ES2838449T3 - Proceso para el control de flujo osmótico en sistemas de electrodiálisis - Google Patents
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Abstract
Un método para mejorar la eficiencia de la corriente de un dispositivo de electro-diálisis (30), comprendiendo el dispositivo: a. una pluralidad de membranas de intercambio de iones (34, 35) que incluyen membranas de intercambio de cationes (34) y membranas de intercambio de aniones (35) para emplazamiento alterno adyacentes entre sí dentro del dispositivo (30), creando cada membrana de intercambio de iones (34, 35) un compartimento de concentrado en un lado y un compartimento de diluido en el otro lado, cuando el dispositivo (30) está lleno con solución y es activado por una corriente continua que pasa a través de ellos; b. un primer compartimento de electrodos (31) y un segundo compartimento de electrodos (32), incluyendo cada compartimento de electrodos (31, 32) un electrodo (51) seleccionado del grupo que consta de electrodos metálicos y electrodos de alta capacitancia, en donde cada compartimento de electrodos (31, 32) actúa como un compartimento de concentrado cuando se utilizan electrodos de alta capacitancia, y en donde cada compartimento de electrodos (31, 32) actúa como un compartimento de diluido no presurizado cuando se utilizan electrodos metálicos (51); c. una pluralidad de espaciadores (34) colocados adyacentes a los compartimentos de electrodos (31, 32) y están colocados entre cada una de la pluralidad de membranas de intercambio de iones (34, 35), en donde una pluralidad de espaciadores (33) crean un compartimento de volumen constante entre membranas de intercambio de iones (34, 35) adyacente; cada uno de la pluralidad de espaciadores (33) incluye una porción central y una junta de estanqueidad; en donde cada junta de estanqueidad incluye pasos para transportar soluciones de entrada, de tal manera que las soluciones de entrada son dirigidas a través de canales de flujo específicos posicionados en un bastidor de soporte y en donde cada junta de estanqueidad está dimensionada para ser comprimida para sellar completamente el volumen entre dos membranas de intercambio de iones (34, 35) adyacentes; en donde cada porción central actúa como soporte estructural para las membranas (34, 35), comprende una malla de alambre metálico para dirigir el flujo de agua entre los pasos de la junta de estanqueidad y tiene compresibilidad mínima en la dirección plana cuando se comprime; y en donde el espesor de cada junta de estanqueidad cuando se comprime es sustancialmente igual al espesor de su parte central; d. un bastidor de soporte para comprimir y retener los compartimentos de electrodos (31, 32), los electrodos (33) y las membranas de intercambio de iones (34, 35) juntos, incluyendo el bastidor de soporte unas placas extremas de soporte (36, 37) fabricadas de materiales no conductores y pasos para líneas de entrada (38, 40) y líneas de salida (39, 41), en donde la compresión de los espaciadores (33) por el bastidor de soporte crea los compartimentos de volumen constante sellados entre membranas de intercambio de iones (34, 35) adyacentes; y en donde los electrodos (51) están posicionados dentro de una cavidad dentro del bastidor de soporte; e. una pluralidad de líneas de entrada (38, 40) para suministrar solución a los compartimentos de diluido, de concentrado y de electrodos (31, 32); f. una pluralidad de líneas de salida (39, 41) para retirar solución desde los compartimentos de diluido, de concentrado y de electrodos (31, 32), en donde cada una de las líneas de entrada (38, 4) y las líneas de salida (39, 41) incluyen válvulas (42) que se pueden utilizar para controlar el flujo dentro y fuera entre las válvulas (42) y los compartimentos; g. las líneas de entrada y de salida (39, 41) proporcionan una circuitería de solución de entrada y de salida a los compartimentos de electrodos (31, 32); h. un suministro de potencia eléctrica de corriente continua para establecer una diferencia de potencial entre los dos electrodos (51) y causar de esta manera el paso de corriente eléctrica a través del dispositivo (40); i. bombas de alta presión, de baja capacidad configuradas para elevar rápidamente la presión dentro de los compartimentos de concentrado cuando el cierre al mismo tiempo las válvulas (42) para las línea de entrada y de salida (39, 41) de los compartimentos de concentrado causa una formación automática de la presión hidrostática en los compartimentos de concentrado y un flujo reducido desde los compartimentos de diluido hasta los compartimentos de concentrado durante el paso de corriente continua a través del dispositivo (30); en donde el método comprende las etapas de: i) llenar los compartimentos con una solución; ii) cerrar de manera intermitente y simultánea las válvulas (42) para las líneas de entrada (38, 40) y las válvulas (42) para las líneas de salida (39, 41) de los compartimentos de concentrado para causar una formación automática de la presión en los compartimentos de concentrado y flujo reducido desde los compartimentos de diluidos hasta los compartimentos de concentrado durante el paso de una corriente continua a través del dispositivo (30), en donde los electrodos (51) se utilizan para generar un campo eléctrico a través del dispositivo (30) con el suministro de potencia; iii) utilizar las bombas de alta presión, de caja capacidad antes de cada cierre de las válvulas para elevar la presión dentro de los compartimentos de concentrado.
Description
DESCRIPCIÓN
Proceso para el control de flujo osmótico en sistemas de electrodiálisis
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un proceso para mejorar la eficiencia de la corriente de procesos de electrodiálisis y de equipo para desalinización de agua de salida presurizando el contenido líquido de compartimentos de concentrados y, más particularmente, a un proceso para reducir y/o eliminar la pérdida de salidas de productos diluidos a residuos de concentrados por confinamiento y aislamiento hidráulico de la solución en los compartimentos de concentrados, de manera que la tendencia del agua a entrar en compartimentos de concentrados desde compartimentos de diluidos adyacentes conduce a la formación de presión, resultando la prevención de flujo osmótico y electro-osmótico de agua diluida en ellos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los dispositivos empleados para eliminar iones disueltos desde líquido utilizando campos eléctricos incluyen dispositivos de electrodiálisis y dispositivos de electrodesionización utilizados para finalidades tales como desalinización de agua salada y eliminación de contaminantes iónicos de soluciones de base. Una célula de electrodiálisis típica consta de una serie de compartimentos de diluidos y de compartimentos de concentrados formados secuencialmente entre membranas de intercambio de iones y membranas de intercambio de cationes colocadas entre dos electrodos. En casi todos los procesos de electrodiálisis prácticos, se disponen compartimentos por parejas fabricados de membranas alternas de intercambio de iones y de cationes en una configuración llamada una pila de electrodiálisis. De esta manera, una “célula de electrodiálisis” incluye generalmente la combinación de una pila de electrodiálisis, una pareja de electrodos, y canales/pasos de entrada y de salida de flujo de fluido. En tales dispositivos, estas pilas se colocan en la trayectoria de iones que se mueven bajo la influencia de un campo eléctrico, resultando la formación de compartimentos alternos de diluidos y de concentrados. Los iones son transferidos desde los compartimentos de diluidos y son acumulados en los compartimentos de concentrados, como se conoce en la técnica. Además, se incorporan típicamente espaciadores específicos en varias formas entre membranas adyacentes de intercambio de iones. Esto se realiza para facilitar el flujo independiente de los líquidos en los compartimentos de diluidos y de concentrados, así como para crear volumen dentro de cada compartimento, para prevenir la fuga desde la pila hacia el exterior, y para mantener la separación entre membranas adyacentes de intercambio de aniones y cationes. Típicamente, las soluciones de entrada son dirigidas a través de canales de flujo específicos posicionados en las placas extremas de soporte del dispositivo que, en combinación con pasos de flujo en los espaciadores y membranas, habilitan los flujos independientes en los compartimentos de concentrados y de diluidos.
Los dispositivos de electro-desionización se distinguen generalmente de los dispositivos de electrodiálisis porque el espacio en el centro de la célula, entre las membranas selectivas de iones, se llena con un lecho fino de resinas de intercambio de iones en el compartimento de diluidos. O en ambos compartimentos de diluidos y de concentrados. Se emplean dispositivos de electro-desionización típicamente para la producción de productos de pureza más elevadas. Las membranas son separadas una de la otra por un separador de pantalla, y las resinas de intercambio de iones facilitan el flujo de iones a los productos desionizados de alta pureza escasamente conductores. Aunque técnicamente diferentes, cuando se utilizan aquí, los términos “electrodiálisis” y “electro-desionización” se pueden utilizar de forma intercambiable, si no se establece otra cosa.
El equipo de electrodiálisis más común utiliza electrodos metálicos convencionales y establece un campo eléctrico a través de reacciones de electrodos con las soluciones colocadas adyacentes a ellos. Los electrodos utilizados pueden ser también del tipo capacitivo, que son capaces de absorber gran cantidad de iones y de establecer capacitivamente el campo eléctrico. La patente de los EE.UU. N° 8.715.477 a nombre de Yazdanbod (el inventor de la presente invención), que se incorpora aquí por referencia en su integridad, enseña específicamente condensadores eléctricos de doble capa, el comportamiento de electrodos de alta capacidad eléctrica en contenedores confinados, el uso de electrodos de alta capacidad eléctrica como medio de generación capacitiva de campos eléctricos, y las inversiones de la polaridad como medio de evitar reacciones de los electrodos. La evidencia experimental y los resultados de ensayos que establecen la formación, distribución de la tensión, y condiciones operativas de Condensadores Eléctricos de Doble Capa (EDLCs) son una característica importante incorporada en la presente invención.
