicarbonato, cloruro, sulfato y sus combinaciones, preferiblemente cloruro.

En algunas realizaciones de la presente invención, se añade un ácido acuoso y/o una base acuosa al agua rica en el ion elegido en la pila electroquímica (también conocida como "la solución de catolito") para mantener el pH de esa solución. La adición de ácido acuoso y/o base acuosa al agua rica en el ion elegido funciona para incrementar el volumen de esta solución y el volumen del agua agotada en el ion elegido que sale de la pila electroquímica. Además, en algunos aspectos de estas realizaciones, hay un flujo neto de agua desde la solución de anolito a la solución de catolito en la pila electroquímica durante el ciclo de destrucción. En algunos aspectos de estas realizaciones, se produce agua durante el ciclo de destrucción del ion elegido en la solución de catolito. En las realizaciones en las que el agua agotada en el ion elegido se recicla a la porción de intercambio iónico del sistema de tratamiento de agua para el uso como una solución acuosa de regenerador, es deseable minimizar el incremento en el volumen de la solución de catolito. En algunas realizaciones de la presente invención, al menos algo del agua añadida a la solución de catolito durante un ciclo de destrucción se retira a través de un aumento de la evaporación. En algunos aspectos de estas realizaciones, el aumento de la evaporación se facilita al hacer pasar un gas de barrido a través del espacio libre por encima de la solución de catolito. En algunos aspectos de estas realizaciones, el aumento de la evaporación se facilita al hacer pasar un gas de barrido a través de la solución de catolito. En algunos aspectos de estas realizaciones, el aumento de la evaporación se facilita al rociar un gas de barrido en la solución de catolito. En algunos aspectos de estas realizaciones, al menos 90% en volumen del agua añadida a la solución de catolito durante un ciclo de destrucción se retira a través de un aumento de la evaporación. En algunos aspectos de estas realizaciones, al menos 95% en volumen del agua añadida a la solución de catolito durante un ciclo de destrucción se retira a través de un aumento de la evaporación. En algunos aspectos de estas realizaciones, de 90 a 100% en volumen del agua añadida a la solución de catolito durante el ciclo de destrucción se retira a través de un aumento de la evaporación. En algunos aspectos de estas realizaciones, de 95 a 100% en volumen del agua añadida a la solución de catolito durante el ciclo de destrucción se retira a través de un aumento de la evaporación. En algunos aspectos de estas realizaciones, el gas de barrido se trata para retirar uno o más componentes (p. ej., amoníaco) antes de que se libere a la atmósfera. En algunos aspectos de estas realizaciones, el gas de barrido es aire o un gas inerte tal como nitrógeno.

En algunas realizaciones de la presente invención, el agua para tratamiento es agua subterránea o agua superficial.

En algunas realizaciones de la presente invención, el agua rica en el ion elegido es el agua para tratamiento. En algunos aspectos de estas realizaciones, el agua tratada es el agua agotada en el ion elegido.

En algunas realizaciones de la presente invención, el agua rica en el ion elegido se produce durante un ciclo de regeneración, en el que se regenera un lecho de resina de intercambio selectiva para el ion elegido, en donde el agua rica en el ion elegido es una solución acuosa de regenerador gastada que sale de la columna de intercambio iónico durante un ciclo de regeneración.

Los sistemas de tratamiento de agua de la presente invención se describirán ahora con más detalle en la presente memoria para sistemas de tratamiento de agua en los que el ion elegido es nitrato. Un experto normal en la técnica, dadas las enseñanzas proporcionadas en la presente memoria, sabrá cómo modificar los sistemas de tratamiento de agua con ion elegido nitrato descritos para el uso con otros iones elegidos, incluyendo, por ejemplo, nitrito, perclorato, clorato y sus combinaciones.

En algunas realizaciones de la presente invención, el procedimiento para retirar nitrato de un agua para tratamiento que contiene nitrato comprende un ciclo de carga de intercambio iónico, un ciclo de regeneración y un ciclo de destrucción. En algunos aspectos de estas realizaciones, el ciclo de carga de intercambio iónico comprende hacer pasar el agua para tratamiento a través de una columna de intercambio iónico selectiva para nitrato que contiene un lecho de resina de intercambio selectiva para nitrato, en donde el nitrato se extrae del agua para tratamiento produciendo como producto un agua tratada. Dos resinas de intercambio selectivas para nitrato disponibles comercialmente adecuadas para el uso con la presente invención son IMAC™ HP555 de Rohm and Haas Company y A520E de Purolite International. Las afinidades relativas de estas resinas de intercambio selectivas para nitrato disponibles comercialmente para aniones presentes típicamente en agua para tratamiento son:

NO³- > SO⁴2- > Cl- > HCO³- (1)

La invención proporciona un procedimiento para retirar nitrato de un agua para tratamiento que contiene nitrato, que comprende: i) un ciclo de carga de intercambio iónico que comprende hacer pasar el agua para tratamiento a través de una columna de intercambio iónico que contiene una resina de intercambio iónico selectiva para nitrato para extraer nitrato del agua para tratamiento produciendo como producto un agua tratada; ii) un ciclo de regeneración que comprende regenerar la columna de intercambio iónico al: a) hacer pasar una primera solución acuosa de regenerador con un primer ion regenerador a través de la columna de intercambio iónico para retirar iones mantenidos menos fuertemente a la resina de intercambio selectiva para nitrato que el nitrato; b) a continuación hacer pasar una segunda solución acuosa de regenerador con un segundo ion regenerador a través de la columna de intercambio iónico para retirar el nitrato de la resina de intercambio selectiva para nitrato produciendo un agua rica en nitrato; c) a continuación enjuagar la columna de intercambio iónico con una tercera solución acuosa de regenerador para arrastrar la segunda solución acuosa de regenerador de la columna de intercambio iónico y para retirar iones regeneradores en exceso de la columna de intercambio iónico; Ni) un ciclo de destrucción que comprende hacer pasar el agua rica en nitrato (también conocida como "solución de catolito") a través de una pila electroquímica que comprende un ánodo y un cátodo y hacer pasar una corriente entre el ánodo y el cátodo, en donde el nitrato se destruye produciendo un agua agotada en nitrato, en donde la corriente se interrumpe al menos una vez mientras el agua rica en nitrato se está haciendo pasar a través de la pila electroquímica. En algunos aspectos de estas realizaciones, el agua agotada en nitrato que sale de la pila electroquímica se trata para reponer la concentración de iones regeneradores de la misma antes de que se recicle de nuevo a la columna de intercambio iónico para el uso como la segunda solución acuosa de regenerador en un ciclo de regeneración posterior.

La reacción química global para la reducción electroquímica de nitrato en nitrógeno o amoníaco dentro del compartimento catódico se describe como:

NO³- ⁶ H+ 5 e- - ♦ / N² + 3 H²O (² )

NO³- 9 H+ ⁸ e-- NH3 3 H2O (3)

con cualquier amoníaco en equilibrio con ion amonio

NH³ + H+ ^ NH⁴+ (4)

Una reacción secundaria que se puede producir dentro del compartimento catódico es el desprendimiento de hidrógeno

2 H+ 2 e- —- H² (5)

El mecanismo exacto para la reducción de nitrato implica muchas etapas y especies intermedias. Se postula que el primer producto intermedio estable en el procedimiento es nitrito

NO³- 2 H+ 2 e- — NO²- H²O (⁶ )

Sin embargo, las realizaciones de la presente invención no dependen de modelos o mecanismos específicos para las reacciones globales.

