ES2908318T3

ES2908318T3 - Separador.

Info

Publication number: ES2908318T3
Application number: ES14868410T
Authority: ES
Inventors: Peer Martin Philipp Schenk; Ali Malekizadeh
Original assignee: University of Queensland UQ
Current assignee: University of Queensland UQ
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2022-04-28
Anticipated expiration: 2034-12-02
Also published as: BR112016012494A2; EA201691163A1; DK3077071T3; CN105934263A; JP2016539792A; EP3077071B1; WO2015081384A1; US11866347B2; NZ721504A; AU2020256448A1; EP3077071A1; AU2020256448B2; BR112016012494B1; CN105934263B; EA032043B1; EP3077071A4; JP6647201B2; AU2019201090A1; CL2016001315A1; AU2014360673A1

Abstract

Un separador para separar uno o más componentes seleccionados entre material particulado, material hidrofóbico, material no polar, microorganismos o virus de una mezcla de agua y el uno o más componentes o de una mezcla de un líquido polar y el uno o más componentes, comprendiendo el separador un retenedor poroso, caracterizado porque el separador comprende una capa continua de un gel de hidróxido de metal y el retenedor poroso sirve para retener la capa de gel de hidróxido de metal, estando el separador estructurado de tal manera que el líquido debe pasar a través de la capa de gel de hidróxido de metal antes de poder salir del separador para garantizar que todo el filtrado ha pasado a través de la capa de gel de hidróxido de metal el retenedor poroso está situado a continuación de la capa de gel de hidróxido de metal, y la capa continua de gel de hidróxido de metal retiene uno o más componentes en la capa continua mientras el agua o el líquido polar pasa a través de la capa continua, la capa continua de gel de hidrato de hidróxido metálico tiene un espesor de entre 1 micra y 1 metro, y el gel de hidrato de hidróxido metálico se selecciona entre uno o más de los siguientes: hidrato de hidróxido de aluminio, hidrato de hidróxido de magnesio, hidrato de hidróxido de zinc, hidróxido de manganeso, hidróxido de cobalto e hidróxido de níquel.

Description

DESCRIPCIÓN

Separador

La presente invención se refiere a un separador. En un aspecto, la presente invención se refiere a un separador para separar materia particulada y/o material hidrofóbico del agua o de una solución acuosa o de un líquido miscible con agua. En otro aspecto, la presente invención se refiere a métodos para separar materia particulada y/o material hidrofóbico del agua o de una solución acuosa o de un líquido miscible con agua.

Antecedentes de la invención

La separación de sólidos, como material particulado, del agua o de las soluciones acuosas, es necesaria en muchas industrias diferentes. Se han desarrollado diversas técnicas para separar los sólidos del agua. Entre ellas se encuentran la filtración, la sedimentación, la decantación, la clarificación, el espesamiento, la separación ciclónica y otras similares.

La filtración consiste en hacer pasar el agua, por ejemplo, un agua contaminada, a través de un medio filtrante. El medio filtrante puede comprender un lecho o torta de material fino, como arena o tierra de diatomeas. Las partículas del agua que son más grandes que los espacios intersticiales entre las partículas del medio filtrante quedan atrapados dentro del medio filtrante y se eliminan del agua. El agua pasa a través del medio filtrante y normalmente se recupera. Sin embargo, las partículas del agua que son más finas que los espacios intersticiales entre las partículas del medio filtrante pueden pasar a través del medio filtrante y no se eliminan del agua.

A medida que se continúa utilizando el filtro, el medio filtrante comienza a llenarse y a bloquearse con las partículas retenidas del agua. Una torta de partículas comenzará a formarse por encima del medio filtrante y la torta de partículas también actúa para filtrar partículas adicionales del agua. La torta de partículas por encima del medio filtrante aumenta de espesor a medida que se sigue filtrando el agua.

Con el tiempo, el filtro se obstruye con las partículas y es necesario limpiarlo. La limpieza suele consistir en un lavado a contracorriente en el que se hace pasar agua a alta presión en sentido inverso a través del medio filtrante para eliminar las partículas retenidas en él.

Los filtros tradicionales suelen dejar pasar partículas muy finas y microorganismos, de modo que el agua que se recupera del filtro sigue conteniendo partículas muy finas y microorganismos. En muchos casos, esto hace que el agua requiera un tratamiento adicional antes de poder ser utilizada. Por ejemplo, en el caso del agua potable, es obviamente muy indeseable que haya microorganismos presentes en el agua. Por lo tanto, el agua filtrada se somete normalmente a una etapa de cloración para eliminar los microorganismos del agua.

Para eliminar los microorganismos, como las bacterias y los virus, también es posible hacer pasar el agua a través de membranas nanoporosas. Aunque estas membranas nanoporosas son muy eficientes en la eliminación de microorganismos, pueden ser costosas de instalar y a menudo requieren grandes caídas de presión para lograr caudales razonables a través de ellas. Por ello, las membranas nanoporosas no se han utilizado de forma generalizada en el tratamiento de los suministros de agua potable.

También se han experimentado dificultades a la hora de separar materiales hidrofóbicos, especialmente líquidos hidrofóbicos, del agua o soluciones acuosas. Un ejemplo específico de las dificultades a este respecto lo demuestran las dificultades encontradas en la limpieza de los derrames de petróleo crudo o combustible de los buques cisterna. Los vertidos de crudo y combustible refinado procedentes de accidentes de buques cisterna han causado grandes daños a los ecosistemas naturales de Alaska, el Golfo de México, las Islas Galápagos y muchos otros lugares. Por ejemplo, el vertido de petróleo provocado por una explosión en la plataforma exploratoria Ixtoc I Explorer en el Golfo de México en 1979 supuso el vertido de 3 millones de barriles de petróleo al medio ambiente. El vertido afectó a 260 km de playas estadounidenses. El vertido de petróleo causado por una explosión en la plataforma de perforación Deepwater Horizon II en 2010 dio lugar a un vertido de 4,9 millones de barriles de petróleo en el Golfo de México. De nuevo, se produjeron daños ambientales masivos.