Aunque el objetivo principal en el uso de dispositivos de electrodiálisis es mover los iones disueltos desde los compartimentos de diluido a los compartimentos de concentrado, típicamente ocurre también cierto movimiento del agua, reduciendo de esta manera el volumen del producto deseado (que es el líquido purificado en el compartimento de diluido). Esto reduce la eficiencia de tales dispositivos en la producción de líquidos purificados, tal como agua desalinizada o desionizada. El movimiento de las moléculas de agua desde los compartimentos de diluido hasta los compartimentos de concentrado ocurre principalmente por tres procesos: (1) movimiento de moléculas de agua
fijadas a iones individuales como agua de hidratación; (2) movimiento de agua desde dentro de la estructura de poros de las membranas de intercambio de iones por electro-ósmosis; y (3) movimiento del agua por ósmosis. En equipo de electrodiálisis, todos estos procesos de transferencia de agua ocurren simultáneamente a través de las membranas que definen los límites de los compartimentos.
En primer lugar, puesto que los iones que se mueven en tales líquidos son iones hidratados, en los que un número de moléculas de agua se fijan a iones individuales, el movimiento de estos iones desde los compartimentos de diluido hasta los compartimentos de concentrado da como resultado también la transferencia de estas moléculas de agua fijadas. Este modo de transferencia de agua se considera menor.
En segundo lugar, puesto que las membranas de intercambio de aniones están cargadas positivamente, permitiendo la fijación y el paso de aniones cargados negativamente a través de sus estructuras de poros finos (que están llenos con agua y iones hidratados), el movimiento inducido de aniones por el campo eléctrico da como resultado también el arrastre de algunas de las moléculas de agua desde dentro de los poros de las membrana. Este flujo acoplado de agua con iones bajo la influencia de un campo eléctrico se define como electro-ósmosis. El mismo fenómeno ocurre en membranas de intercambio de cationes cargadas negativamente, que permiten el paso de cationes cargados positivamente junto con agua a través de su estructura porosa. Este fenómeno se puede ver en experimentos de electrodiálisis, en los que se observa flujo de agua dentro de compartimentos de concentrado y fuera de los compartimentos de diluido cuando líneas de salida de estos dos compartimentos se cierran y líneas de entrada son supervisadas por medios tales como observación de cambios del nivel de agua en líneas de entrada que estaban al mismo nivel antes de la aplicación del campo eléctrico. La tasa de flujo electro-osmótico se puede describir matemáticamente a través de la ecuación: Qe=Ke*E*A, en donde el flujo, "Qe", en m3/segundo está gobernado por el coeficiente de conductividad electro-osmótica "Ke" en m2/volt*segundo de la membrana, gradiente de tención a través de la membrana “E” en voltios/m y el área de la membrana “A” en m2. Como resultado, la cantidad de flujo electro-osmótico por unidad de área es gobernada por el coeficiente de la conductividad electro-osmótica que es una función del tipo y estructura de la membrana en consideración así como la concentración de la solución y el gradiente de la tensión. Para una membrana dada, cuanto más alta es la etapa de la tensión a través de la membrana, tanto más alta será la tasa de flujo osmótico por unidad de área. El flujo electro-osmótico podría reducirse o detenerse aplicando una presión hidrostática al otro lado de la membrana. La cantidad de presión requerida es una función de la estructura de la membrana así como de la concentración de la solución, el gradiente de la tensión y el coeficiente de conductividad electro-osmótica.
El tercer modo de movimiento de agua en dispositivos de electrodiálisis es a través del proceso de ósmosis. A medida que se diluye más el agua en el compartimento de diluido y a medida que se concentra más el agua en el compartimento de concentrado, la diferencia de concentración entre los dos conduce a movilización de presión osmótica causando el flujo de agua desde el lado de diluido hacia el lado de concentrado, mientras se bloquean los iones mayores. Este proceso es independiente del campo eléctrico que mueve los iones. La presión osmótica se puede ver como una presión compresiva impuesta sobre el lado de diluido de la membrana para empujar las moléculas de agua desde el lado de diluido dentro del lado de concentrado. Esta convención que define la dirección de la presión osmótica se utiliza en este documento. La presión osmótica, que está gobernada por la relación entre partículas disueltas y partículas de disolvente en una solución, se puede calcular para cada solución utilizando la fórmula de Van-t Hoff n = cRT, en la que la presión osmótica n está en bares (kg/cm2), c es la concentración molar del diluido en mol/litro, R es la constante del gas igual a 0,082 (litro * bar) / (grado ■ mol) y T es la temperatura en grados Kelvin. La diferencia calculada en la presión osmótica calculada para el diluido y las soluciones concentradas es la presión osmótica impuesta sobre la membrana desde el lado del diluido hacia el lado del concentrado de la membrana. Esta presión resulta en flujo de agua a través de la membrana, que se puede detener si la presión hidrostática sobre el lado del concentrado es igual a ella. En efecto, si la presión aplicada a la membrana semi permeable entre las dos soluciones, desde el lado del concentrado, excede la presión osmótica impuesta sobre la membrana desde el lado del diluido, entonces fluirá agua pura desde el lado del concentrado hacia el lado del diluido. Esto se llama ósmosis inversa y se utiliza a menudo como una técnica de desalinización.
El flujo osmótico a través de una membrana semi-permeable se puede calcular utilizando la Ley de Darcy Qh= Kh*I *A en la que "Qh" es el flujo hidráulico en m3/segundo. “Kh” es la conductividad hidráulica de la membrana semi permeable, “I” es el gradiente hidráulico en m/m (que es la cabeza hidráulica creada por ósmosis dividida por el espesor de la membrana), y “A” es el área de la membrana en m2. Este proceso es diferente de difusión, que se define como la dispersión de partículas, y más específicamente donde no existe ninguna membrana entre las sustancias de mezcla o la membrana entre los dos líquidos tiene alta conductividad para agua así como para los iones disueltos. Aunque no se presenta una descripción teórica, se indica que las membranas selectivas de iones utilizadas en equipo de electrodiálisis son membranas semi-permeables, que permiten la ósmosis y retienen la difusión. El paso de iones a través de membranas selectivas de iones sólo es posible bajo la influencia de un campo eléctrico o bajo presión, con tal que se mantenga la neutralidad eléctrica. Es decir que si se transfiere una cierta cantidad de carga desde un compartimento de líquido hasta otro a través de una membrana selectiva de iones, debe existir algún medio de neutralizar la solución restante, tal como eliminando una cantidad igual de iones cargados de forma opuesta. En otro caso, la formación de tensión resultante prevendrá cualquier otro movimiento de iones.
La eficiencia de la corriente es una medida de cómo se transportan efectivamente iones a través de las membranas de intercambio de iones para una corriente aplicada dada. Esto significa que cuando una corriente “I” dada en amperios pasa a través de un compartimento de diluido durante un tiempo “t” dado el segundos, la eficiencia de la corriente podría definirse como la relación I*t a la carga transferida desde el volumen de diluido de salida hasta el concentrado. Como un ejemplo, si una corriente de 1,0 amperio pasa durante un periodo de 100 segundos entre los electrodos de una célula de electrodiálisis, y si durante el mismo periodo un equivalente de 80 Culombios de carga se transfiere desde un compartimento de diluido hasta los dos compartimentos de concentrado adyacentes, entonces la eficiencia de la corriente es 80 %. Típicamente son deseables eficiencias de la corriente de > 80 % en operaciones de electrodiálisis comercial para minimizar costes operativos de la energía. Las eficiencias bajas de la corriente pueden ser un indicador de la división del agua en corrientes de diluido o de concentrado, corrientes de derivación entre los electrodos, la ocurrencia de re-difusión de iones desde el concentrado hasta el diluido o (como se ha observado por este inventor) podría ocasionarse por flujo osmótico de diluido en el concentrado que se reduzca el volumen de diluido de salida. En dispositivos de electrodiálisis típicos, la velocidad a la que el flujo de diluido es arrastrado desde el compartimento de diluido se puede incrementar para reducir el flujo osmótico total. Esto requiere la eliminación más rápida de iones desde el compartimento de diluido, de manera que el producto deseado se forma más rápidamente y también se extrae más rápidamente hasta de que una cantidad grande se mueva a los compartimentos de concentrado. Dentro de los límites prácticos establecidos por tensiones aplicables, corrientes u otras limitaciones, el uso de tensiones más altas para conseguir desalinización más rápida del diluido y eliminación más rápida del producto se reconoce como un método de mejora de la eficiencia de la corriente.