En algunas realizaciones de la presente invención, el anolito en la pila electroquímica contiene ácido sulfúrico. En algunos aspectos de estas realizaciones, la principal reacción en el compartimento anódico es electrolisis de agua, desprendimiento de oxígeno y generación de protones:

2 H²O — O² + 4 H+ 4 e- (7)

Una reacción secundaria que se podría producir en el compartimento anódico es la oxidación electroquímica de cualesquiera iones Cl- presentes en cloro gaseoso

2 Cl- — Cl² + 2 e- (⁸ )

Nominalmente, un H+ se generará en el ánodo y migrará a través de la membrana de intercambio catiónico al compartimento catódico para cada e- que pase a través de la membrana de intercambio, según se describe mediante la reacción 7. Sin embargo, según se indica en las reacciones 2-3, las reacciones catódicas globales consumen un H+ más que e-. Por lo tanto, la solución de catolito se agotará de H+ a medida que el NO³- se reduce y el pH de la solución de catolito se incrementará a menos que se añada H+ adicional. Típicamente, se añade H+ añade a la solución de catolito en la forma de una solución acuosa ácida. La adición de ácido acuoso a la solución de catolito da como resultado un incremento en el volumen de la solución de catolito. Además, cuando H+ migra a través de la membrana de intercambio catiónico, lleva consigo moléculas de H²O mediante el proceso de electroósmosis. Típicamente, al menos un H²O será transportado a través de la membrana de intercambio mediante electroósmosis para cada H+ transportado desde al anolito a la solución de catolito, incrementando adicionalmente el volumen de la solución de catolito. Según se muestra en las reacciones 2-3, también se forman 3 moléculas de H²O para cada NO³- que se destruye durante un ciclo de destrucción, incrementando adicionalmente el volumen de la solución de catolito. En las realizaciones en las que la solución de catolito se recicla como una solución acuosa de regenerador para el uso en un ciclo de regeneración posterior, es deseable minimizar el incremento en el volumen de la solución de catolito (es decir, para minimizar el tamaño de, y la inversión en, el equipo necesario para contener las soluciones en cuestión y para minimizar el volumen de agua descartada). En algunas realizaciones de la presente invención, se pone en práctica un aumento de la evaporación facilitado por el uso de un gas de barrido para retirar al menos algo del agua añadida a la solución de catolito durante el proceso de destrucción.

Un experto normal en la técnica sabrá que las reacciones 2-8 se escriben para soluciones ácidas. Un experto normal en la técnica también sabrá cómo escribir reacciones químicas equivalentes para soluciones básicas.

La eficacia de corriente máxima teórica para un sistema de destrucción de iones con pila electroquímica dado se puede determinar basándose en la estequiometria química. Para un sistema de destrucción de iones NO³- en pila electroquímica en el que el NO³- se reduce en N² , la eficacia teórica se puede derivar de la reacción 2. La eficacia de corriente teórica para este sistema de destrucción de NO³- en pila electroquímica es 0,463 g/h/A. De forma similar, si el producto es NH³ , entonces la eficacia teórica derivada de la reacción 3 es 0,289 g/h/A.

Para ayudar a ilustrar ciertos aspectos de la presente invención, el funcionamiento del sistema de tratamiento de agua representado en la Figura 1 para el uso en la retirada de nitrato de un agua para tratamiento que contiene nitrato se describirá ahora con detalle en la presente memoria. El sistema de tratamiento de agua representado en la Figura 1 incluye tanto una porción de intercambio iónico como una porción de pila electroquímica (también conocida como "sistema de destrucción").

Una porción de intercambio iónico de un sistema de tratamiento de agua ejemplar de la presente invención se representa en las Figuras 1-3. Durante un ciclo de carga de intercambio iónico, el agua para tratamiento se bombea a través de la válvula V-1 de entrada y a través de la columna de intercambio iónico. El agua tratada sale de la columna de intercambio iónico a través de la válvula V-2 de salida. Cualesquiera sensores necesarios para comprobar y controlar el procedimiento se pueden situar en el conducto de salida de la columna de intercambio iónico. Estos sensores pueden incluir sensores para temperatura, pH, conductividad y concentración del ion elegido. Típicamente, las válvulas V-3 y V-4 se mantienen cerradas durante el ciclo de carga.

Durante un ciclo de regeneración, al menos una solución acuosa de regenerador se hace pasar a través de la columna de intercambio iónico. La al menos una solución acuosa de regenerador se bombea a través de la válvula V-3 de entrada y a través de la columna de intercambio iónico. La solución de regenerador gastada que sale de la columna de intercambio iónico pasa a través de la válvula V-4 de salida. Cualesquiera sensores necesarios para comprobar y controlar el procedimiento se pueden situar en el tubo de salida de la columna de intercambio iónico. Estos sensores pueden incluir sensores para temperatura, pH, conductividad y concentración del ion elegido. Típicamente, las válvulas V-1 y V-2 se mantienen cerradas durante el ciclo de regeneración.

Un experto normal en la técnica sabrá que la dirección del flujo de agua a través de la columna de intercambio iónico durante un ciclo de carga de intercambio iónico puede ser flujo ascendente, flujo descendente o una combinación de los mismos. Un experto normal en la técnica también sabrá que la dirección del flujo a través de la columna de intercambio iónico durante el ciclo de regeneración de la resina puede ser flujo ascendente, flujo descendente o una combinación de los mismos. Un experto normal en la técnica sabrá además que la dirección del flujo para un ciclo de regeneración puede ser paralela, en contracorriente o una combinación de paralela y en contracorriente con relación a la dirección del flujo para un ciclo de carga.

El sistema de tratamiento de agua representado en las Figuras 1-3 está diseñado para el uso con tres soluciones de regenerador, a saber una primera solución acuosa de regenerador (también conocida como "solución de regenerador de baja concentración"), una segunda solución acuosa de regenerador (también conocida como "solución de regenerador de alta concentración") y una tercera solución acuosa de regenerador (también conocida como "solución de enjuague"). La primera solución acuosa de regenerador y la segunda solución acuosa de regenerador contienen el mismo ion regenerador, teniendo la primera solución acuosa de regenerador una concentración inferior del ion regenerador en comparación con la segunda solución acuosa de regenerador. Durante la operación, la solución de regenerador de baja concentración se suministra a la bomba para regenerador al abrir la válvula V-5, con las válvulas V-6 y V-7 cerradas. Mediante la elección apropiada de la concentración de regenerador en la solución de regenerador de baja concentración, cuando se carga a la columna de intercambio iónico después de un ciclo de carga, la solución de regenerador de baja concentración desplazará iones que son mantenidos más débilmente por la resina de intercambio que el nitrato (también conocidos como "iones no elegidos"). Esto es, por ejemplo, una solución de baja concentración de Cl- desplazará HCO³ ' y SO⁴2' preferentemente, dejando NO³ ' sobre la resina de intercambio iónico. En algunas realizaciones de la presente invención, se usa NaCl como el regenerador, en donde la concentración de regenerador para la solución de regenerador de baja concentración alimentada a la columna de intercambio iónico es < 50 g/l de solución, preferiblemente > 10 a < 40 g/l de solución, más preferiblemente > 20 a < 30 g/l de solución. La solución de regenerador de baja concentración se alimenta a la columna de intercambio iónico hasta que se haya suministrado la cantidad deseada de regenerador. Un experto normal en la técnica sabrá que la concentración de regenerador óptima en la solución de regenerador de baja concentración depende, entre otras cosas, de la resina de intercambio iónico usada, los iones no elegidos presentes, el ion elegido y el regenerador usado.