Actualmente se utilizan varias tecnologías para intentar limpiar los vertidos de petróleo. Estas tecnologías incluyen la biorremediación, la quema controlada, la aplicación de dispersantes, el desnatado y la centrifugación. Sin embargo, cada una de estas técnicas adolece de una o varias dificultades. La biorremediación tarda mucho en hacer efecto y no elimina todos los vertidos de petróleo. La quema sólo reduce la cantidad de petróleo y no funciona en condiciones de viento. Además, provoca la contaminación del aire. Los dispersantes son tóxicos y aumentan los niveles de hidrocarburos tóxicos y matan los huevos de los peces. El desnatado requiere que el agua esté en calma en todo momento durante el proceso. El centrifugado no separa todos los hidrocarburos y, por lo general, queda cierta cantidad de petróleo en el agua recuperada del centrifugado. La normativa estadounidense limita la cantidad de petróleo en el agua que puede devolverse al océano, lo que ha limitado la utilidad de la centrifugación. Además, el coste de las tecnologías actuales utilizadas para limpiar los vertidos de petróleo es muy elevado.

A menudo se desea separar otros materiales líquidos en partes componentes para poder recuperar las partes componentes de alto valor o para poder reducir el volumen de las partes componentes a transportar, o para poder formar un producto de mayor duración. Por ejemplo, la leche en polvo se prepara a partir de la leche mediante la evaporación del agua de la misma. La separación requiere que la leche se caliente y esto puede hacer que la leche en polvo tenga un sabor cocido debido a la caramelización causada por la exposición al calor. Muchos nutrientes valiosos de la leche también pueden perderse debido al calentamiento. El suero puede desnaturalizarse por el calor. El calor elevado (como las altas temperaturas sostenidas por encima de los 72 °C asociadas a la pasteurización) desnaturaliza las proteínas del suero. Algunas vitaminas, minerales y bacterias beneficiosas también pueden perderse durante el proceso de calentamiento. El secado por aspersión y la ultrafiltración se están utilizando en las industrias lácteas para crear leche en polvo y recuperar las proteínas de la leche. Sin embargo, ambos procesos tienen unos costes de capital y de funcionamiento elevados, debido a la necesidad de altas presiones.

Otros productos líquidos también pueden contener componentes de alto valor. Por ejemplo, el mercado de los productos alimenticios saludables es amplio y está en rápida expansión. Por poner un ejemplo, el mercado mundial de carotenoides asciende actualmente a 1.400 millones de dólares al año. La extracción de productos de alto valor, como el betacaroteno, a partir de fuentes naturales es muy difícil. Para ello se utilizan costosos procesos, como la extracción con dióxido de carbono supercrítico. Estos procesos son caros y no se pueden ampliar. También puede ser necesario extraer otros componentes valiosos de fuentes naturales o de mezclas hechas por el hombre para proporcionar componentes para su uso en la industria farmacéutica o en la industria cosmética y de belleza. De nuevo, estos componentes pueden ser difíciles de separar.

El documento WO 2008/129551 describe un medio filtrante para filtrar soluciones acuosas, en particular agua, para consumo humano y animal. El documento US 2005/098495 describe un material de purificación que comprende partículas de filtración agregadas con un primer aglutinante y procesadas además con un segundo aglutinante para generar un material de filtración de fluidos poroso o un revestimiento no poroso. El documento US 2013/153830 describe un dispositivo de purificación de agua que incluye una unidad de filtración, una unidad de desinfección primaria y una unidad de desinfección secundaria. El documento EP0581510 describe un material compuesto poroso que consiste en un material de matriz polimérica sintética porosa que tiene sus superficies internas recubiertas con un gel de óxido metálico.

Farrah et al, (APPLIED AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY, (19851201), páginas 1502-1504) describe la concentración de virus del agua mediante el uso de filtros de celulosa modificados por precipitación in situ de hidróxidos férricos y de aluminio. Chanakya Misra ("Aluminum Oxide (Alumina), Hydrated", Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Vol 7, John Wiley & Sons, (20030117), páginas 421 - 433) explica que el término hidratos de alúmina o alúminas hidratadas se utiliza en la industria y el comercio para designar los hidróxidos de aluminio.

La referencia a cualquier estado de la técnica en esta especificación no es, ni debe ser tomada como un reconocimiento o cualquier forma de sugerencia de que el estado de la técnica forma parte del conocimiento general común.

Breve descripción de la invención

La presente invención proporciona un separador como se define en las reivindicaciones a 1 a 7 y un método para separar componentes o microorganismos de líquidos como se define en las reivindicaciones 8 a 10 que es de bajo coste y altamente eficaz.

En un primer aspecto, la presente invención proporciona un separador para separar uno o más componentes seleccionados entre material particulado, material hidrofóbico, material no polar, microorganismos o virus de una mezcla de agua y el uno o más componentes o de una mezcla de un líquido polar y el uno o más componentes, comprendiendo el separador un retenedor poroso, caracterizado porque el separador comprende una capa continua de un gel de hidróxido de metal y el retenedor poroso sirve para retener la capa de gel de hidróxido de metal, estando el separador estructurado de tal manera que el líquido debe pasar a través de la capa de gel de hidróxido de metal antes de poder salir del separador para garantizar que todo el filtrado ha pasado a través de la capa de gel de hidróxido de metal, el retenedor poroso está situado a continuación de la capa de gel de hidróxido de metal, y la capa continua de gel de hidróxido de metal retiene uno o más componentes en la capa continua mientras el agua o el líquido polar pasa a través de la capa continua, la capa continua de gel de hidróxido metálico tiene un espesor de 1 micra a un 1 metro, y el gel de hidróxido metálico se selecciona entre uno o más de los siguientes: hidrato de aluminio, hidrato de magnesio, hidrato de zinc, hidrato de manganeso, hidrato de cobalto e hidrato de níquel.