También se puede conseguir una optimización adicional de la eficiencia de la corriente por el control de la concentración de la solución en los compartimentos de concentrado, incrementando la velocidad de flujo en estos compartimentos, o por desplazamiento rápido de estas soluciones a través del flujo de entrada más rápido de soluciones de entrada en estos compartimentos. Es decir, que para limita el flujo osmótico entre los compartimentos de diluido y de concentrado, se incrementa la tasa del proceso efectuando más rápidamente la transferencia de iones entre compartimentos y a través de caudales de flujo de fluido más altos en los compartimentos. Puesto que la tasa de eliminación de iones para una concentración dada de entradas y salidas (el concentrado rechazado y las soluciones diluidas) está gobernada por la Ley de Ohm y, por lo tanto, es proporcional a la intensidad del campo eléctrico (que es una función de la tensión aplicada entre los electrodos), y puesto que la cantidad de energía utilizada para transferir una cantidad dada de iones entre compartimentos es también proporcional a la etapa de la tensión aplicada a cada compartimento entre los electrodos, la tasa más rápida de producción en estos dispositivos se consigue a costa de uno más alto de energía. Como resultado, existe una necesidad de reducir el consumo de energía por unidad de volumen de producción en tales dispositivos reduciendo la tasa de transferencia de producto de agua desde el compartimento de diluido hasta el compartimento de concentrado.
La literatura disponible con respecto a la eficiencia de la corriente de equipo de electrodiálisis no se refiere típicamente a la eficiencia mejorada de la corriente a la aplicación de presión a los compartimentos de diluido/concentrado. Más bien, las discusiones oscilan desde reivindicaciones de que la eficiencia de la corriente es una función de la concentración de la alimentación, hasta la visión de la eficiencia de la corriente como un fenómeno afectado por la división del agua, selectividad deficiente de iones de la membrana, transferencia de agua por ósmosis / hidratación de iones, corrientes de derivación, y redifusión de iones desde el compartimento de concentrado hasta el compartimento de diluido. La publicación de la solicitud de patente de los EE.UU. N° 2011/0042219 a nombre de Wie et al., describe la aplicación de presión diferencial a las líneas de entrada de la unidad de electrodiálisis “para asegurar la redifusión mínima” (párrafo [0025]), pero no se describe qué significa esto exactamente, y qué línea debería ser más alta o más baja en presión y qué presiones se necesitan. Además, muchos fabricantes recomiendan los llamados niveles de presión de transmembrana cero, que significa que se recomienda que la presión hidrostática sobre ambos lados de estas membranas sean iguales. Esto se especifica para prevenir daño y punción de las membranas. Como tales, otros fabricantes de membranas especifican una presión máxima admisible para prevenir el reventón de sus membranas. La patente de los EE.UU. N° 8.101.058 a nombre de Liang et al. describe el uso de una “caldera de presión” para elevar la presión interna del dispositivo, pero indica sólo que esto puede reducir la diferencia de la presión entre el interior y el exterior del dispositivo, que puede reducir los costes de fabricación y simplificar la construcción.
Aunque los métodos y dispositivos se electrodiálisis mencionados anteriormente pueden ser útiles para sus finalidades pretendidas, no existe actualmente ningún dispositivo o método para mejorar la eficiencia de la corriente de sistemas de electrodiálisis presurizando el compartimento de concentrado en comparación con el compartimento de diluido. Por lo tanto, sería beneficioso proporcionar un dispositivo de desalinización que pueda mejorar la eficiencia de la corriente de esta manera. También sería ventajoso proporcionar un aparato y método que permita el funcionamiento de dispositivos de electrodiálisis y de electro-desionización utilizando tensiones más bajas a través de los dos electrodos y la reducción consecuente de la etapa de la tensión para cada compartimento de la célula. También sería beneficioso proporcionar un dispositivo y método de electrodiálisis que reduzca el consumo de energía por unidad de volumen del producto.
El documento US 2011/284376 A1 describe un dispositivo de separación accionado eléctricamente, que comprende: un primer compartimento definido al menos parcialmente por una primera membrana selectiva de iones y una segunda membrana selectiva de iones; y un espaciador que comprende una pantalla, estando posicionado el espaciador entre la primera y la segunda membranas selectivas de iones y construidas y dispuestas para mantener la separación entre la pantalla y cada una de la primera y segunda membranas selectivas de iones.
El documento WO 00/25903 A1 describe un proceso de electrodiálisis de fluidos acuosos para transferir sales disueltas desde una solución de diluido hasta una solución de concentrado, que comprende las etapas de: proporcionar una unidad de electrodiálisis que incluye una pila de membranas semipermeables, selectivas de iones y que incluye un campo eléctrico aplicado que hace que los iones pasen desde la solución de diluido hasta la solución de concentrado a través de dichas membranas selectivas de iones, definiendo dicha unidad de electrodiálisis al menos un compartimento de solución de diluido y al menos un compartimento de solución de concentrado, estando separados dicho compartimento de solución de diluido y dicho compartimento de solución de concentrado alternando membranas selectivas de cationes y selectivas de aniones; y presurizando cada dicho compartimento de solución de concentrado para crear un diferencial de la presión entre dicho compartimento de solución de concentrado y dicho compartimento de solución de diluido.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
De acuerdo con ello, la presente invención se basa en el descubrimiento de que se puede mejorar la eficiencia de sistemas de desalinización de electrodiálisis si el contenido del compartimento de concentrado está presurizado con respecto al contenido del compartimento de diluido. La aplicación de presión al compartimento de concentrado reduce y (en condiciones óptimas) elimina el flujo de agua osmótico y electro-osmótico desde el compartimento de diluido hasta el compartimento de concentrado. Por lo tanto, esto mejorará la eficiencia de la corriente del sistema. Se describe aquí un dispositivo de electro-diálisis para uso en la mejora de la eficiencia de la corriente de desalinización de aguas salinas, comprendiendo el dispositivo:
(a) una pluralidad de membranas de intercambio de iones para emplazamiento adyacentes entre sí dentro del dispositivo, creando cada membrana de intercambio de iones un compartimento de concentrado en un lado y un compartimento de diluido en el otro lado cuando el dispositivo está lleno con solución y activado por una corriente continua que pasa a través del mismo;
(b) una pluralidad de espaciadores para colocación entre cada una de la pluralidad de membranas de intercambio de iones, en donde la pluralidad de espaciadores crean un compartimento de volumen constante entre membranas adyacentes de intercambio de iones;
(c) un primer compartimento de electrodo y un segundo compartimento de electrodo, incluyendo cada compartimento de electrodo un electrodo;
(d) una estructura de soporte para comprimir y retener los compartimentos de electrodo, los espaciadores y las membranas de intercambio de iones juntos, incluyendo la estructura de soporte unos pasos para líneas de entrada y líneas de salida;
(e) una pluralidad de líneas de entrada para suministrar solución de los compartimentos de diluido, de concentrado y de electrodo;
(f) una pluralidad de líneas de salida para retirar la solución desde los compartimentos de diluido, de concentrado y de electrodo, en donde cada una de las líneas de entrada y de las líneas de salida incluye válvulas que se pueden utilizar para controlar el flujo de entrada y de salida del dispositivo; y
(g) un suministro de potencia eléctrica de corriente continua para establecer una diferencia de potencian entre los dos electrodos y causar de esta manera el paso de corriente eléctrica a través del dispositivo.
Los espaciadores sirven para crear un compartimento de volumen constante entre membranas de intercambio de iones cuando se comprime por la estructura de soporte, previniendo de esta manera el cambio de volumen en los compartimentos de concentrado y de diluido.
El alcance de la invención se define en la reivindicación del método 1. La invención proporciona un método para mejorar la eficiencia de la corriente de un dispositivo de desalinización de electrodiálisis, comprendiendo el método presurizar la solución dentro de compartimentos de concentrado, en donde el dispositivo comprende una pluralidad de membranas de intercambio de iones y una pluralidad de espaciadores para colocación entre cada una de la pluralidad de membranas de intercambio de iones, creando cada membrana de intercambio de iones un compartimento de concentrado sobre un lado y un compartimento de diluido sobre el otro lado cuando el dispositivo está lleno con solución y activado por una corriente continua que pasa a través del mismo.
La naturaleza y los dibujos de la presente invención se apreciarán más completamente a partir de los siguientes dibujos, la descripción detallada y las reivindicaciones.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Los dibujos que se acompañan, junto con una descripción general de la invención dada a continuación y la descripción detallada dada a continuación, sirven para explicar los principios de la invención y para ilustrar una forma de realización de la invención
La figura 1 es una vista esquemática de una realización experimental que incluye un contenedor rígido dividido en dos compartimentos por una membrana semipermeable.
La figura 2 es una vista esquemática de la realización experimental de la figura 1 con válvulas cerradas.
La figura 3 es una vista esquemática de la realización experimental de las figuras 1 y 2 con adición de una estructura rígida altamente porosa colocada en el compartimento de diluido, y manómetros conectados a los compartimentos de diluido y de concentrado.
La figura 4 es una vista esquemática de una forma de realización de una célula de electrodiálisis que se emplea en un método de acuerdo con una forma de realización de la presente invención.
La figura 5 es una vista esquemática de una placa extrema de soporte y un electrodo capacitivo alojado en ella en vista frontal (a) y en vista lateral (b).