La solución de regenerador de alta concentración se suministra a la bomba para regenerador al abrir la válvula V-6, con las válvulas V-5 y V-7 cerradas. Mediante la elección de la concentración de regenerador en la solución de regenerador de alta concentración, cuando se carga a la columna de intercambio iónico después de un ciclo de carga y después de la alimentación de la solución de regenerador de baja concentración, la solución de regenerador de alta concentración desplazará al nitrato de la resina de intercambio iónico en la columna de intercambio iónico. Esto es, si se usa una resina selectiva para nitrato que se ha cargado con NO³ ', una alta concentración de Cl- desplazará al NO³ '. En algunas realizaciones de la presente invención, se usa NaCl como el regenerador, en donde la concentración de regenerador para la solución de regenerador de alta concentración alimentada a la columna de intercambio iónico es > 50 g/l de solución, preferiblemente > 100 g/l de solución, más preferiblemente > 150 g/l de solución. La solución de regenerador de alta concentración se alimenta a la columna de intercambio iónico hasta que se haya suministrado la cantidad deseada de regenerador. Un experto normal en la técnica sabrá que la concentración de regenerador óptima en la solución de regenerador de alta concentración depende, entre otras cosas, de la resina de intercambio iónico usada, los iones no elegidos presentes, el ion elegido y el regenerador usado.

La solución de enjuague se suministra a la bomba para el regenerador al abrir la válvula V-7, con las válvulas V-5 y V-6 cerradas. La solución de enjuague desplaza la solución de regenerador de alta concentración de la columna de intercambio iónico, dejando el lecho en un estado regenerado listo para otro ciclo de carga de intercambio iónico. La solución de enjuague puede ser agua para tratamiento. Alternativamente, la solución de enjuague puede ser agua tratada reciclada de la columna de intercambio iónico al depósito de enjuague durante un ciclo de carga previo al abrir la válvula V-11.

El uso de tres soluciones de regenerador alimentadas a la columna de intercambio iónico durante un ciclo de regeneración conducirá a varios regímenes en los perfiles de concentración en el regenerador gastado. Inicialmente, el agua para tratamiento que permanece en la columna de intercambio iónico de un ciclo de carga previo se desplaza. Esto está seguido por un período en el que los iones no elegidos débilmente mantenidos están presentes en el regenerador gastado en una concentración superior que las del ion regenerador o el ion elegido. Esto está seguido por un período en el que la concentración del ion regenerador está presente en un valor alto, la concentración del ion elegido se incrementa hasta un máximo y a continuación disminuye, mientras la concentración de iones no elegidos débilmente mantenidos disminuye rápidamente. Lo que es seguido por un período en el que las concentraciones de todas las especies disminuyen rápidamente a medida que el regenerador se enjuaga del lecho. Un experto normal en la técnica sabrá que los detalles de los perfiles de concentración del regenerador gastado dependen, entre otras cosas, de la resina de intercambio iónico usada, los iones no elegidos presentes y su cantidad, el ion elegido y su cantidad, y la concentración, la pureza y el volumen de las tres soluciones de regenerador. Un experto normal en la técnica también apreciará que un cambio en la solución alimentada a la columna de intercambio iónico no conduce a un cambio simultáneo en el regenerador gastado que viene de la columna de intercambio iónico, debido a que el volumen de solución en la tubería, la fracción de huecos intersticial del lecho de resina de intercambio iónico (los últimos aproximadamente 0,35 VL), así como la difusión y la dispersión dentro del sistema.

En algunas realizaciones de la presente invención, la solución de regenerador gastada se reparte en fracciones. En algunas realizaciones de la presente invención, al menos una fracción de regenerador gastado se recicla. En algunos aspectos de estas realizaciones, el regenerador gastado se reparte en tres fracciones efluentes, a saber una primera fracción efluente, una segunda fracción efluente y una tercera fracción efluente. La primera fracción efluente contiene el agua para tratamiento desplazada así como iones no elegidos débilmente mantenidos, y concentraciones relativamente bajas de los iones regenerador y elegido. En algunos aspectos de estas realizaciones, La primera fracción efluente se descarta (p. ej., se descarga al alcantarillado). En algunos aspectos de estas realizaciones, la primera fracción efluente se combina con el agua tratada producida durante un ciclo de carga. La segunda fracción efluente contiene la mayoría del ion elegido y una alta concentración del ion regenerador. En algunos aspectos de estas realizaciones, la segunda fracción efluente se transfiere como un agua rica en el ion elegido para el uso como una solución de catolito en una pila electroquímica para un ciclo de destrucción, en donde el ion elegido se destruye formando un agua agotada en el ion elegido. En algunos aspectos de estas realizaciones, la solución de catolito después del ciclo de destrucción (también conocida como agua agotada en el ion elegido) se recicla a la columna de intercambio iónico para el uso como una solución de regenerador (p. ej., como una solución de regenerador de alta concentración). La tercera fracción efluente contiene una concentración intermedia del ion regenerador, una baja concentración del ion elegido y una concentración insignificante de los iones no elegidos mantenidos débilmente. En algunos aspectos de estas realizaciones, la tercera fracción efluente se descarta (p. ej., se descarga al alcantarillado). En algunos aspectos de estas realizaciones, la tercera fracción efluente se recicla a la columna de intercambio iónico para el uso como una solución de regenerador (p. ej., como una solución de regenerador de baja concentración).

En algunas realizaciones de la presente invención, una primera solución de procesamiento se transfiere de una primera operación unitaria a una segunda operación unitaria (p. ej., de una columna de intercambio iónico a una pila electroquímica) y una segunda solución de procesamiento se recicla de nuevo a la primera operación unitaria desde la segunda operación unitaria. En algunos aspectos de estas realizaciones, la primera solución de procesamiento se transfiere y la segunda solución de procesamiento se recicla múltiples veces a lo largo de una pluralidad de ciclos de tratamiento de agua. En algunos aspectos de estas realizaciones, el volumen de la primera solución de procesamiento transferida de una primera operación unitaria a una segunda operación unitaria es de 95 a 105%, preferiblemente de 98 a 102%, más preferiblemente de 99 a 101%, del volumen de la segunda solución de procesamiento reciclada de nuevo a la primera operación unitaria desde la segunda operación unitaria.