En un segundo aspecto, la presente invención proporciona un método para separar uno o más componentes seleccionados entre material particulado, material hidrofóbico, microorganismos o virus de una mezcla de agua y el uno o más componentes o de una mezcla de un líquido polar y el uno o más componentes, el método comprende alimentar la mezcla a un separador como el que se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 y, hacer que el agua o el líquido polar de la mezcla pase a través de la capa continua de gel de hidróxido de metal mientras que los uno o más componentes se retienen en la capa continua de gel de hidróxido de metal, donde el gel de hidróxido de metal se selecciona entre uno o más de hidróxido de aluminio, hidróxido de magnesio, hidróxido de zinc, hidróxido de manganeso, hidróxido de cobalto e hidróxido de níquel.

En una realización, el gel de hidróxido metálico comprende hidrato de hidróxido de aluminio. En otras realizaciones, el gel de hidrato de hidróxido metálico puede seleccionarse entre uno o más de los hidratos de hidróxido de magnesio, hidróxido de zinc, hidróxido de manganeso, hidróxido de cobalto e hidróxido de níquel. En algunas realizaciones, el hidróxido de metal se prepara generando el hidróxido de metal en agua o en una solución acuosa para formar así el hidróxido de metal. Los presentes inventores han encontrado que la generación del hidróxido de metal in-situ da como resultado una separación muy efectiva.

En algunas realizaciones, el hidrato de hidróxido de metal se prepara mezclando dos o más reactivos juntos para formar así el hidrato de hidróxido de metal. En algunas realizaciones, el hidrato de hidróxido de metal se prepara mezclando dos o más soluciones de reacción juntas para formar así el hidrato de hidróxido de metal.

En otras realizaciones, el hidróxido metálico se forma por electrólisis.

El separador de la presente invención se define en las reivindicaciones 1 a 7 y comprende una capa de gel de hidróxido de metal. La capa de gel de hidróxido de metal está retenida por un retenedor poroso. El retenedor poroso actúa para retener la capa de hidrato de hidróxido de metal al tiempo que permite el paso de líquido. El retenedor poroso puede ser una tela, un material tejido, un material foraminado, un material sólido con uno o más agujeros o poros, un material cerámico poroso o similar. Los únicos requisitos para el retenedor poroso son que (a) no reaccione negativamente con el hidrato de hidróxido de metal; (b) no reaccione negativamente con el agua o las soluciones acuosas o el líquido polar de la mezcla; y (c) los poros no sean tan grandes que el hidrato de hidróxido de metal pueda pasar a través de ellos. El retenedor poroso está situado corriente abajo de la capa de hidrato de hidróxido metálico (a lo largo de esta especificación, los términos "corriente abajo" y "corriente arriba" deben determinarse de acuerdo con la dirección normal del flujo del líquido durante su uso).

En una realización, el retenedor poroso puede comprender un tejido geotextil.

En algunas realizaciones, el separador puede comprender una entrada a través de la cual la mezcla puede entrar en el separador y una salida a través de la cual el agua o el líquido polar que ha pasado a través de la capa del hidróxido puede salir del separador.

Se apreciará que el separador estará estructurado de tal manera que el líquido debe pasar a través de la capa de gel de hidróxido de metal antes de que pueda salir del separador. De esta manera, sólo el líquido que ha pasado a través de la capa de gel de hidróxido de metal puede salir del separador. De esta manera, los componentes que no pueden pasar a través de la capa de gel de hidróxido de metal no pueden salir del separador con el agua o el líquido polar que ha pasado por el separador, asegurando así la separación del agua o del líquido polar de uno o más componentes.

Los presentes inventores han descubierto sorprendentemente que una capa de gel de hidróxido metálico es muy eficaz para separar uno o más componentes del agua o de un líquido polar. Sin embargo, el separador no separa los materiales disueltos que están en el agua o en el líquido polar del agua o del líquido polar. Se ha encontrado que los materiales disueltos pasan a través del separador con el agua del líquido polar. Por ejemplo, si la mezcla comprende una solución salina mezclada con uno o más componentes, la sal disuelta pasará a través del separador con el agua donde la sal está disuelta.

En algunas realizaciones, la mezcla comprende una mezcla de una solución acuosa y el uno o más componentes. En algunas realizaciones, se coloca un retenedor por encima o corriente arriba de la capa de hidróxido metálico. El retenedor puede comprender una tela, un material tejido, un material foraminado, un material sólido que tenga uno o más agujeros o poros en él, un material cerámico poroso, un material de malla o similares. El retenedor corriente arriba o en la parte superior de la capa de hidróxido de metal puede evitar la interrupción de la capa durante la adición de la mezcla en la parte superior de la capa. El retenedor corriente arriba también puede utilizarse para proporcionar una capa separada que separe el material retenido de la capa de hidróxido de metal. Esto puede permitir una fácil extracción de los componentes retenidos de la capa de hidróxido de metal en circunstancias en las que es deseable recuperar el material retenido (por ejemplo, si el separador se utiliza para separar componentes valiosos de la mezcla). En otras realizaciones, el retenedor corriente arriba puede permitir que el separador se lave a contracorriente sin que se pierda la capa de hidróxido de metal durante la etapa de lavado a contracorriente. En otra realización, la capa de hidróxido de metal, al situarse entre dos retenedores, puede voltearse o invertirse para permitir un mayor flujo de filtrado a través de ella para limpiar el material acumulado. En la presente invención, la capa de hidróxido de metal está en forma de una capa de gel de hidróxido de metal.

El gel de hidróxido de metal puede comprender un gel grueso o un gel fino.

La capa continua de gel de hidróxido metálico tiene un espesor de 1 micra a 1 metro. Los presentes inventores han demostrado que la capa de hidrato de hidróxido de metal puede ser tan fina como 1 micra y seguir produciendo buenos resultados. La capa de gel de hidróxido de metal puede tener un espesor de 1 micra a 50 cm, 0 de 1 micra a 30 cm, o de 1 micra a 10 cm, o de 1 micra a 5 cm, o de 1 micra a 10 mm, o de 1 micra a 5 mm, o de 1 micra a 1 mm. Los presentes inventores han descubierto que la velocidad de flujo del filtrado a través de la capa de gel de hidróxido de metal aumenta a medida que disminuye el espesor de la capa de gel de hidróxido de metal. La capa de hidrato de hidróxido metálico puede tener un espesor mínimo de 5 micras, o 10 micras, o 50 micras, o 100 micras, o 250 micras, o 500 micras o 1mm.