La figura 6 es una vista esquemática de una placa extrema de soporte y un electrodo metálico que tiene una cubierta poros, incompresible y altamente permeable, alojada allí, en vista frontal (a) y en vista lateral (b).
La figura 7 es una vista esquemática de electrodos compuestos de aerogel de alta capacitancia en la forma de barras que penetran a través de taladros en placas extremas de polipropileno de estructura de soporte.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La presente invención mejora la eficiencia de la corriente de sistemas de desalinización por electrodiálisis (incluyendo sistemas para eliminación de iones) y permite el funcionamiento de dispositivos de electrodiálisis y de electro-desionización utilizando tensiones más bajas a través de los dos electrodos y la reducción siguiente de la etapa de la tensión para cada compartimento de la célula. Esto conduce, en efecto, a un nivel más bajo de la tensión utilizado para mover los iones y, por lo tanto, reduce el consumo de energía por unidad de volumen del producto. Por medio de la reducción de la transferencia de agua osmótica y electro-osmótica desde el compartimento del diluido hasta el compartimento del concentrado, se mejora también la tasa de producción general a un nivel dado de la tensión (y la producción de energía por unidad de volumen). La presente invención aborda también el proceso y los requerimientos operativos y el equipo necesario para mejorar de una manera óptima la eficiencia de la corriente. Debería indicarse que el flujo osmótico y electro-osmótico de agua desde los compartimentos de diluido hasta los compartimentos de concentrado puede tener un efecto perjudicial sobre la conductividad eléctrica de los electrolitos en el compartimento de electrodos de dispositivos de electro-diálisis. Esto puede conducir a flujo osmótico en los compartimentos de electrodos cuando estos compartimentos actúan como compartimentos de concentrado (como es habitualmente la norma), y puede diluir la solución del compartimento de electrodos, resultando un incremento de la resistividad. Por lo tanto, el funcionamiento óptimo de los electrodos requiere una supervisión cuidadosa y un cambio continuo de electrolitos en los compartimentos de electrodos. Por lo tanto, esta invención detalla el proceso, equipo y procedimiento para el control del flujo osmótico y electro-osmótico hacia y desde los compartimentos de electrodos en el equipo de electrodiálisis como medio para mantener la conductividad óptima del electrolito en estos compartimentos, y como un medio de controlar y de facilitar el flujo de iones y, al mismo tiempo, ahorro de energía. Esta última característica se utiliza también para incrementar la tasa de producción.
Para explicar los conceptos fundamentales de esta invención, se presta atención inicialmente a la figura 1, en la que una instalación experimental 10 incluye un contenedor rígido 11 dividido en dos compartimentos 12 y 13 por una membrana semi-permeable 14 (es decir, de intercambio de iones). El compartimento 12 está lleno con una solución de sal relativamente diluida y el compartimento 13 está lleno con una solución de sal más concentrada. La solución en el compartimento 13 está en comunicación de fluido con el tubo rígido 15 lleno hasta el nivel 16 por encima de la válvula 17. La solución en el compartimento 12 está también en comunicación de fluido con el tubo 18 lleno hasta el nivel 19 por encima de la válvula 2o. Los niveles 16 y 19 están a la misma elevación; no obstante, una vez que se ha establecido esta condición, con las válvulas 17 y 20 abiertas, se observa que el nivel del agua 16 sobre el lado del concentrado se eleva gradualmente mientras cae el nivel 19 sobre el lado del diluido. Esto es debido a la ocurrencia de flujo osmótico que conduce al movimiento del agua desde el lado del diluido 12 hasta el lado del concentrado 13. También existirá un pandeo menor de la membrana hacia el lado del diluido debido a la diferencia de la presión hidrostática desarrollada.
La figura 2 muestra la misma instalación y se repite el mismo experimento con válvulas 17 y 20 cerradas. En esta prueba se observa que el flujo de agua desde el compartimento de diluido 12 hasta el compartimento de concentrado 13 conducirá a pandeo pronunciado de la membrana 14 hacia el compartimento de diluido. Esto indica que con el volumen total constante del contenedor 11, el desarrollo de flujo osmótico conduce a una reducción del volumen de la solución de diluido en el compartimento 12 y a un incremento del volumen de la solución en el compartimento 13, a medida que el agua se mueve desde el lado de diluido hasta el lado de concentrado.
La figura 3 es la misma que la figura 1 con la adición de una estructura rígida 21 altamente porosa colocada en el compartimento de diluido 12. La estructura 21 soporta de forma compresiva la membrana 14 y se considera muy rígida. Por ejemplo, la estructura 21 puede ser una piedra porosa como se utilizan en ensayo triaxial de muestras de suelo para permitir una distribución uniforme de agua a través de la muestra. Si estos dos compartimentos se consideran como un compartimento de diluido y un compartimento de concentrado en una instalación de electrodiálisis de dos celdas con lados rígidos, entonces la estructura de soporte 21 puede ser una capa porosa fina como una malla de tela de plástico incorporada como un espaciador que llena completamente el volumen entre dos membranas. Como se ilustra en la figura 3, dos manómetros 22 y 23 se conectan a compartimentos 12 y 13, respectivamente- De nuevo, si el compartimento de diluido 12 está lleno con una solución de sal más diluida y el compartimento de concentrado 13 está lleno con una solución de sal más concentrada, y las válvulas 17 y 20 están cerradas, existirá una tendencia de flujo osmótico de agua desde el compartimento 12 hasta el compartimento 13. En la estructura de la figura 3, esto conducirá al desarrollo de presiones que se registrarán en los manómetros 22 y 23. La incompresibilidad del agua en el compartimento 13 prevendrá que entre agua en el mismo, debido a que cualquier cambio de volumen en este compartimento es resistido totalmente por la combinación de la membrana 14 y la estructura de soporte 21, que mantendrá constante el volumen del compartimento 13. Como resultado, la presión en el compartimento 13 se elevará para crear una diferencia de la presión hidráulica entre soluciones en los compartimentos 13 y 12, mientras la presión en el componente 12 caerá a cero en el manómetro. En esta condición, si la válvula 20 está abierta en el compartimento de diluido 12, el manómetro 22 indicará todavía la diferencia de la presión osmótica y el manómetro 22 indicará la presión hidrostática que es la cabeza hidráulica entre la altura del nivel del agua en el tubo 18 y la altura del manómetro 22.
Puesto que la presión osmótica que se desarrolla a través de una membrana semi-permeable entre dos compartimentos con concentraciones de sal significativamente diferentes puede ser desde varios hasta 40 bares, la simple aplicación de presión a la línea de entrada de concentrado y a los compartimentos en una pila de electrodiálisis, aunque es útil en la reducción del flujo electro-osmótico y osmótico desde el compartimento de diluido hasta el compartimento de concentrado, puede conducir también a un número de cuestiones negativas, incluyendo daño a las membranas por fallo por tracción o reventón, bloqueo de compartimentos de diluido por expansión de los compartimentos de concentrado, y la necesidad de bombas de alta presión y la entrada de energía requerida para elevar la presión del agua hasta los niveles necesarios para flujos de concentrado relativamente grandes.
Además, puesto que los dispositivos de electrodiálisis utilizan típicamente electrolitos específicos en los compartimentos de electrodos para simplificar y facilitar las reacciones de los electrodos y eliminar los gases generados, dependiendo de la secuencia de las membranas de intercambio de iones, uno o ambos compartimentos de electrodos pueden actuar como compartimentos de diluido, resultando una transferencia no deseada de los constituyentes de los electrolitos utilizados en la corriente de concentrado. También existe la cuestión de minimizar la resistividad eléctrica de los electrolitos en los compartimentos de electrodos que requiere alta conductividad alcanzada a través de alta concentración de sales disueltas. Esto da como resultado altas presiones osmóticas, impulso de agua desde compartimentos adyacentes de diluido y hasta una menor extensión desde los compartimentos adyacentes de concentrado, dentro del compartimento de electrodos. Dependiendo del caso, esto puede conducir a pérdida de agua desalinizada y/o a dilución de electrolitos del compartimento de electrodos. En cualquier caso, si los electrolitos en los compartimentos de electrodos son presurizados de manera intencionada o no intencionada, se impide también la emisión de gases desde los electrodos metálicos, incrementando la caída de la tensión y el consumo de energía en los electrodos.
Sobre la base de los anterior, y con intención específica de mejora y optimización de la eficiencia de la corriente de sistemas de electrodiálisis a través de la minimización o eliminación de flujo osmótico y electro-osmótico, la presente invención proporciona un método, en el que el flujo osmótico y electro-osmótico desde los compartimentos de diluido hasta los compartimentos de concentrado puede reducirse o detenerse, adicionalmente a la simple aplicación de presión a los fluidos en la línea de concentrado, a través de una combinación de las siguientes medidas:
• Uso de espaciadores específicos entre membranas adyacentes que podrían reducir o eliminar cualquier cambio de volumen en los compartimentos de diluido (intencionado o requerido) y de concentrado (por conveniencia y para uso cuando los compartimentos cambian de función) y permiten también un flujo fácil de fluidos en los compartimentos, y al mismo tiempo pueden sellar efectivamente cada uno de estos compartimentos, incluso a altas presiones. Esta característica proporciona un volumen constante para cada compartimento y soportará estructuralmente las membranas para reducir su potencial de punción cuando se presurizan desde un lado.