Un ejemplo de un sistema de destrucción con pila electroquímica se representa en la Figura 4. Durante un ciclo de destrucción, el efluente de la segunda fase (también conocido como "agua rica en el ion elegido") se transfiere al depósito de almacenamiento del catolito donde se usa a continuación como la solución de catolito en una pila electroquímica. La solución de catolito se alimenta desde el depósito de almacenamiento del catolito a través de la válvula V-12y se bombea a través de la válvula V-14, a través de un compartimento catódico de una pila electroquímica dividida por membrana y de nuevo al depósito de almacenamiento del catolito. La válvula V-16 reguladora de la presión cumple dos propósitos en el sistema de destrucción apuntado. En primer lugar, si la válvula V-14 se cierra, proporciona un camino para que la solución de catolito circule si la bomba para el catolito está conectada. En segundo lugar, si la válvula V-14 está abierta, ayuda a regular la presión dentro de la pila electroquímica. Un termointercambiador opcional se puede incluir en el conducto entre la bomba para el catolito y la pila electroquímica para regular/controlar la temperatura de la solución de catolito alimentada a la pila electroquímica. La cantidad de calor que se va a añadir o retirar de la solución de catolito depende de un número de factores incluyendo la cantidad de energía eléctrica suministrada a la pila electroquímica, la eficacia de la pila electroquímica, la velocidad de pérdida de calor al ambiente y el intervalo de funcionamiento seguro para el equipo usado. Se pueden emplear diversos sensores en el conducto entre la bomba para el catolito y la pila electroquímica para comprobar y controlar el procedimiento, incluyendo, por ejemplo, la temperatura, el pH, la concentración del elegido.

En un sistema de tratamiento de agua con un sistema de destrucción electroquímico para destruir nitrato, a menudo es necesario ajustar el pH de la solución de catolito. Según esto, en este sistema es deseable proporcionar un aparato para facilitar la adición de un ácido o una base a la solución de catolito. En sistemas en los que el agua agotada en el ion elegido se reconstituye con NaCl, es conveniente usar HCl o NaOH para modificar el pH de la solución de catolito. El pH deseado para la solución de catolito dependerá del ion elegido que se destruya, el material de construcción del cátodo, las diversas reacciones secundarias que puedan tener lugar y los materiales de construcción del equipo usado. Para sistemas en los que el ion elegido es nitrato en una solución en salmuera, el pH es preferiblemente > 3 para minimizar la producción de H² en la pila electroquímica; más preferiblemente > 9 para facilitar la conversión de NH⁴+ en el NH³ más volátil; lo más preferiblemente > 11 para facilitar un incremento en la solubilidad de Ch en la solución de catolito. Alternativamente, se puede usar un pH más neutro de modo que el pH del agua agotada en el ion elegido reciclada a la porción de intercambio iónico del sistema de tratamiento de agua sea < 9; más preferiblemente < 8; lo más preferiblemente de 6,8 a 7,2.

La solución de anolito usada en la pila electroquímica se maneja mediante una disposición similar a la usada para la solución de catolito. La solución de anolito está contenida dentro del depósito del anolito. La solución de anolito pasa a través de la válvula V-13 y se bombea a través de la válvula V-15, a través de un compartimento anódico de la pila electroquímica dividida y de nuevo al depósito del anolito. La válvula V-17 reguladora regula la presión dentro del compartimento anódico de la pila electroquímica. Típicamente, es deseable mantener puntos fijos de presión en las válvulas V-16 y V-17 que sean comparables para evitar una diferencia de presión a través de la membrana que separa el compartimento anódico del compartimento catódico en la pila electroquímica. Aunque no se muestran en la Figura 4, un termointercambiador y sensores de procesamiento se pueden incorporar en línea entre la bomba para el anolito y la pila electroquímica.

La solución de anolito puede ser una solución de ácido, base o sal. En algunos sistemas, el anolito es una solución acuosa de ácido. En algunos sistemas, la solución de anolito es una solución ácida que no contiene halógeno. En algunos sistemas, la solución de anolito es una solución acuosa de H² SO⁴ con una concentración de H² SO⁴ de entre 10 y 20% en peso.

En un sistema de destrucción de nitrato, el volumen del anolito dentro del sistema de destrucción electroquímica disminuirá con el tiempo. Esta pérdida en el volumen de anolito resulta de la electrólisis de agua en el ánodo según la reacción 7 y el transporte por electroósmosis de agua a través de la membrana al compartimento del catolito. Según esto, para mantener un volumen estable de anolito dentro del sistema, es necesario añadir agua a la solución de anolito. En los sistemas en los que la solución de anolito es una solución acuosa de H² SO⁴, es deseable retirar iones de dureza tales como, por ejemplo, Ca2+ y Mg2+, del agua que se va a añadir a la solución de anolito.

En un sistema de destrucción de nitrato, el volumen de la solución de catolito se incrementará a lo largo del tiempo a través de una combinación del agua producida como un producto de reducción de nitrato (véanse las reacciones 2-3), el transporte por electroósmosis de agua desde la solución de anolito a través de la membrana y la adición de ácido acuoso a la misma para mantener el pH. Si la solución de catolito se está reciclando de nuevo al depósito para regenerador de alta concentración, es deseable minimizar este incremento en el volumen de la solución de catolito. Se ha encontrado que el uso de un gas de barrido puede ser un medio eficaz para retirar agua de la solución de catolito. Por ejemplo, un gas de barrido se puede hacer pasar a través del espacio vacío por encima de la solución de catolito en el depósito de almacenamiento del catolito para aumentar la velocidad de evaporación desde la solución de catolito. Alternativamente, el gas de barrido se puede introducir directamente en la solución de catolito mediante, por ejemplo, rociadura. A continuación, el gas de barrido se pone en comunicación con la atmósfera desde el sistema junto con agua recogida de la solución de catolito. En algunos sistemas, puede ser deseable hacer pasar el gas de barrido a través de un depurador u otros dispositivos antes de liberarlo a la atmósfera. La velocidad a la que se puede retirar el gas de barrido de la solución de catolito es una función del caudal del gas de barrido y la concentración de vapor de agua por encima de la solución de catolito. La concentración de vapor de agua por encima de la solución de catolito está relacionada con la presión de vapor en equilibrio del agua, que es una función de la temperatura de la solución de catolito. Según esto, un experto normal en la técnica, dadas las enseñanzas proporcionadas en la presente memoria, sabrá cómo ajustar el caudal del gas de barrido y la temperatura de la solución de catolito en el depósito para catolito para controlar la velocidad de retirada de agua de la solución de catolito mediante el gas de barrido

Por ejemplo, la reducción de 1 mol de NO³ ' en N² , NH³ o NH⁴+ en una solución de catolito de NaCl introducirá aproximadamente 11,4, 14,4 o 17,8 mol de H²O en la solución, respectivamente, a partir de agua obtenida como producto, electroósmosis desde la solución de anolito a través de la membrana y el uso de HCl concentrado para proporcionar el H+ adicional necesario para equilibrar las reacciones electroquímicas. A 50°C, la presión de vapor de agua es 0,122 atm, que por la ley de los gases ideales implica que para un gas que sale del depósito del catolito a 1 atm, 12,2% de los moles serán vapor de agua y 87,8% de los moles serán aire. El volumen de aire correspondiente a 1 mol a una presión de 1 atm y una temperatura de 20°C es 24,0 l. Suponiendo 100% de eficacia de corriente para reducir NO³ ' en NH³ , el caudal de gas de barrido (aire) estimado requerido para mantener el volumen de la solución de catolito es aproximadamente

Por lo tanto, un sistema que utilice una corriente de 12,5 A a 50°C requerirá un caudal del gas de barrido (aire) estimado de aproximadamente 2,4 l/min para retirar de la solución de catolito el volumen de agua añadido. El caudal de gas de barrido real requerido variará de lo estimado basándose en la reducción de la presión de vapor debido a la presencia de sales en la solución de catolito, la eficacia de la pila electroquímica, el pH de funcionamiento del sistema y la distribución de productos de reacción en la pila electroquímica. Además, la evaporación facilitada por el flujo del gas de barrido continúa con el flujo del gas de barrido, incluso cuando la pila electroquímica esté detenida.