La capa de gel de hidróxido de metal comprende una capa continua de gel de hidróxido de metal. La provisión de dicha capa continua significa que es probable que se evite el cortocircuito, la derivación o la canalización a través de la capa de gel de hidrato de metal, garantizando así que todo el filtrado ha pasado a través de la capa de hidrato de metal.

Sin querer estar limitados por la teoría, los presentes inventores creen que el modo de funcionamiento del separador de la presente invención es muy diferente al funcionamiento de un filtro. Los hidratos de hidróxido metálico y, en particular, los geles de hidróxido metálico comprenden átomos de hidróxido metálico que tienen un número de moléculas de agua atrapadas entre una red de moléculas de hidróxido. Sin embargo, se cree que las moléculas de agua no están fuertemente unidas a las moléculas de hidróxido. Las moléculas de agua son muy pequeñas, con un peso molecular muy bajo de 18 g/mol y un diámetro molecular muy pequeño, de aproximadamente 2,75 Á.

La figura 1 muestra un modelo hipotético de la estructura molecular de un hidrato de hidróxido de aluminio. El hecho de que al secar el hidrato se transforme en una forma cristalizada dura en lugar del polvo de hidróxido metálico apoya aún más esta hipótesis. Las moléculas de hidróxido de aluminio se muestran en el número de referencia "a". Las moléculas de agua ("b" y "c" en la figura 1) son atraídas por las cargas positivas y negativas de las moléculas de hidróxido de aluminio. Por lo tanto, las moléculas de agua no están fuertemente unidas a las moléculas de hidróxido de aluminio y pueden abandonar fácilmente y de forma natural el hidrato de hidróxido de aluminio. Por lo tanto, los presentes inventores creen que el agua puede atravesar fácilmente una capa de hidróxido de aluminio sin necesidad de vacío o presión, mientras que otros contaminantes de tamaño sub- y, nano- o pico-micrónico (como algas, bacterias, hongos, virus, esporas y otros pequeños organismos unicelulares o multicelulares y material particulado) no pueden atravesar la capa de hidróxido de aluminio. La gravedad y/o la presión aplicada a la mezcla líquida ayudan a conducir el agua a través de la mezcla líquida. También se cree que las cargas eléctricas de las moléculas de hidróxido de aluminio son otra fuerza motriz. Las cargas eléctricas de las moléculas de hidróxido de aluminio atraen a las moléculas de agua cerca de la superficie superior de la capa del hidrato de hidróxido de aluminio. A medida que las moléculas de agua se mueven hacia la capa de hidrato, las moléculas de agua de la parte inferior de la capa se ven obligadas a salir por gravedad y/o por la presión de la columna de agua anterior y/o por la subpresión de la parte inferior de la capa y pueden recuperarse. Este ciclo continúa hasta que casi no quedan moléculas de agua en la parte superior de la capa de hidrato de hidróxido metálico. La capa de hidróxido de metal sólo permite que las moléculas de agua y otras moléculas polares atraviesen la capa. Todas las partículas sólidas insolubles son capturadas por la capa, si se encuentran en el rango de los nanómetros o picómetros (o más grandes). Las moléculas líquidas polares o las moléculas polares que se disuelven en agua, como la sal, el azúcar y la clorofila, también atraviesan la capa de hidróxido metálico. Sin embargo, todos los hidrocarburos líquidos no polares que no son solubles en agua (como los aceites, el queroseno y el hexano) y otros compuestos hidrofóbicos (aunque sean parcialmente solubles en agua; como el betacaroteno) no pueden pasar la capa de hidrato y, por lo tanto, quedarán retenidos encima de la capa de hidróxido metálico.

En algunas realizaciones, el número de moléculas de agua asociadas a cada molécula de hidróxido metálico en el hidrato puede variar, porque con el tiempo, el agua puede separarse naturalmente del hidrato o el agua puede entrar en el hidrato. Por ejemplo, el hidrato de hidróxido de aluminio fresco diluido que se ha fabricado a partir de la electrólisis de agua salada contiene casi aproximadamente 300 moléculas de agua por cada molécula de hidróxido de aluminio. Sin embargo, la capa de hidrato se comprimirá cuando se utilice para separar el agua de las mezclas y la capa de hidrato puede convertirse en un material cremoso parecido a un gel, lo que ocurre porque el número de moléculas de agua por cada molécula de hidróxido de aluminio disminuirá. También se cree que las condiciones utilizadas para realizar el hidrato de hidróxido metálico pueden afectar al número de moléculas de agua asociadas a cada molécula de hidróxido metálico.

El hidróxido de metal hidratado está en forma de gel. El gel puede tener un aspecto similar al de una crema fina, como una crema facial fina. Cuando se extiende sobre una superficie (por ejemplo, si se frota entre los dedos), el gel se siente húmedo, similar a una crema fina, pero luego el agua se evapora rápidamente dejando sólo el hidróxido de metal.

En algunas realizaciones, el hidrato de hidróxido metálico puede tener al menos 10 moléculas de agua asociadas a cada molécula de hidróxido metálico. Preferentemente, el hidrato de hidróxido metálico puede tener al menos 16 moléculas de agua asociadas a cada molécula de hidróxido metálico, más preferentemente al menos 20 moléculas de agua asociadas a cada molécula de hidróxido metálico, aún más preferentemente al menos 30 moléculas de agua asociadas a cada molécula de hidróxido, aún más preferentemente de 30 a 400 moléculas de agua asociadas a cada molécula de hidróxido metálico, aún más preferentemente de 37 a 300 moléculas de agua asociadas a cada molécula de hidróxido metálico, o de 37 a 90 moléculas de agua asociadas a cada molécula de hidróxido metálico.