• Cierre intermitente o simultáneo de las líneas de entrada y de salida al compartimento de concentrado -esto previene el flujo desde el compartimento de diluido hasta el compartimento de concentrado como resultado de la presión hidrostática automática formada en los compartimentos de concentrado causada por la tendencia del agua a moverse en estos compartimentos de volumen constante. Aquí se consiguen resultados óptimos cuando después de la abertura de las válvulas de entrada y de salida a los compartimentos de concentrado, la solución en estos compartimentos se descarga rápidamente y se sustituye por una alimentación de concentración nueva más baja. Es decir que una vez que se ha retirado la presión en los comportamientos de concentrado, se inicia inmediatamente el flujo osmótico de agua. Para reducir el volumen total de flujo osmótico, la descarga rápida del fluido concentrado, seguido por el llenado y la presurización rápidas del fluido en ellos, reducirá el flujo osmótico y mejorará la eficiencia así como la salida del volumen de los productos.
• Uso de bombas de alta presión de baja capacidad - esto elevará rápidamente la presión en los compartimentos de concentrado después de cada cierre de la válvula. El consumo de energía para estas bombas será mínimo, ya que no necesitan mover volúmenes grandes de agua y sólo necesitan elevar su presión en compartimentos de concentrado de volumen constante relativamente rígidos.
• Uso de electrodos de alta capacitancia eléctrica - para generación de campos eléctricos requeridos. Estos tipos de electrodos no requieren reacciones de electrodos para generar campos eléctricos. Por medio del uso de estos electrodos como se detalle en la patente de los EE.UU. N° 8.715.477 a nombre de Yazdanbod (el inventor de la presente invención), se pueden sincronizar las inversiones de tensión con operaciones de las válvulas y requerirían también la conmutación de compartimentos de diluido y de concentrado, cuando se invierte la dirección del campo eléctrico. Alternativamente, se pueden utilizar unidades de doble célula, como se describe en la patente referenciada anteriormente, para evitar la conmutación de los compartimentos de concentrado y de diluido.
• Secuenciar las membranas de intercambio de iones en combinación con el uso de electrodos de alta capacitancia - de tal manera que ambos compartimentos de electrodos actúan como compartimentos de concentrado. En este caso, la salinidad de la solución adyacente a los electrodos se puede mantener a un valor alto para minimizar la resistividad eléctrica. Aquí, por el uso de una circuitería independiente de entrada y salida de la solución a los compartimentos de electrodos, las presiones potencialmente más altas que se desarrollan en estos compartimentos de electrodos se pueden aislar del resto de los compartimentos de concentrado, si es necesario. Además, y en función de la resistencia de las membranas y espaciadores utilizados, las presiones más altas generadas en estos compartimentos de electrodos se pueden utilizar para incrementar la presión en los compartimentos de concentrado que resulta de la combinación de flujos osmótico y electro-osmótico, permitiendo cierta extracción beneficiosa de agua pura por el proceso de ósmosis inversa desde los compartimentos de concentrado hasta los compartimentos de diluido.
• Secuenciar las membranas de intercambio de iones para los casos en los que se utilizan electrodos metálicos - de tal manera que ambos compartimentos de electrodos son compartimentos de diluido no presurizados, para permitir la disipación fácil de los gases generados o secuenciarlos de tal manera que ambos son compartimentos de concentrado, en los que a través de la incorporación de una circuitería independiente de entrada de electrolito pueden estar en un estado no presurizado. En este último caso, habrá que tolerar cierta transferencia osmótica o electro-osmótica de agua en los límites exteriores de las pilas.
La figura 4 es una representación esquemática de una célula de electrodiálisis 30 empleada en un método de acuerdo con la presente invención. En esta figura, los compartimentos de electrodos 31 y 32 pueden incluir área de superficie alta, electrodos de alta capacitancia (por ejemplo, electrodos compuestos de aerogel de carbono) cuando la célula es una célula de electrodiálisis capacitiva o pueden incluir electrodos metálicos convencionales, como se describe en general aquí y se ilustra de manera específica en la figura 5 y en la figura 6. Los electrodos están posicionados en una cavidad dentro de una estructura/bastidor de soporte, tal como placas extremas 36 y 37. Esta estructura de soporte comprende y retiene los compartimentos de electrodos 31, 32, los espaciadores 33 y las membranas de intercambio de iones 34, 35 juntos. e incluye pasos para líneas de entrada y líneas de salida. Aquí hay que indicar que las placas extremas 36 y 37 están fabricadas de materiales no conductores, tales como plásticos y podrían estar soportadas por placas/bastidor de soporte metálico (no mostraos) si y cuando sea necesario. Las membranas de intercambio de iones 34 y las membranas de intercambio de cationes 35 junto con espaciadores 33 forman los compartimentos de concentrado y de diluido. Cada membrana de intercambio de iones crea un compartimento de concentrado sobre un lado y un compartimento de diluido en el otro lado cuando el dispositivo está lleno con solución y es activado por una corriente que pasa a través del mismo. Los espaciadores 33 están colocados entre membranas de intercambio de cationes 34 y de aniones 35 para crear un compartimento de volumen constante entre membranas de intercambio de iones adyacentes, y están colocadas también adyacentes a compartimentos de electrodos 31 y 32.
Los espaciadores 33 tienen dos partes distintas, (1) una parte central y (2) una junta de estanqueidad. La parte central se utiliza para crear espacio entre membranas 34 y 35 y para dirigir el flujo de agua entre los puntos de entrada y de salida. Las partes centrales de estos espaciadores están fabricadas de plástico en la forma de una
malla de alambre y tienen una compresibilidad mínima en la dirección plana. Por lo tanto, el material de construcción y la estructura de las partes centrales de los espaciadores 33 crean tales dimensiones, espesores y baja compresibilidad que se consigue un volumen relativamente constante cuando se comprime por altas presiones impuestas sobre las caras exteriores de las membranas colocadas adyacentes a ellos. Las partes centrales de estos espaciadores actúan también como soporte estructural para las membranas para mejorar su resistencia a la rotura/punción bajo presión. Los espaciadores 33 están equipados también con juntas de estanqueidad que cuando se comprimen sellan completamente el volumen entre dos membranas adyacentes. Estas juntas de estanqueidad tienen también pasos para la entrada de soluciones, de tal manera que las soluciones de entrada son dirigidas a través de canales de flujo específicos posicionados en el bastidor de soporte y la estructura del dispositivo, que en combinación con pasos de flujo en los espaciadores causan los flujos independientes en los compartimentos de concentrado y de diluido, como se conoce en la técnica.
El espesor y el material de construcción de cada una de las juntas de estanqueidad deberían ser tales que cuando se comprimen para sellar el compartimento, el espesor de cada una es sustancialmente igual al espesor de su parte central. Esta construcción del espaciador está destinada para ser tal que cuando se instala entre dos membranas y se comprime, resulta un compartimento sellado de volumen constante entre las membranas. Todo el conjunto de membranas de intercambio de iones 34, 35, los espaciadores 33 y los compartimentos de electrodos 31, 32 se mantienen juntos y se comprimen a través de placas extremas de soporte 36 y 37, que incluyen los pasos requeridos para líneas de entrada que suministran las soluciones de entrada a los compartimentos de concentrado y de diluido, y líneas de escape o de salida para aguas de rechazos de concentrados y aguas de productos desalinizados. Las placas extremas de soporte 36 y 36 crean y alojan también los electrodos / compartimentos de electrodos 31 y 32.
Las placas extremas de soporte incluyen también pasos para suministrar de forma independiente los electrolitos necesarios en la proximidad de los electrodos y permite la salida y/o recirculación de estos fluidos y los gases generados (para electrodos metálicos) en las caras de los electrodos (no mostradas). Se utiliza un bastidor separado para retener junto todo el conjunto 30, es decir, para comprimir las membranas 34, 35, los espaciadores 33 y los compartimentos de electrodos 31, 32 juntos. Además, la estructura de soporte/bastidor, tales como las placas extremas de soporte 36, 37, incluye pasos de fluido internos (no mostrados) para permitir la entrada independiente de agua a los compartimentos de diluido, de concentrado o de electrodos, como se muestra en la técnica. Las líneas de entrada externas 38, 40 y las líneas de escape o de salida 39, 41, 44, 45 a la célula se muestran en la figura 4. La línea de entrada 38 suministra a los compartimentos de diluido, y la línea de salida 39 es una línea de salida de funcionamiento continuo, que proporciona el producto (agua desalinizada) en una operación de flujo continuo, mientras que la línea de salida 44 se utiliza para salida en lotes. Aquí la operación en lotes se define como el llenado de los compartimentos y el cierre de todas las válvulas, seguido por el establecimiento del campo eléctrico, seguido a su vez por la extracción del contenido de los compartimentos después de que se ha conseguido una transferencia suficiente de iones. En este modo de operación, podrían contemplarse variaciones en términos de extracción del contenido de diluido o de concentrado juntos o por separado. De manera similar, la línea de entrada 40 es la línea de entrada a los compartimentos de concentrado y las líneas de salida 41 y 45 serán líneas de salida de agua de rechazo de operación continua y de operación de lotes, respectivamente. Cada una de las líneas de entrada 38, 40 y las líneas de salida 39, 41, 44, 5 están equipadas también con válvulas 42 que se pueden utilizar para controlar el flujo dentro y fuera del dispositivo y para aislar los fluidos en los compartimentos de diluido y de concentrado desde los circuitos de fluidos de entrada y de salida.