Como una ventaja adicional, el gas de barrido retira diversos productos de las reacciones electroquímicas que tienen lugar en la pila electroquímica, por ejemplo, NH³ producido durante la reducción de NO³- así como H² que se puede producir mediante reacciones secundarias en la pila electroquímica.

Opcionalmente, un gas de barrido se puede hacer pasar a través de la cara del anolito del sistema de destrucción electroquímico. El objetivo principal de este gas de barrido del anolito no es la evaporación del agua (como es el caso para el gas de barrido del catolito). En cambio, el objetivo principal para el uso de un gas de barrido del anolito es retirar diversos productos volátiles de reacciones anódicas que se producen en la pila electroquímica, por ejemplo, las reacciones anódicas pueden producir grandes cantidades de O².

Puede ser deseable en ciertas instalaciones tratar los gases de barrido antes de poner en comunicación con la atmósfera, por ejemplo mediante depuración. Por ejemplo, en sistemas de tratamiento de agua en los que el ion elegido es NO³-, el gas de barrido del catolito puede contener NH³ , que se puede retirar antes de la puesta en comunicación con la atmósfera al usar un depurador ácido; el gas de barrido del anolito puede contener cantidades vestigiales de Ch, que se pueden retirar antes de la puesta en comunicación con la atmósfera al usar un depurador cáustico. En algunas instalaciones, la solución de catolito se puede usar para depurar el gas de barrido del anolito y la solución de anolito se puede usar para depurar el gas de barrido del anolito.

En algunas realizaciones de la presente invención, el procedimiento para retirar un ion elegido de un agua para tratamiento que contiene el ion elegido comprende además un método para mejorar la eficacia de una pila electroquímica usada en un ciclo de destrucción para destruir el ion elegido. En algunos aspectos de estas realizaciones, el método para mejorar la eficacia de la pila electroquímica comprende: interrumpir una corriente que pasa entre un ánodo y un cátodo de la pila electroquímica durante un ciclo de destrucción, en donde el ion elegido se destruye.

Algunas realizaciones de la presente invención se describirán ahora con detalle en los siguientes ejemplos.

Ejemplo Comparativo 1: Intercambio iónico y regeneración con 1 solución de regenerador

El aparato usado para el Ejemplo Comparativo 1 se representa en la Figura 2. La columna de intercambio iónico usada era una columna de vidrio (5,1 cm de diámetro interno x 45 cm de largo) rellena con 875 ml de una resina de intercambio selectiva para nitrato (IMAC™ HP555 de Rohm and Haas Company). El agua para tratamiento era una corriente sintética de 2,00 meq/l (71 mg/l) de Cl-, 1,5 meq/l (72 mg/l) de SO⁴2-, 1,5 meq/l (93 mg/l) de NO³-, 1,5 meq/l (92 mg/l) de HCO³- y 6,5 meq/l (150 mg/l) de Na+ en agua desionizada. El agua para tratamiento se alimentó a la columna en una dirección de flujo ascendente a una velocidad de 583 ml/min (40 VL/h) durante un período de 6,5 h (volumen 260 VL), punto en el cual la concentración de NO³-efluente era aproximadamente 1,0 meq/l (62 mg/l). Las concentraciones y las cantidades dadas en cuanto a los equivalentes son con respecto al comportamiento de intercambio iónico (es decir, valencia iónica, equivalentes no electroquímicos).

La resina de intercambio selectiva para nitrato se regeneró usando una solución acuosa de regenerador que contiene iones cloruro regeneradores. Específicamente, la solución acuosa de regenerador tenía una concentración de NaCl de 2,57 eq/l (150 g/l) y un volumen de 933 ml (1,07 VL). Este volumen y esta concentración corresponden a una dosis de NaCl de 2,75 eq/l de resina (160 g/l de resina). La solución acuosa de regenerador se alimentó a la columna de intercambio iónico en una dirección de flujo descendente a una velocidad de 58,3 ml/min (4,0 VL/h). A continuación, la solución acuosa de regenerador se lavó de la columna de intercambio iónico usando 1.750 ml (2,0 VL) de una solución de enjuague que tiene la misma composición que el agua para tratamiento. La solución de enjuague se alimentó a la columna de intercambio iónico en una dirección de flujo descendente a una velocidad de 58,3 ml/min (4,0 VL/h).

Fracciones de 100 ml de la solución acuosa de regenerador gastada y la solución de enjuague que emergen de la columna de intercambio iónico se recogieron y se analizaron con respecto a Cl-, SO⁴2- y NO³-. Los resultados de estos análisis se proporcionan en forma gráfica en la Figura 5.

Ejemplo 2: Intercambio iónico y regeneración con 2 soluciones de regenerador

El aparato usado para el Ejemplo 2 se representa en la Figura 2. Las condiciones de la columna de intercambio iónico, la solución para tratamiento y el ciclo de carga eran las mismas que las usadas en el Ejemplo Comparativo 1.

Después de un ciclo de carga, 1,4 l (1,6 VL) de una primera solución acuosa de regenerador (también conocida como "solución de regenerador de baja concentración") que tenía una concentración de NaCl de 0,43 eq/l (25 g/l) se alimentaron a continuación a través de la columna de intercambio iónico en una dirección de flujo descendente a una velocidad de 58,3 ml/min (4,0 VL/h). Este volumen y esta concentración corresponden a una dosis de NaCl de 0,69 eq/l de resina (40 g/l de resina).

A continuación, se alimentaron 0,7 l (0,8 VL) de una segunda solución acuosa de regenerador (también conocida como "solución de regenerador de alta concentración") que tenía una concentración de NaCl de 2,57 eq/l (150 g/l) a través de la columna de intercambio iónico en una dirección de flujo descendente a una velocidad de 58,3 ml/min (4,0 VL/h). Este volumen y esta concentración corresponden a una dosis de NaCl de 2,06 eq/l de resina (120 g/l de resina). El total de ambas soluciones de regeneración es una dosis de NaCl de 2,75 eq/l de resina (160 g/l de resina), la misma que en el Ejemplo Comparativo 1. A continuación, la segunda solución acuosa de regenerador se enjuagó de la columna de intercambio iónico usando 1,750 ml (2,0 VL) de una solución de enjuague que tenía la misma composición que el agua para tratamiento. La solución de enjuague se alimentó a la columna de intercambio iónico en una dirección de flujo descendente a una velocidad de 58,3 ml/min (4,0 VL/h).

Fracciones de 100 ml de las soluciones de regenerador gastadas que emergen de la columna de intercambio iónico se recogieron y se analizaron con respecto a Cl-, SO⁴2- y NO³-. Los resultados de estos análisis se proporcionan en forma gráfica en la Figura 6. Según se representa en los resultados proporcionados en la Figura 6, se puede observar que al usar dos soluciones acuosas de regenerador diferentes era posible separar el ion elegido (es decir, NO³-) del ion no elegido (es decir, SO⁴2-), generando una fracción rica en el ion elegido con solo una pequeña cantidad del ion no elegido.