Otras características de las realizaciones de la presente invención se describirán con referencia a las siguientes figuras y ejemplos.

Breve descripción de las figuras

La figura 1 muestra un modelo hipotético de la estructura molecular de un hidróxido de aluminio;

La figura 2 muestra una fotografía del sistema de separación utilizado en el ejemplo 2;

La figura 3 muestra fotografías de pruebas de crecimiento bacteriano y fúngico, con la figura 3a mostrando las pruebas de crecimiento bacteriano realizadas en el agua del río Brisbane, la figura 3b mostrando las pruebas de crecimiento bacteriano realizadas en el filtrado recuperado del agua del río Brisbane que ha pasado por una capa de hidrato de hidróxido de aluminio, la figura 3c mostrando las pruebas de crecimiento fúngico realizadas en el agua del río Brisbane y la figura 3d mostrando las pruebas de crecimiento fúngico realizadas en el filtrado recuperado del agua del río Brisbane que ha pasado por una capa de hidróxido de aluminio;

La figura 4 muestra un gráfico de la variación de la altura del agua y de la tasa de variación de la altura del agua en función del tiempo para el experimento expuesto en el ejemplo 4;

La figura 5 es una fotografía que muestra la capa de gel de hidróxido de aluminio y la capa de sólidos separados en la parte superior del gel tras la filtración del agua del río Brisbane a través del gel;

La figura 6 muestra una vista en perspectiva de un posible diseño de una planta de tratamiento de agua que incorpora tecnología de separación de acuerdo con una realización de la presente invención;

La figura 7 muestra una vista lateral de la planta de tratamiento de agua mostrada en la figura 6;

La figura 8 muestra los resultados de la PCR obtenidos en el ejemplo 5;

La figura 9 muestra una fotografía tomada al final de la ejecución experimental del ejemplo 7;

La figura 10 muestra una fotografía tomada al final del proceso de filtración en el que la leche pasa a través de una capa de hidróxido de aluminio;

La figura 11 muestra la separación del betacaroteno y los sólidos del zumo de zanahoria utilizando la filtración de hidratos de acuerdo con una realización de la presente invención;

La figura 12 muestra la separación de los pigmentos del zumo de granada utilizando la filtración de hidratos de acuerdo con una realización de la presente invención;

La figura 13 muestra los pigmentos rojos de licopeno del zumo de tomate separados del agua utilizando la tecnología de filtración de hidratos de acuerdo con una realización de la presente invención;

La figura 14 muestra el zumo de menta extraído y filtrado mediante la tecnología de filtración de hidratos de acuerdo con una realización de la presente invención, con el mentol y los pigmentos recogidos en la parte superior del gel;

La figura 14a muestra una fotografía del café concentrado que se recuperó de la parte superior de la capa de hidróxido metálico tras la filtración del café sin presión aplicada;

La figura 14B muestra una fotografía del café concentrado que se ha acumulado sobre la capa de hidróxido metálico tras la filtración a presión del café;

La figura 15 muestra una fotografía de las células de algas retenidas sobre el gel de hidrato tras la separación de las células de algas;

La figura 15A muestra una fotografía del aceite teñido de rojo Nilo que se recogió sobre un filtro de hidróxido de aluminio de una emulsión de aceite en agua;

La figura 16 muestra una fotografía de una vista lateral del gel hidratante tras la eliminación de las células del alga Scenedesmus;

La figura 17 muestra un injerto de flujo de filtrado frente a la presión para un experimento que utiliza un separador de acuerdo con una realización de la presente invención;

La figura 18 muestra un gráfico de la evaporación natural no forzada de diferentes hidróxidos metálicos;

La figura 19A muestra un gráfico del volumen de filtrado en función del tiempo para la filtración del agua del río Brisbane utilizando una presión aplicada de 40 psig (275,8 kpag) y un espesor de hidrato de 1 mm;

La figura 19B muestra un gráfico del flujo de filtrado en función del tiempo para la filtración del agua del río Brisbane utilizando una presión aplicada de 40 psig (275,8 kpag) y un espesor de hidrato de 1 mm;

La figura 19C muestra un gráfico del volumen de filtrado frente al tiempo para la filtración del agua del río Brisbane utilizando una presión aplicada de 40 psig (275,8 kpag) y un espesor de hidrato de 10 mm;

La Figura 19D muestra un gráfico del flujo de filtrado frente al tiempo para la filtración del agua del río Brisbane utilizando una presión aplicada de 40 psig (275,8 kpag) y un espesor de hidrato de 10 mm;

La figura 20A muestra una vista de la sección inferior de una unidad de filtración utilizada en una realización de la presente invención;

La figura 20B es una vista que muestra la sección inferior mostrada en la figura 20A con un disco de titanio sinterizado sellado en el recipiente separador;

La figura 20C es una fotografía que muestra una capa muy fina de hidrato de espesor inferior a las 500 micras formada en el disco de titanio sinterizado;

La figura 20D es una fotografía que muestra los poros del disco de titanio sinterizado bajo un microscopio (aumento X100);

La figura 20E es una fotografía que muestra el retentado obtenido al filtrar el zumo de zanahoria a través del separador mostrado en las figuras 20A a 20D con una capa de hidrato de espesor inferior a las 500 micras;

La figura 21 muestra una vista de las partes separadas de la botella que pueden utilizarse para hacer un dispositivo adecuado para generar agua higienizada para su uso en situaciones de emergencia;

La figura 22 muestra las partes de la botella de la figura 17 conectadas entre sí para su uso normal;

La figura 23 muestra la botella de la figura 18 en la que se han desenroscado las porciones superior e inferior, se ha invertido la porción superior y se ha conectado a la porción inferior para poder filtrar el agua y recoger un filtrado limpio en la porción inferior de la botella;

La figura 24 muestra una vista más detallada de la parte superior de la botella mostrada en la figura 17 con el tapón retirado;

La figura 25 muestra detalles de un tapón que tiene un gel de hidróxido de metal sellado debajo de un sello extraíble;

La figura 26 muestra una vista lateral de una unidad de filtrado de acuerdo con cualquier realización de la presente invención;

La figura 27 muestra un diseño básico de un separador basado en hidratos de acuerdo con una realización de la presente invención;

La figura 28 muestra una vista esquemática de un diseño de separador alternativo de acuerdo con una realización de la presente invención;

La figura 29 muestra una vista esquemática de otro diseño de separador de acuerdo con una realización de la presente invención; y

La figura 30 muestra una vista esquemática de otro diseño de separador de acuerdo con una realización de la presente invención.