Para acelerar el flujo de salida en operaciones de lotes, la línea de salida de operación continua 39 puede utilizarse como una línea de entrada de aire comprimido. Bajo esta condición, cuando las válvulas 42 de las líneas de salida 39 y 44 están abiertas y la válvula de la línea de entrada 38 está cerrada, el suministro de aire comprimido a la línea 39 dará como resultado la extracción rápida de solución diluida. Cuando ambas válvulas de la línea de entrada y las válvulas de la línea de salida 42 hacia los compartimientos de diluido o de concentrado están cerradas como se muestra en la figura 4, el volumen de fluido en cada uno de estos se mantiene constante a la incompresibilidad de los espaciadores, a no ser que exista flujo a través de las membranas. Para permitir la medición de presiones en las líneas de entrada y de salida y en los compartimentos de concentrado y de diluido conectados con ellas, se colocan también dispositivos de medición de la presión 43 (tales como manómetros o transductores) entre las válvulas 42 y el dispositivo 30, como se muestra en la figura 4.
Los compartimentos de electrodos 31, 32 dentro de las placas extremas de soporte 36 y 37 en la figura 4 pueden alojar un electrodo capacitivo como se muestra en la figura 5 o un electrodo metálico como se muestra en la figura 6 para un lado del conjunto 30. La figura 5 representa una placa extrema de soporte 36 y un electrodo capacitivo 31 alojado en ella en vista frontal (a) y en vista lateral (b), en la conexión 50 al lado exterior (no mostrado en la figura 4). Como se conoce bien en la técnica, un suministro de potencia eléctrica de corriente continua establece una diferencia de potencial entre los dos electrodos y de esta manera causa el paso de la corriente eléctrica a través del dispositivo. Las líneas de suministro de potencia eléctrica y de conexión para la conexión 50 no se muestran. La fuente exterior del electrodo capacitivo 31 está a nivel con los bordes de la placa extrema de soporte 36, de tal manera que cuando los bulones que penetran a través de las placas extremas o abrazaderas (no mostradas) son
apretadas para comprimir todo el conjunto 30 de la figura 4, el espaciador 33 colocado adyacente al electrodo / compartimento de electrodos 31 estará a nivel con la membrana 34 sobre su lado exterior y será capaz de soportarla sin ningún cambio de volumen del compartimento formado por este espaciador 33. Los espaciadores sirven para crear un compartimento de volumen constante entre membranas de intercambio de iones cuando se comprimen por la estructura de soporte, previniendo de esta manera el cambio de volumen en los compartimentos de concentrado y de diluido.
La figura 6 representa una placa extrema de soporte 36 y un electrodo / compartimento de electrodos metálico 51 que tiene una cubierta porosa, incompresible, y altamente permeable 52 alojada allí, en vista frontal (a) y en vista lateral (b), en la que se puede apreciar que el electrodo metálico 51 está equipado con una conexión eléctrica 50 hacia el lado exterior. Para proporcionar soporte estructural para el espaciador 33 y volumen suficiente para el electrolito 53 necesario en el espacio adyacente al electrodo metálico 51, un elemento estructural poroso 52 (por ejemplo, se utilizan piedras porosas en ensayo triaxial de muestras de tierra para permitir una distribución uniforme de agua a través de la muestra) está posicionado delante del electrodo metálico 51. La superficie exterior de este elemento estructural poros 52, que está fabricado de material no conductor de electricidad, está a nivel con los bordes de la placa extrema de soporte 36, de tal manera que cuando se aprietan los bulones que penetran a través de las placas extremas o abrazaderas (no mostradas) para comprimir todo el conjunto 30 de la figura 4, el espaciador 33 incompresible colocado adyacente al elemento estructural poroso 52 estará a nivel con la membrana de intercambio de iones 34 adyacente a ella. De esta manera, la membrana 34 y el espaciador adyacente 33 (ver la figura 4) ayudarán a sellar el compartimento formado entre ellos y la cantidad en la placa extrema de soporte 36 que contiene el elemento estructural poroso, el electrolito 53 y el electrodo 51. De nuevo hay que indicar que el sellado de todos los compartimentos en el dispositivo 30 se realiza a través de las juntas de estanqueidad en los bordes de los espaciadores 33.
Con vistas a las figuras 4 y 5, cuando el dispositivo 30 está equipado con electrodos capacitivos 31, 32 y está lleno con una solución de agua salada, y con todas las válvulas 42 cerradas y cuando se aplica entonces un potencial DC entre los electrodos 31, 32, el campo eléctrico establecido entre los electrodos moverá los iones positivos en la dirección del campo eléctrico y los iones negativos en la dirección opuesta. La interacción de estos iones móviles con las membranas selectivas de iones resultará entonces en una acumulación gradual de estos iones en los compartimentos de concentrado y su retirada gradual desde los compartimentos de diluido. La tasa de movimiento de iones es la misma que la corriente eléctrica generada. Los iones que se mueven a través de las membranas selectivas de iones causan cierto flujo electro-osmótico desde los compartimentos de diluido hacia los compartimentos de concentrado. Además, a medida que cambian las concentraciones de las soluciones de electrolitos en cada lado de cada membrana, se crea gradualmente una presión osmótica diferencial a través de cada membrana, tendiendo a crear movimiento adicional de moléculas de agua desde los compartimentos de diluido hacia los compartimentos de concentrado. Con todas las válvulas 42 cerrada, esta tendencia del movimiento del agua dará como resultado el desarrollo de diferenciales de la presión osmótica entre las dos soluciones en los dos lados de cada membrana. Esto reducirá y en condiciones ideales detendrá el flujo osmótico entre los compartimentos de concentrado de diluido y dependiendo de la extensión de las presiones desarrolladas, se reduce también el flujo electro-osmótico y se detiene en condiciones ideales. Los resultados experimentales que se presentan aquí confirman estas conclusiones.
La eficiencia de la corriente de sistemas de electrodiálisis se define típicamente como la relación entre los iones retirados desde cada salida de diluido y la carga total pasada a través de la pila y entre los electrodos. Ésta es una medida de la eficiencia con la que los iones son transportados a través de las membranas de intercambio de iones para una corriente aplicada dada. Típicamente son deseables eficiencias de la corriente > 80% en operaciones comerciales para minimizar los costes operativos de la energía. En una operación de lotes como se ha definido anteriormente, los cambios de la salinidad en la salida de diluido extraído desde un dispositivo comparada con la salinidad de la solución de entrada se pueden utilizar para calcular las cargas retiradas desde cada compartimento y entonces se pueden utilizar en combinación con la carga total pasada para calcular la eficiencia. Procedimientos similares se pueden utilizar también para calcular la eficiencia de la carga con respecto al concentrado. Lo mismo se puede hacer para operaciones continuas en las que el cambio en la salinidad en el flujo de diluido y de concentrado comparado con las soluciones de entrada se puede utilizar para calcular la eficiencia de la corriente.
Ensayos - Ensayo 1
En este ensayo (y en todos los ensayos aquí) se utilizó la estructura que se presenta en la figura 4. Los electrodos 31, 32 eran electrodos metálicos estándar. Se suministró una solución de entrada con 3,5 % de contenido de sal al dispositivo a través de las líneas de entrada 38 y 40. Después de la ventilación del dispositivo a través de las líneas de salida 39 y 41 y de la confirmación de que no existían fugas entre los compartimentos de diluido y los compartimentos de concentrado utilizando el procedimiento recomendado por el fabricante del equipo como se describe en la sección de Equipo y Material, se consideró que el nivel del fluido en las líneas de entrada 38 y 40 que se extienden hacia arriba era el mismo nivel, unos 60 centímetros por encima de la parte superior del dispositivo. El entubado para líneas de entrada 38 y 40 en este ensayo se extendió hasta 1,5 metros por encima de la parte
superior del dispositivo 30 y sus válvulas 42 estaban abiertas. Las válvulas para las líneas de salida 39 y 41 estaban cerradas. En el tiempo de este ensayo, las líneas de salida 44 y 45 no habían sido añadidas a la estructura de ensayo, pero si estuvieran presentes, se cerrarían también. Para este experimento, se utilizaron veinticinco (25) membranas de intercambio de aniones y veinticinco (25) membranas de intercambio de cationes. Después de la aplicación de 2,5 voltios de diferencia de potencial entre los electrodos, y dentro de un tiempo de aproximadamente 600 segundos y una corriente media de aproximadamente 600 mA, se observo que el nivel del agua en la línea 40 de 9 mm de ID conectada a los compartimentos de concentrado se había elevado hasta la parte superior del tubo a 1,5 metros por encima de la parte superior del dispositivo, mientras que no se observó agua en la línea 38 de 8 mm de ID conectada a los compartimentos de diluido, lo que indica que el contenido de esta línea fue introducido en los compartimentos de diluido. Este ensayo mostró que con el uso de electrodos metálicos y sin manipulación de presiones, tiene lugar flujo osmótico y electro-osmótico desde los compartimentos de diluido hacia los compartimentos de concentrado.