Ejemplo 3: Intercambio iónico y regeneración con reciclado parcial del regenerador

El aparato usado para este Ejemplo 3 se representa en la Figura 3. Las condiciones del agua para tratamiento y la carga de la columna usadas eran iguales que para el Ejemplo 2. El aparato se automatizó con un sensor de NO³- en línea en el flujo de salida de la columna de intercambio iónico. Este sensor usaba una sonda de fibra óptica UV conectada a un espectrofotómetro para recoger un espectro desde 200-500 nm cada 15 s. La deconvolución del espectro daba la concentración de NO³- de 1 peq/l a 1 eq/l con una precisión mejor que 5%. Se alimentó agua para tratamiento a través de la columna de intercambio iónico en una dirección de flujo ascendente hasta que la concentración de NO³- en el efluente procedente de la columna alcanzaba 0,5 meq/l (un ciclo de carga).

Cada ciclo de carga fue seguido automáticamente por un ciclo de regeneración. Cada ciclo de regeneración comprendía una regeneración de primera fase en la que una primera solución acuosa de regenerador se alimentaba en una dirección de flujo descendente a través de la columna de intercambio iónico; una regeneración de segunda fase en la que una segunda solución acuosa de regenerador se alimentaba en una dirección de flujo descendente a través de la columna de intercambio iónico; y un enjuague en el que una solución de enjuague se alimentaba en una dirección de flujo descendente a través de la columna de intercambio iónico; en donde la regeneración de primera fase, la regeneración de segunda fase y el enjuague se realizaban uno después de otro secuencialmente.

Durante cada regeneración de primera fase, 1,2 VL de la primera solución acuosa de regenerador (también conocida como "solución de regenerador de baja concentración") que tiene una concentración inicial de 0,43 eq/l (25 g/l de NaCl) se hizo pasar a través de la columna de intercambio iónico. La dosis buscada de iones Cl- aportada a la columna por la primera solución acuosa de regenerador era 0,51 eq/l de resina (30 g/l de resina).

Durante cada regeneración de segunda fase, 2,4 VL de la segunda solución acuosa de regenerador (también conocida como "solución de regenerador de alta concentración") que tiene una concentración inicial de 2,57 eq/l (150 g/l de NaCl) se hizo pasar a través de la columna de intercambio iónico. La dosis buscada de iones Cl- aportada a la columna por la segunda solución acuosa de regenerador era 6,17 eq/l de resina (360 g/l de resina). La dosis buscada de iones Cl- aportada a la columna por ambas soluciones de regenerador era 6,67 eq/l de resina (390 g/l de resina).

Durante cada enjuague, 1,73 VL de la solución de enjuague se hicieron pasar a través de la columna de intercambio iónico. El agua usada para la solución de enjuague se tomó del efluente procedente de la columna de intercambio iónico durante la mitad de un ciclo de carga. La concentración de NO³- de la solución de enjuague era alrededor de 0,01 meq/l (0,6 mg/l).

Durante cada ciclo de regeneración, los primeros 1,73 VL de efluente procedente de la columna de intercambio iónico se descargaban al alcantarillado. No obstante, durante el funcionamiento, este corte se podría combinar con el agua tratada obtenida como producto. El efluente procedente de 1,73 VL a 4,13 VL se transfirió a una unidad de destrucción electroquímica, y a continuación se descartó. El efluente procedente de 4,13 VL a 5,33 VL se recicla a un depósito para regenerador de baja concentración para ser usado en un ciclo de regeneración posterior como la primera solución acuosa de regenerador. Estos cortes de reciclado se determinaron como sigue: (a) se realizó un solo ciclo de regeneración bajo las condiciones en cuestión; (b) la curva de efluente de Cl- se integró para determinar la cantidad acumulativa de Cl- en el regenerador gastado; (c) se determinó el volumen al que el Cl- restante es igual al usado en la primera solución acuosa de regenerador; (d) una vez que se determina el volumen en (c), era posible determinar dónde se deben realizar los restantes cortes de efluente.

El procedimiento se efectuó durante 22 ciclos de carga y regeneración sucesivos. La primera solución acuosa de regenerador se recicló según se apunta anteriormente. La segunda solución acuosa de regenerador se preparó nuevamente para cada ciclo de regeneración. El perfil del efluente de regeneración medio para los 22 ciclos así como los esquemas para el influente y el reciclado se representan en forma grafica en la Figura 7.

Ejemplo Comparativo 4: Ciclo de destrucción con corriente continua

El sistema de pila electroquímica usado para el Ejemplo 4 se representa en la Figura 4. Una solución rica en nitrato (también conocida como solución de catolito) se mantuvo en un depósito para catolito. La solución de catolito se bombeó mediante una bomba para catolito a través de un termointercambiador, por sensores para la temperatura, el pH y la concentración de NO³-, a través de una cara catódica de una pila electroquímica, y de nuevo al depósito para catolito. La válvula V-16 regulaba la presión de la solución de catolito dentro de la pila electroquímica. El termointercambiador usaba vapor de agua para regular la temperatura de la solución de catolito, basándose en las lecturas del sensor de temperatura. El pH de la solución de catolito se reguló mediante la adición de una solución de HCl 3 N o una solución de NaOH 2 N, según fuera apropiado, basándose en las lecturas del sensor de pH.

Las concentraciones de NO³- presentadas en los Ejemplos se midieron espectrofotométricamente. Una sonda de fibra óptica se situó en la solución mientras estaba conectada a un espectrofotómetro UV-visible. A continuación, se recogieron espectros de 200-500 nm y la concentración de NO³- y NO²- se determinó mediante deconvolución. El NO³-tiene un pico de absorción muy fuerte cerca de 200 nm y un pico de absorción débil cerca de 301 nm (£ = 7,04 ± 0,04 M^-1 cm-1). El NO²- tiene un pico de absorción muy fuerte cerca de 200 nm y un pico de absorción débil cerca de 355 nm (£ = 22,4 ± 0,8 M^-1 cm-1). Otros aniones comunes que pueden estar presentes en la solución catódica, por ejemplo Cl-, HCO³- o SO⁴2-, solo tienen una absorción débil por debajo de 225 nm. La calibración del sistema indica que las concentraciones de NO³- y NO² - se pueden medir en la solución de catolito de 0,01 mM a 1 M con una precisión de ±5%.

El depósito para el catolito y el depósito para el anolito estaban hechos de HDPE. Los conductos y las válvulas estaban hechos de CPVC con juntas tóricas Viton®. La bomba para el catolito y la bomba para el anolito eran bombas centrífugas con cabezales de Teflon®. Los tubos del termointercambiador estaban hechos de Hastelloy®.

El espacio libre sobre la solución de catolito se barrió continuamente con nitrógeno gaseoso y se puso en comunicación con la atmósfera a través de un depurador que contiene HCl 3 N. Esto ayudaba a evitar la acumulación de niveles explosivos de H² y retiraba cualquier NH³ que se pudiera haber formado.

El espacio libre sobre la solución de anolito se barrió continuamente con nitrógeno gaseoso y se puso en comunicación con la atmósfera a través de un depurador que contiene NaOH 2 N. Esto ayudaba a evitar la acumulación de una atmósfera de O² puro y retiraba cualquier Ch que se pudiera haber formado.

El compartimento catódico de la pila electroquímica consistía en un colector de corriente de titanio presionado contra un cátodo de fieltro de carbono. El compartimento anódico de la pila electroquímica consistía en un revestimiento de IrO² sobre un soporte de titanio como el ánodo. Los dos compartimentos estaban separados por una membrana de Nafion®. El cuerpo de la pila estaba hecho de HDPE, con juntas tóricas Viton® cuando fuera necesario para proporcionar juntas estancas. La superficie expuesta del cátodo, el ánodo y la membrana eran cada una 0,01 m2.