Ejemplos

En los siguientes ejemplos, el hidróxido de metal se produjo in situ generando el hidróxido de metal en agua o en una solución acuosa. El hidrato de hidróxido metálico estaba en forma de gel. En los siguientes ejemplos, los términos "gel de hidrato", "gel" y otros similares se utilizan indistintamente con el término "hidrato de hidróxido metálico". Todos los usos de estos términos en la siguiente descripción de las muestras se entenderán como una referencia a la capa de hidróxido de metal que se utiliza para separar los componentes de la mezcla. Del mismo modo, los términos "filtración", "sistema de filtración de hidrato", "sistema de gel", "filtración de gel" y "sistema de filtración de gel" (y términos similares como "filtro" y "separación") se utilizan para referirse a tener o hacer que el agua o los líquidos polares o las soluciones acuosas pasen a través de la capa de hidrato de hidróxido metálico mientras que otros componentes, como el material particulado, las algas, las bacterias, los hongos, los virus, los líquidos no polares o hidrofóbicos y los sólidos son retenidos por la capa de hidróxido metálico.

Ejemplo 1: preparación de hidróxido de aluminio hidratado

El hidróxido de aluminio es un compuesto inorgánico, no tóxico, insoluble en agua y con un peso molecular de 78. Más de 100 millones de toneladas de hidróxido de aluminio se producen cada año y más del 90% se convierte en óxido de aluminio para su uso en la fabricación de aluminio metal (la mayor parte de ese hidróxido de aluminio que se calcina para formar óxido de aluminio y posteriormente se convierte en aluminio metal se hace mediante el proceso Bayer). El hidróxido de aluminio se utiliza como materia prima para la fabricación de otros compuestos de aluminio, como alúmina calcinada, sulfato de aluminio, cloruro de polialuminio, cloruro de aluminio, zeolitas, aluminato de sodio, alúmina activada y nitrato de aluminio.

El hidróxido de aluminio puede fabricarse mediante la electrólisis de agua salina (que tiene una salinidad normalmente en el rango de 30 a 70 partes por mil, PPT) utilizando electrodos de aluminio y corriente continua. Puede utilizarse una corriente continua de 3 hasta 12 V (preferiblemente 9 V) y una corriente de 1 amperios. Se apreciará que se puede utilizar una amplia gama de condiciones.

El hidróxido de aluminio también puede producirse mezclando soluciones de sulfato de aluminio (una sal que se utiliza para reducir el pH del suelo en jardinería y también como antiácido para las quemaduras del corazón) y de bicarbonato de sodio (bicarbonato de sodio). Tanto el sulfato de aluminio como el bicarbonato de sodio son productos químicos de muy bajo coste y notablemente no tóxicos. Se producirá la siguiente reacción:

Al2(SO2)3 6NaHCO3 — ► 3Na2SO4 2Al(OH)3 6CO²(1) Al formarse el hidróxido de aluminio en una solución acuosa, el hidróxido de aluminio se formará rápidamente. Dependiendo de la molaridad (concentración) de la solución de sulfato de aluminio y de la solución de bicarbonato de sodio utilizada para formar el hidróxido de aluminio, se pueden hacer hidratos de diferentes fórmulas, concentraciones y espesores para diferentes aplicaciones. Por ejemplo, a 20 °C, la solubilidad del sulfato de aluminio y del bicarbonato de sodio en 100 mL de agua son 36,4 g y 1,6 g, respectivamente. Por lo tanto, a 20 °C, para hacer una mezcla estequiométrica para usar en la ecuación (1) y usando soluciones saturadas, se mezclan 36,4 g de sulfato de aluminio en 100 mL de agua y 53,76 g de bicarbonato de sodio en 560 mL de agua. Al añadir la solución de sulfato de aluminio a la de bicarbonato de sodio se formará una mezcla estequiométrica de reacción y no quedará ningún exceso de sulfato de aluminio ni de bicarbonato de sodio en la solución al final de la reacción. También es posible hacer un hidrato de hidróxido de aluminio más grueso o más denso mezclando los reactivos en agua a altas temperaturas. Por ejemplo, a 100 °C, la solubilidad del sulfato de aluminio y del bicarbonato de sodio en 100 mL de agua aumenta a 89 g y 23,6 g, respectivamente. Por lo tanto, a 100 °C, para hacer una mezcla estequiométrica para usar en la ecuación (1), se mezclan 89 g de sulfato de amonio en 100 mL de agua caliente y 130,98 g de bicarbonato de sodio en 555 mL de agua caliente (el agua caliente está a casi 100 °C). Si se mezclan estas soluciones, se forma un hidrato de hidróxido de aluminio más espeso. Este hidrato de hidróxido de aluminio está más comprimido y tiene menos moléculas de agua por cada molécula de hidróxido de aluminio en comparación con un hidrato hecho a 20°C. La relación entre el hidróxido de aluminio y las moléculas de agua es mayor y, por lo tanto, las cargas eléctricas del hidróxido de aluminio sobre cada molécula de agua son mayores y la retención de las moléculas de agua es más fuerte que en el hidrato de hidróxido de aluminio que se hace a 20 °C. También puede ser posible mezclar los ingredientes en un reactor calentado a presión para aumentar la solubilidad de los ingredientes y hacer un hidrato de hidróxido metálico muy denso y altamente cargado.