Ensayo 2
Este ensayo era muy similar al ensayo 1. En este ensayo, las soluciones de entrada tenían una conductividad de 37,7 mS/cm y se utilizaron siete (7) parejas de membranas de intercambio de iones. Esta estructura utilizó electrodos capacitivos, como se presentan en la figura 7 y se describen en la sección de Equipo y Material de este documento. Los niveles de agua de entrada a través de las líneas 38 y 40 estaban inicialmente aproximadamente treinta centímetros (30 cm) por encima de la parte superior del dispositivo 30. En este ensayo, y utilizando una tensión de 2,5 voltios entre los electrodos y dentro de un periodo de 1500 segundos, el nivel del agua en la línea 40 conectada a los compartimentos se elevó cuarenta y cuatro centímetros (44 cm) y cayó en la misma cantidad (14 cm) en la línea 38 conectada a los compartimentos de diluido. Al final del ensayo, las válvulas 42 para las líneas de entrada 38 y 40 se cerraron y se extrajo el contenido de los compartimentos de diluido y de concentrado utilizando flujo de aire a través de las líneas 39 y 41, con las soluciones que salen de las líneas 44 y 45 con sus válvulas ahora abiertas. La solución de entrada tenía una conductividad de 37,5 mS/cm y las soluciones de los compartimentos de diluido y de concentrado tenían conductividades de 30,1 mS/cm y 42,4 mS/cm, respectivamente. El volumen de diluido y los volúmenes de concentrado eran 49 ml y 53 ml, respectivamente. La comparación de la transferencia de iones con carga total suministrada produjo una eficiencia de la corriente de 19,4 % para la solución de diluido y 12,8 % para la solución de concentrado. Este ensayo confirmó también la transferencia electro-osmótica y osmótica de agua desde los compartimentos de diluido a los compartimentos de concentrado.
Ensayo 3
Este ensayo era muy similar al ensayo 2 con la diferencia de que después de llenar y ventilar el dispositivo, como se ha descrito inmediatamente arriba, se cerraron toda las válvulas 42 en las línea de entrada 38, 49 y en las líneas de salida 39, 41,44, 45. La presión desarrollada se registró utilizando manómetros 43 en las líneas de entrada 38 y 40. En este ensayo, se observó que dentro de un tiempo corto, el manómetro instalado en la línea de entrada 38 a los compartimentos de diluido cayó a cero en el manómetro, mientras que dentro de un periodo de 1115 segundos, la presión en la línea de entrada 40 a los compartimentos de concentrado se elevó a 206.8 kPa (30 psi), que era el máximo permitido para el manómetro utilizado. El contenido diluido y concentrado extraído del dispositivo utilizando flujo de aire como anteriormente produjo aproximadamente 65 ml de concentrado con una conductividad de 42,4 mS/cm. La solución de diluido era aproximadamente 40 ml y tenía una conductividad de 30,2 mS/cm. Las eficiencias calculadas de la corriente diluida y concentrada eran 24,3 % y 22,3 %, respectivamente. Este ensayo no sólo demostró el desarrollo de presión dentro de los compartimentos de concentrado como resultado de tendencias de flujo osmótico y electro-osmótico, sino que mostró también que cuando no se mantienen constantes los volúmenes de los compartimentos de diluido y de concentrado, las presiones desarrolladas reducen el volumen de los compartimentos de diluido e incrementan el volumen de los compartimentos de concentrado. Aún así, las series de ensayos representados aquí en el "Ensayo 3" muestran claramente que después de permitir la movilización de presiones osmóticas y electro-osmóticas, se mejora la eficiencia de la corriente.
Ensayo 4
Este ensayo era muy similar al ensayo 3, con la diferencia de que en lugar de 2,5 voltios, se aplico una tensión de 4.0 voltios entre los electrodos. En este ensayo, se observó que la presión máxima del manómetro que mide la presión desarrollada en el compartimento de concentrado (206,8 kPa (30 psi) se alcanzó en 750 segundos en lugar de 1115 segundos en el ensayo 3. En este ensayo, el contenido de los compartimentos de diluido y de concentrado extraído del dispositivo utilizando flujo de aire como anteriormente produjo aproximadamente 68 ml de concentrado con una conductividad de 43,5 mS/cm. La solución de diluido era aproximadamente 40 ml y tenía una conductividad de 28,6 mS/cm. Las eficiencias calculadas de la corriente diluida y concentrada eran 28,0% y 32,1 %, respectivamente. Este ensayo, mientras confirma las observaciones del ensayo 3, mostró también que con tensión más alta, el proceso de desalinización y desarrollo de presiones ocurre más rápidamente.
Ensayo 5
Este ensayo era muy similar al ensayo 3, con la diferencia de que antes de la aplicación de la diferencia de potencial de 2,5 voltios entre los electrodos, la presión de los compartimentos de concentrado se elevó a 137,9 kPa (20 psi) y se mantuvo constante durante el ensayo. A medida que se aplicó la presión a los compartimentos de concentrado, se observó que la presión en los compartimentos de diluido se elevó también hasta aproximadamente 41,4 kPa (6 psi). Este ensayo se continuó durante 500 segundos y se observó que la presión en los compartimentos de diluido alcanzó cero en el manómetro dentro de 265 segundos. En este ensayo, el contenido de los compartimentos de diluido y de concentrado extraído utilizando flujo de aire como anteriormente produjo aproximadamente 75 ml de concentrado con una conductividad de 42,8 mS/cm. La solución de diluido era aproximadamente 40 ml y tenía una conductividad de 28,6 mS/cm. Las eficiencias calculadas de la corriente diluida y concentrada eran 43,1% y 45,4 %, respectivamente. Los resultados de este ensayo muestran claramente que por la aplicación de presión a los compartimentos de concentrado se mejora la eficiencia de la corriente.
Ensayo 6
Este ensayo era muy similar al ensayo 5, con la diferencia de que después de la aplicación inicial de una presión de 137,9 kPa (20 psi) a los compartimentos de concentrado, la válvula 42 a esta línea de entrada 40 se cerró también y se dejó que se elevase la presión en estos compartimentos. En este ensayo, la presión máxima permitida del manómetro utilizado (206,8 kPa (30 psi)) se alcanzó en 256 segundos, mientras que al mismo tiempo la presión desarrollada en los compartimentos de diluido cayó desde un valor inicial de 29,0 kPa (4,2 psi) hasta 7,6 kPa (1,1 psi). En este ensayo, el contenido extraído de los compartimentos de diluido y de concentrado utilizando flujo de aire como se ha descrito anteriormente proporcionó aproximadamente 70 ml de concentrado con una conductividad de 42,5 mS/cm. La solución de diluido era aproximadamente 48 ml y tenía una conductividad de 30,3 mS/cm. Las eficiencias calculadas de la corriente de diluido y de concentrado eran 61,8 % y 62,0 %, respectivamente. Los resultados de este ensayo muestran claramente que la eficiencia de la corriente se mejora por la aplicación de presión a los compartimentos de concentrado, y esta eficiencia es asistida permitiendo que la presión se eleve en respuesta al desarrollo de flujos osmótico y electro-osmótico.
Equipo y material
El equipo de electrodiálisis utilizado en los ensayos presentados anteriormente es la pila de electrodiálisis ED200 suministrada por PCCell GmbH de Alemania con las membranas de intercambio de aniones y de cationes y espaciadores relacionados. Este dispositivo puede alojar normalmente hasta 100 membranas, cada una de ellas con un área efectiva de 207 cm2. Los espaciadores son de malla de polietileno con bordes de silicona con espesor de los bordes de aproximadamente 0,35 mm y espesor de la malla central de 0,25 mm. El equipo estándar se suministra con un ánodo fabricado de titanio con revestimiento de Pt/lr y el cátodo es de acero inoxidable. El dispositivo ha sido utilizado en esta forma estándar y con sustitución de los electrodos con electrodos compuestos de aerogel de alta capacitancia como se muestra de forma esquemática en la figura 7. En la figura 7, los electrodos compuestos de aerogel 60 estaban en forma de barras de 15 mm de diámetro que penetran a través de taladros 62 de 18 mm de diámetro en las placas extremas de polipropileno de soporte para una distancia de 16 mm y fueron sellados para una distancia de 10 mm. Para soportar lateralmente los espaciadores y las membranas colocados adyacentes a estas placas extremas, se rellenó el volumen de la cavidad de los electrodos de las placas extremas con lámina de plástico rígida 61 que incluía taladros 62. Las placas extremas tenían 150 mm por 300 mm por430 mm de espesor. Las cavidades de los electrodos en estas placas extremas tenían 218 mm por 95 mm por 4 mm de profundidad. Los electrodos fueron instalados a nivel con el borde de las placas extremas y crearon una longitud expuesta de 20 mm que contacta con los fluidos adyacentes a ellos. Dieciocho electrodos de este tipo fueron utilizados en cada placa extrema. La composición y el procedimiento de fabricación para estos electrodos se detallan en la patente de los EE.UU N° 8.715.477 a nombre Yazdanbod (el inventor de la presente invención). Estas placas extremas están equipadas con pasos para entrada y salida independientes a los compartimentos de diluido y de concentrado y para entrada y salida independientes de electrolitos hasta las cavidades de los electrodos. Las conexiones eléctricas entre los electrodos individuales y el dispositivo de suministro de potencia no se muestran, ya que su uso es bien conocido en la técnica.