Una fuente de alimentación DC se conectó al ánodo y el cátodo, la fuente de alimentación funcionaba en un modo de corriente constante, con el voltaje de salida flotante para proporcionar la corriente necesaria.

Todo el sistema estaba bajo el control de un controlador lógico programable (PLC, por sus siglas en inglés) y un ordenador personal (PC, por sus siglas en inglés) para controlar la temperatura y el pH, deconvolutar el espectro UV-visible para determinar las concentraciones de NO³- y NO²- cada 15 y registrar los datos para un análisis adicional.

Se usaron las siguientes condiciones experimentales:

Depósito para anolito: 7,5 l de H² SO⁴ 1,69 M (15%)

Depósito para catolito: 6,7 l de NaCl 2,50 M, NaNO³0,107 M (6,6 g/l de NO³-)

Bomba para anolito: 4 l/min

Bomba para catolito: 4 l/min

Temp. de funcionamiento: 50°C

Intervalo de pH de funcionamiento: 3 - 10

Corriente de funcionamiento: 12,5 A.

La pila electroquímica se hizo funcionar hasta que la concentración de NO³" final fuera 5 meq/l (310 mg/l). Esto correspondía a la destrucción de 95% del NO³" introducido en el sistema de pila electroquímica. El tiempo total transcurrido era 1,116 min. La velocidad de destrucción era 2,27 g/h, la eficacia del electrodo era 227 g/h/m2 y la eficacia de corriente era 0,182 g/h/A. Esta eficacia de corriente es 63% del valor teórico para la reducción de NO³" en NH3.

Ejemplo 5: Ciclo de destrucción con corriente interrumpida

El Ejemplo 4 se repitió con 1 cambio - la fuente de alimentación DC se interrumpió periódicamente. Esto es, la fuente se desconectó durante 177 min y a continuación se conectó a lo largo de 3 min durante cada ciclo de trabajo de 3 h, lo que se repitió hasta que se alcanzaba el punto final de 5 meq/l. El tiempo transcurrido total era 790 min. La velocidad de destrucción era 3,20 g/h, la eficacia del electrodo era 320 g/h/m2 y la eficacia de corriente era 0,256 g/h/A. La eficacia de corriente era 89% del valor teórico para la reducción de NO³" en NH³. Esto representaba una mejora de 41% en la eficacia del electrodo y de corriente en comparación con el Ejemplo 4, aunque la fuente de alimentación estuviera desconectada durante 1,9% del tiempo de destrucción.

Ejemplo 6: Ciclo de destrucción con corriente interrumpida

El Ejemplo 4 se repitió con 1 cambio - la fuente de alimentación DC se conectó durante 13,7 min y a continuación se desconectó a lo largo de 3 min durante cada ciclo de 16,7 min. El tiempo transcurrido total hasta el punto final de 5 meq/l era 980 min. La velocidad de destrucción era 2,58 g/h, la eficacia del electrodo era 258 g/h/m2 y la eficacia de corriente era 0,206 g/h/A. Esto representaba una mejora de 14% en la eficacia del electrodo y de corriente en comparación con el Ejemplo 4, aunque la fuente de alimentación estuviera desconectada durante 18% del tiempo de destrucción.

Ejemplo 7: Ciclos de destrucción replicados

Los Ejemplos 4 y 5 se repitieron varias veces para generar resultados estadísticos. Los resultados medios se presentan en la Tabla 1.

Tabla 1

Con 5 réplicas para cada grupo de condiciones de prueba, la eficacia de destrucción para los experimentos con alimentación interrumpida era 127 ± 13% de la de los experimentos con alimentación ininterrumpida, aunque la alimentación estuviera conectada solo durante 98% del tiempo. Estos resultados ilustran que interrumpir periódicamente la alimentación a la pila electroquímica mejoraba significativamente la velocidad y la eficacia del procedimiento de destrucción de NO³".

Ejemplo Comparativo 8: Sistema integrado de intercambio iónico/destrucción de NO³" con corriente ininterrumpida

El sistema integrado usado para este Ejemplo Comparativo 8 se representa en la Figura 1. El sistema de intercambio iónico automatizado usado en el Ejemplo 3 y el sistema de destrucción de nitrato automatizado usados en los Ejemplos 4-7 se usaron en este Ejemplo Comparativo 8.

La columna de intercambio iónico se rellenó con una resina de intercambio selectiva para nitrato (IMAC HP555 de Rohm and Haas Company). El agua para tratamiento alimentada al sistema integrado era 2,0 meq/l de NaCl, 1,5 meq/l de NaNO³ , 1,5 meq/l de NaHCO³ y 1,5 meq/l de Na² SO⁴. La concentración de NO³" en el efluente procedente de la columna de intercambio iónico se comprobó continuamente usando un sensor en línea. Cuando la concentración de NO³" en el efluente procedente de la columna de intercambio iónico alcanzaba 0,5 meq/l, el flujo de agua para tratamiento a la columna de intercambio iónico se detenía y la columna de intercambio iónico se regeneraba usando tres soluciones: (a) una primera solución acuosa de regenerador (también conocida como "regenerador de baja concentración"), (b) una segunda solución acuosa de regenerador (también conocida como "regenerador de alta concentración") y (c) una solución de enjuague. La primera solución acuosa de regenerador era 1,2 VL con una concentración inicial de 0,43 eq/l de NaCl. La segunda solución acuosa de regenerador era 2,4 VL con una concentración inicial 2,57 eq/l de NaCl. La solución de enjuague era 1,73 VL de agua tratada. Estas son las mismas condiciones de carga y regeneración utilizadas en el Ejemplo 3. Los primeros 1,73 VL de la solución de regenerador gastada se descartaron. Los siguientes 2,4 VL del regenerador gastado, el agua rica en el ion elegido (NO³-), se dirigieron a la pila electroquímica para un tratamiento adicional. Los 1,2 VL finales de solución de regenerador gastada se reciclaron al depósito para baja concentración y se usaron en el siguiente ciclo de regeneración como la primera solución acuosa de regenerador. Después del ciclo de regeneración, la columna de intercambio iónico comenzaba un nuevo ciclo de carga.

El agua rica en el ion elegido de 2 ciclos de regeneración sucesivos se recogió en un deposito de contención para transferencia hasta que el sistema de destrucción estuviera listo. Después de rellenar el depósito para catolito al abrir la válvula V-18 (véase la Figura 1), se inició un ciclo de destrucción de NO³-, con alimentación ininterrumpida. El ciclo de destrucción continuaba hasta que la concentración de NO³- en el agua en el depósito para el anolito fuera menor de 5 meq/l, produciendo agua agotada en el ion elegido. Todas las otras condiciones de trabajo electroquímicas eran iguales que las usadas en el Ejemplo 4.

El agua agotada en el ion elegido se recicló de nuevo al depósito para regenerador de alta concentración al conectar la bomba para catolito, cerrar la válvula V-19 y abrir la válvula V-20 (véase la Figura 1). A continuación, se añadió NaCl sólido a la solución para elevar su concentración de NaCl hasta 2,6 eq/l. La solución resultante se usó en un ciclo de regeneración posterior como la segunda solución acuosa de regenerador.