Los experimentos realizados por los presentes inventores han hecho hidróxido de aluminio mezclando soluciones de sulfato de aluminio con bicarbonato de sodio a 20 °C y 100 °C. El hidróxido de aluminio producido a 20°C (temperatura ambiente) tiene una fórmula de aproximadamente Al(OH)3 x 90 H²O (es decir, unas 90 moléculas de agua por cada molécula de hidróxido de aluminio). El hidrato de hidróxido de aluminio producido a 100 °C tiene una fórmula de aproximadamente Al(OH)3 x 37 H²O (es decir, unas 37 moléculas de agua por cada molécula de hidróxido de aluminio). En este experimento, el número de moléculas de agua y de hidróxido de aluminio de las diferentes fórmulas de hidrato se determinó pesando diferentes muestras antes y después de la liofilización. El hidrato de hidróxido de aluminio tiene el aspecto de una crema hidratante muy ligera y es similar al kheer frío en su estado físico. Cuando se toca, se siente como si se tocara el agua.

En los siguientes ejemplos, los términos "hidrato normal" o "gel normal" se utilizan para referirse a un hidrato que se forma a 20°C. Los términos "hidrato más grueso" o "gel más grueso" se utilizan para referirse a un hidrato que se forma a cerca de 100°C.

Ejemplo 2: Purificación de agua

Una de cada seis personas en el mundo no tiene acceso a agua limpia. 3.4 millones de personas mueren cada año por enfermedades relacionadas con el agua, sobre todo en los países en desarrollo. Las tecnologías actuales de purificación del agua incluyen la coagulación y la floculación, seguidas de la flotación por aire disuelto y la filtración por arena, la desinfección por cloro y el espesamiento de los lodos. Estas tecnologías convencionales producen agua potable de alta calidad, pero son caras tanto en costes de capital como en costes de funcionamiento. Es conveniente desarrollar procesos de tratamiento del agua más baratos y sencillos para producir agua potable.

Se preparó un hidrato de hidróxido de aluminio utilizando soluciones de sulfato de aluminio y bicarbonato de sodio. El hidrato de hidróxido de aluminio se retuvo en un tejido geotextil poroso. Se colocó una carcasa de vidrio con la parte superior y el fondo abiertos, de forma que el tejido geotextil se extendiera por el fondo abierto. De este modo, la capa de hidrato de hidróxido de aluminio se situó en el fondo de la carcasa de vidrio. Debajo de la tela geotextil se colocó un vaso de precipitados para recoger el líquido que pasaba a través de la capa de hidróxido de aluminio.

El agua se tomó del río Brisbane. El agua del río Brisbane es muy turbia y contiene cantidades significativas de sólidos en suspensión y sólidos coloidales. Se vertió una muestra de agua del río Brisbane en la carcasa de vidrio y el agua pasó a través de la capa de hidróxido de aluminio. Esta agua se recogió en el vaso de recogida. El agua recogida se denominará "filtrado". El filtrado tenía una densidad óptica medida (a 450 nm) de 0,000, es la misma que la del agua destilada. Esto significa que, efectivamente, casi todos los sólidos en suspensión y las partículas finas han quedado atrapados sobre la capa de hidróxido de aluminio. El tejido geotextil que se utilizó para soportar la capa de hidrato de hidróxido de aluminio tenía un tamaño de poro de 90 micras (geotextil no tejido de polipropileno 260 gsm) y se trata de un tejido geotextil muy barato. Sin embargo, también se pueden utilizar otros medios o tejidos, en función de los caudales de diseño de la aplicación específica y de la resistencia requerida del medio de retención, para soportar la capa de hidrato.

Ejemplo 3: pruebas de bacterias y hongos en el filtrado

Se realizaron varias pruebas de crecimiento de bacterias y hongos en el agua filtrada recuperada del tratamiento del agua del río Brisbane de acuerdo con el método descrito en el ejemplo 2. Estas pruebas mostraron que todas las bacterias y hongos del agua del río Brisbane fueron capturados por la capa de hidrato de hidróxido de aluminio. Para evaluar la posibilidad de utilizar este proceso para la purificación de agua potable a gran escala, también se realizaron pruebas en tuberías con el agua del río Brisbane.

Para evaluar la forma en que este sistema de separación captura las bacterias y los hongos, se realizaron varias pruebas de bacterias LB y hongos PDA utilizando diferentes fórmulas de hidrato. El LB de Lennox es un medio de crecimiento microbiano altamente referenciado utilizado para el cultivo de E. coli y bacterias. Este caldo microbiano rico en nutrientes contiene péptidos, aminoácidos, vitaminas hidrosolubles y carbohidratos en una formulación baja en sal. La adición de agar proporciona un medio sólido para el crecimiento microbiano. El medio LB se elaboró mezclando 10 g de triptona, 5 g de extracto de levadura, 15 g de agar y 10 g de NaCl en 950 mL de agua desionizada. La solución se esterilizó en autoclave durante 20 minutos a 103,4 kPa (15 psi), 121 °C y, después de enfriarse a 55 °C, se vertió en petrificadores, y se almacenó en un cuarto frío y oscuro a 4 °C. Para medir el crecimiento de los hongos en el filtrado, se utilizó el medio Agar de Dextrosa de Patata (PDA). El PDA es el medio más utilizado para el cultivo de hongos. El medio PDA se preparó añadiendo 4 g de extracto de patata (200 g de infusión de patata), 20 g de Dextrosa y 15 g de Agar a L1 de agua purificada. La solución se esterilizó en autoclave a 121 °C y, después de enfriarse a 55 °C, se vertió en petrificadores y se almacenó en una cámara fría y oscura a 4 °C.