El equipo de electrodiálisis en la figura 4 se conectó a cuatro tubos de plástico transparente separados de suministro de agua salada, cada uno de los cuales está conectado a su propio contenedor de plástico de agua salada a una altura de aproximadamente 80 cm por encima de la parte superior del dispositivo de electrodiálisis. Dos tubos suministraron el agua salada a las cavidades de los electrodos y dos tubos suministraron las líneas de entrada 38, 40 a los compartimentos de diluido y de concentrado, respectivamente. Las líneas de salida 39, 41, 44 y 45 a los compartimentos de concentrado y de diluido se abrieron al aire. Las líneas de conexión hacia y desde los compartimentos de los electrodos no se muestran en la figura 4. Todas las líneas de entrada y de salida estaban equipadas con válvulas de plástico de alta presión 42 y con conexiones. Las líneas de entrada 38, 40 hacia los compartimentos de diluido y de concentrado estaban equipadas también con manómetros de medición de la presión 43. Cuando era necesario, cada tubo de entrada puede ser sustituido con un tubo diferente conectado a un
contenedor de agua salada presurizada, parcialmente lleno, conectado, a su vez, a una bomba de aire accionada manualmente. Esta conexión alternativa puede suministrar el agua de entrada con presiones tan altas como 413,7 kPa (60 psi).
En cada ensayo, y con el fin de asegurar que no existían fugas entre los compartimentos de diluido y los compartimentos de concentrado, se siguieron los procedimientos recomendados por el fabricante del equipo. En tales procedimientos, después de la ventilación del equipo, se abrió la válvula 42 en la línea de entrada 40 a los compartimentos de concentrado hasta el contenedor de agua de suministro de cabeza constante, mientras que se cerraron las válvulas 42 en las líneas 38 y 44 a los compartimentos de diluido y sobre las líneas de salida 45 y 41 de los compartimentos de concentrado. Si no se observó ningún flujo o muy poco flujo de agua (es decir, menos de 0,5 ml por minuto) desde la línea de salida 39 hasta el compartimento de diluido, se consideró sellado el equipo.
El suministro de potencia utilizado es un potenciómetro REF 3000 Gamry Instruments capaz de suministrar tensión DC y de registrar al mismo tiempo la tensión y la corriente. El software instalado para este dispositivo proporciona la carga total transferida entre electrodos por integración de la curva de la corriente - tiempo, mostrando al mismo tiempo al instante tensiones y corrientes en tiempo real. La salinidad de las soluciones de entrada y de salida se midió utilizando un medidor Pinpoint® Salinity Monitor EC fabricado por American Marine Inc. Este dispositivo tiene un rango nominal de 0,00 a 300 mS/cm.
Aunque la presente invención ha sido ilustrada por la descripción de formas de realización y ejemplos de la misma, no está destinada a restringir o limitar de ninguna manera el alcance de las reivindicaciones anexas de tal detalle.
Claims (2)
1. Un método para mejorar la eficiencia de la corriente de un dispositivo de electro-diálisis (30), comprendiendo el dispositivo:
a. una pluralidad de membranas de intercambio de iones (34, 35) que incluyen membranas de intercambio de cationes (34) y membranas de intercambio de aniones (35) para emplazamiento alterno adyacentes entre sí dentro del dispositivo (30), creando cada membrana de intercambio de iones (34, 35) un compartimento de concentrado en un lado y un compartimento de diluido en el otro lado, cuando el dispositivo (30) está lleno con solución y es activado por una corriente continua que pasa a través de ellos; b. un primer compartimento de electrodos (31) y un segundo compartimento de electrodos (32), incluyendo cada compartimento de electrodos (31, 32) un electrodo (51) seleccionado del grupo que consta de electrodos metálicos y electrodos de alta capacitancia, en donde cada compartimento de electrodos (31, 32) actúa como un compartimento de concentrado cuando se utilizan electrodos de alta capacitancia, y en donde cada compartimento de electrodos (31, 32) actúa como un compartimento de diluido no presurizado cuando se utilizan electrodos metálicos (51);
c. una pluralidad de espaciadores (34) colocados adyacentes a los compartimentos de electrodos (31, 32) y están colocados entre cada una de la pluralidad de membranas de intercambio de iones (34, 35), en donde una pluralidad de espaciadores (33) crean un compartimento de volumen constante entre membranas de intercambio de iones (34, 35) adyacente; cada uno de la pluralidad de espaciadores (33) incluye una porción central y una junta de estanqueidad; en donde cada junta de estanqueidad incluye pasos para transportar soluciones de entrada, de tal manera que las soluciones de entrada son dirigidas a través de canales de flujo específicos posicionados en un bastidor de soporte y en donde cada junta de estanqueidad está dimensionada para ser comprimida para sellar completamente el volumen entre dos membranas de intercambio de iones (34, 35) adyacentes; en donde cada porción central actúa como soporte estructural para las membranas (34, 35), comprende una malla de alambre metálico para dirigir el flujo de agua entre los pasos de la junta de estanqueidad y tiene compresibilidad mínima en la dirección plana cuando se comprime; y en donde el espesor de cada junta de estanqueidad cuando se comprime es sustancialmente igual al espesor de su parte central;
d. un bastidor de soporte para comprimir y retener los compartimentos de electrodos (31, 32), los electrodos (33) y las membranas de intercambio de iones (34, 35) juntos, incluyendo el bastidor de soporte unas placas extremas de soporte (36, 37) fabricadas de materiales no conductores y pasos para líneas de entrada (38, 40) y líneas de salida (39, 41), en donde la compresión de los espaciadores (33) por el bastidor de soporte crea los compartimentos de volumen constante sellados entre membranas de intercambio de iones (34, 35) adyacentes; y en donde los electrodos (51) están posicionados dentro de una cavidad dentro del bastidor de soporte;
e. una pluralidad de líneas de entrada (38, 40) para suministrar solución a los compartimentos de diluido, de concentrado y de electrodos (31, 32);
f. una pluralidad de líneas de salida (39, 41) para retirar solución desde los compartimentos de diluido, de concentrado y de electrodos (31, 32), en donde cada una de las líneas de entrada (38, 4) y las líneas de salida (39, 41) incluyen válvulas (42) que se pueden utilizar para controlar el flujo dentro y fuera entre las válvulas (42) y los compartimentos;
g. las líneas de entrada y de salida (39, 41) proporcionan una circuitería de solución de entrada y de salida a los compartimentos de electrodos (31, 32);
h. un suministro de potencia eléctrica de corriente continua para establecer una diferencia de potencial entre los dos electrodos (51) y causar de esta manera el paso de corriente eléctrica a través del dispositivo (40); i. bombas de alta presión, de baja capacidad configuradas para elevar rápidamente la presión dentro de los compartimentos de concentrado cuando el cierre al mismo tiempo las válvulas (42) para las línea de entrada y de salida (39, 41) de los compartimentos de concentrado causa una formación automática de la presión hidrostática en los compartimentos de concentrado y un flujo reducido desde los compartimentos de diluido hasta los compartimentos de concentrado durante el paso de corriente continua a través del dispositivo (30);
en donde el método comprende las etapas de:
i) llenar los compartimentos con una solución;
ii) cerrar de manera intermitente y simultánea las válvulas (42) para las líneas de entrada (38, 40) y las válvulas (42) para las líneas de salida (39, 41) de los compartimentos de concentrado para causar una formación automática de la presión en los compartimentos de concentrado y flujo reducido desde los compartimentos de diluidos hasta los compartimentos de concentrado durante el paso de una corriente continua a través del dispositivo (30), en donde los electrodos (51) se utilizan para generar un campo eléctrico a través del dispositivo (30) con el suministro de potencia;
iii) utilizar las bombas de alta presión, de caja capacidad antes de cada cierre de las válvulas para elevar la presión dentro de los compartimentos de concentrado.
2. El método de la reivindicación 1, en donde los electrodos (51) son electrodos metálicos y los compartimentos de los electrodos (31, 32) incluyen una cubierta porosa, incompresible, y altamente permeable (52).
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