El sistema integrado se puso en funcionamiento continuamente durante 99 ciclos de carga/regeneración a lo largo de 40 días. La longitud media del ciclo de carga era 308 ± 11 VL. El tiempo del ciclo de destrucción de NO³- medio era 897 ± 126 min con una media de 0,634 ± 0,011 mol/ciclo de NO³- destruido. La eficacia del electrodo media era 267 ± 33 g/hr/m2 y la eficacia de corriente media era 0,214 ± 0,026 g/h/A. La eficacia de corriente era 74% del valor teórico para la reducción de NO³- en NH³.

Un barrido continuo de nitrógeno se hizo pasar a través del espacio libre sobre el depósito para catolito con un caudal de 1,0 l/min. Este gas de barrido trabajaba para mejorar la velocidad de evaporación de la solución de catolito. En ausencia de este aumento de la evaporación, el volumen de la solución de regenerador/catolito de alta concentración se habría incrementado alrededor de 15,7 l durante los 49 ciclos de destrucción consecutivos realizados en este Ejemplo Comparativo 8 como resultado del agua obtenida como producto, el transporte por electroósmosis de agua desde el anolito y el ácido acuoso añadido. Con el aumento de la evaporación facilitado por el gas de barrido, el volumen de la solución de regenerador/catolito de alta concentración solo se incrementaba 9,8 l. Según esto, el 1,0 l/min de gas de barrido facilitaba la retirada de 38% del agua añadida a la solución de catolito.

Ejemplo 9: Sistema integrado de intercambio iónico/destrucción de NO³- con corriente interrumpida

El Ejemplo Comparativo 8 se repitió con 3 cambios: la alimentación se sometió a ciclos repetitivamente conectada durante 59 min, desconectada durante 1 min; el ciclo de destrucción continuó hasta un punto final de 2,5 meq/l de NO³-; y el sistema se hizo funcionar continuamente durante 158 ciclos de intercambio iónico a lo largo de 67 días.

La longitud media del ciclo de intercambio iónico era 320 ± 5 VL. La Figura Comparativa 8 proporciona curvas de descomposición para los ciclos de intercambio iónico 101 a 158. Los resultados representados en la Figura Comparativa 8 ilustran la estabilidad del sistema de intercambio iónico con respecto a la longitud del ciclo y el bajo nivel de fuga que se obtenía cuando se usaba solución de regenerador de baja concentración reciclada y de regenerador de alta concentración reciclada/reconstituida.

Al finalizar el ciclo de intercambio iónico 158, la concentración de SO⁴2- en el regenerador de baja concentración era 5 meq/l (240 mg/l) y el SO⁴2- en el regenerador de alta concentración era 25 meq/l (1200 mg/l). La concentración de Cl- en la solución de regenerador de baja concentración era 0,41 eq/l y la concentración de Cl- en la solución de regenerador de alta concentración era 2,61 eq/l. Según esto, las relaciones de equivalentes de Cl- a SO⁴2- eran 80 y 100 para las soluciones de regenerador de bajo y alto contenido, respectivamente. Esto ilustra qué tan bien el sistema integrado de intercambio iónico/destrucción eliminaba SO⁴2- de las fracciones de regenerador gastadas que se reciclaban, evitando la acumulación en las soluciones de regenerador recicladas a lo largo de muchos ciclos. Ilustra además la estabilidad de la concentración de Cl- en las soluciones de regenerador tanto de baja concentración como de alta concentración que se reciclaban durante 158 ciclos de intercambio iónico.

La longitud media del ciclo de destrucción de NO³- era 652 ± 52 min/ciclo con una media de 0,657 ± 0,011 mol/ciclo de NO³- destruido. La eficacia del electrodo media era 377 ± 33 g/h/m2. La eficacia de corriente media era 0,302 ± 0,026 g/h/A. La eficacia de corriente media era 41% superior que la obtenida con el mismo sistema de intercambio iónico/regeneración con la alimentación ininterrumpida. La eficacia de corriente era 104% del valor teórico para la reducción de NO³- en NH³.

La concentración de NO³- en la solución de catolito (también conocida como "agua rica en el ion elegido") como una función del tiempo transcurrido en la pila electroquímica durante el ciclo de destrucción de nitrato se proporciona en la Figura 9 para los ciclos de destrucción de nitrato 51 a 80. La estabilidad de la porción de destrucción del sistema de intercambio iónico/destrucción es evidente a partir de la gráfica proporcionada en la Figura 9.

Un barrido continuo de nitrógeno se hizo pasar a través del espacio libre sobre el depósito para catolito con un caudal de 2,0 l/min. Este gas de barrido trabajaba para mejorar la velocidad de evaporación de la solución de catolito. En ausencia de este aumento de la evaporación, el volumen de la solución de regenerador/catolito de alta concentración se habría incrementado alrededor de 26,4 l durante los 80 ciclos de destrucción consecutivos realizados en este Ejemplo 9 como resultado del agua obtenida como producto, el transporte por electroósmosis de agua desde el anolito y el ácido acuoso añadido. Con el aumento de la evaporación facilitado por el gas de barrido, el volumen de la solución de regenerador/catolito de alta concentración solo se incrementaba 9,8 l. Según esto, los 2,0 l/min de gas de barrido facilitaban la retirada de 70% del agua añadida a la solución de catolito.

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento para retirar un ion elegido de un agua para tratamiento que contiene el ion elegido, que comprende:

i) un ciclo de carga de intercambio iónico que comprende hacer pasar el agua para tratamiento a través de una columna de intercambio iónico que contiene una resina de intercambio selectiva para el ion elegido para extraer el ion elegido del agua para tratamiento produciendo como producto un agua tratada;

ii) un ciclo de regeneración que comprende regenerar la columna de intercambio iónico al:

a) hacer pasar una primera solución acuosa de regenerador con un primer ion regenerador a través de la columna de intercambio iónico para retirar iones mantenidos menos fuertemente en la resina de intercambio selectiva para el ion elegido que el ion elegido;

b) a continuación hacer pasar una segunda solución acuosa de regenerador con un segundo ion regenerador a través de la columna de intercambio iónico para retirar el ion elegido de la resina de intercambio selectiva para el ion elegido produciendo un agua rica en el ion elegido; y

c) a continuación enjuagar la columna de intercambio iónico con una tercera solución acuosa de regenerador; y iii) un ciclo de destrucción que comprende hacer pasar el agua rica en el ion elegido a través de una pila electroquímica que comprende un ánodo y un cátodo y hacer pasar una corriente entre el ánodo y el cátodo, en donde la corriente se interrumpe al menos una vez mientras el agua rica en el ion elegido se está haciendo pasar a través de la pila electroquímica y en donde el ion elegido se destruye produciendo un agua agotada en el ion elegido,

y en donde el ion elegido es nitrato.

2. El procedimiento según la reivindicación 1, que comprende además:

iv) repetir i) a iii).

3. El procedimiento según la reivindicación 2, que comprende además:

añadir un ácido acuoso al agua rica en el ion elegido para mantener su pH en la pila electroquímica y usar un gas de barrido para mejorar la velocidad de evaporación del agua del agua rica en el ion elegido.

4. El procedimiento según la reivindicación 3, en el que la cantidad de agua evaporada del agua rica en el ion elegido es de 95 a 100% en volumen del volumen de agua añadido al agua rica en el ion elegido durante el ciclo de destrucción.