El hidróxido de aluminio se hizo por electrólisis de agua salina con una concentración de PPT70 (70 g de NaCl resueltos en L1 de agua destilada) utilizando electrodos de aluminio (o al menos un ánodo de aluminio). Durante la electrólisis se utilizó una corriente continua de 9 V y 1 amperio. También se preparó hidrato de hidróxido de aluminio mezclando soluciones saturadas de sulfato de aluminio y bicarbonato de sodio hechas a temperatura ambiente (20 °C). Se mezcló 36,4 g de sulfato de aluminio en 100 mL de agua destilada y 53,76 g de bicarbonato de sodio en 560 mL de agua destilada. La solución de sulfato de aluminio se añadió gradualmente a la solución de bicarbonato de sodio. Las soluciones mezcladas se dejaron durante unas 2 horas para permitir que todas las moléculas de CO2 se separaran. La solución de gel a base de reacción se añadió sobre un tejido geotextil y se lavó con agua destilada para eliminar el sulfato de aluminio que no había reaccionado. Se utilizó la misma cantidad de 20 mL de hidróxido de aluminio basado en la electrólisis y de hidróxido de aluminio basado en la reacción para cada experimento. El equipo de filtración simple utilizado para las pruebas se muestra en la figura 2. Se fijó un geotextil no tejido de 90 micras en el fondo de un recipiente redondo de plástico con un diámetro de 76 mm.

El agua turbia del río Brisbane se recogió del río Brisbane, cerca de la Universidad de Queensland. Todo el equipo de filtración fue esterilizado en autoclave y enfriado antes de las pruebas. Para evitar la contaminación cruzada, todas las pruebas se realizaron bajo flujo laminar. Se añadió una capa de hidróxido de aluminio sobre el tejido geotextil y el agua del río Brisbane sobre el gel de hidrato. Los primeros 50 mL del filtrado no se recogieron para permitir la eliminación de las moléculas de agua que ya estaban presentes en el hidrato. Se añadió el mismo volumen (100 microlitros) de agua del río Brisbane antes de la filtración y después de la filtración a cada una de las placas LB y PDA. Las placas LB se pusieron en una incubadora durante 24 horas y las placas PDA se envolvieron con papel de aluminio y se dejaron en una habitación durante una semana.

Todos los resultados de las pruebas mostraron que no había crecimiento bacteriano ni fúngico en el agua filtrada. Por lo tanto, el filtrado fue completamente saneado por la capa de hidróxido de aluminio. La figura 3 muestra los resultados de las pruebas de bacterias LB y hongos PDA en el agua del río Brisbane antes y después de la filtración por el hidrato de hidróxido de aluminio hecho por electrólisis. Al cabo de 24 horas, se observó el crecimiento de cientos de colonias bacterianas a partir del agua antes de la filtración (figura 3a), pero no hubo crecimiento de colonias bacterianas a partir del filtrado (figura 3b). Se observaron resultados similares en las placas de prueba de hongos PDA después de una semana. El agua del río Brisbane presentaba un cierto crecimiento de hongos antes de la filtración (figura 3c), pero no se produjo ningún crecimiento de hongos en el filtrado (figura 3d) y todos los hongos fueron atrapados también por este sistema. Por lo tanto, todos los sólidos en suspensión y las bacterias y hongos del agua del río Brisbane fueron capturados y no se observaron colonias bacterianas ni crecimiento de hongos en todas las pruebas después de la filtración con hidróxido de aluminio. Por lo tanto, el agua se consideró completamente esterilizada al pasar por la capa homogénea de hidróxido de aluminio.

Se realizaron pruebas similares haciendo pasar el agua del río Brisbane a través de una capa de hidróxido de aluminio hecha por reacción entre soluciones de sulfato de aluminio y bicarbonato de sodio. Se obtuvieron resultados similares, sin que se observaran signos de crecimiento bacteriano o fúngico en los medios al aplicar el agua filtrada en las petrificaciones.

Se retiró el agua sobrenadante del río Brisbane por encima de la capa de hidróxido de aluminio y se comprobó si las bacterias formaban colonias en placas LB. Esto demuestra que el hidróxido de aluminio no mató a las bacterias. Más bien, como no se detectaron bacterias en el filtrado, la capa de hidróxido de aluminio impide el paso de las bacterias a través de esa capa.

Estas pruebas demuestran que todas las bacterias y los hongos son capturados por la capa de hidróxido de aluminio. El agua que ha pasado por esa capa queda efectivamente esterilizada. Por lo tanto, al hacer pasar el agua del río Brisbane a través de la capa de hidróxido de aluminio no sólo se separan todos los sólidos suspendidos en el agua, sino que también se capturan todos los microorganismos. El filtrado es un agua clara. No debería ser necesario ningún otro tratamiento (como la cloración).

Ejemplo comparativo

Se realizaron varias pruebas de LB y PDA con agua del río Brisbane filtrada a través de un medio filtrante hecho mezclando rápidamente hidróxido de aluminio en polvo y agua a alta temperatura. No se formó un gel. A diferencia del caso en el que la capa de hidróxido de aluminio se formó in situ por electrólisis o reacción, el agua no se esterilizó y todavía había algunas bacterias cultivables en el filtrado.

Ejemplo 4 - efecto de la presión de la columna de agua en la filtración de gel de hidrato (cálculos a gran escala (prueba de tuberías))

Para este experimento se utilizó una tubería de PVC a escala con un tubo transparente instalado en paralelo para medir la altura de la columna de agua. La tubería tenía una altura de 150 cm y un área de sección transversal de 0,00567 m2 (56,7 cm2). Se utilizó un geotextil no tejido de polipropileno 260 gsm de 90 micras como medio filtrante de soporte para la capa de hidrato. Se registró el tiempo por cada 10 cm de disminución de la altura de la columna de agua. También se midió la densidad óptica (DO por sus siglas en inglés) del filtrado a lo largo del tiempo. Se realizaron varias pruebas con diferentes fórmulas y diferentes espesores de la capa de hidrato y diferentes alturas y diferentes turbideces del agua del río.

Para este experimento se utilizaron 200 mL de gel de hidrato (tanto de electrólisis como de reacción) que habían sido almacenados durante más de 6 meses (para demostrar que no se degradan con el tiempo). El cambio de la altura del agua y la tasa de cambio de la altura del agua a lo largo del tiempo se muestran en la figura 4. También se calculó la tasa de flujo y el flujo de cada sección. Estos datos pueden utilizarse para los cálculos de ampliación. Las muestras de agua del río Brisbane se utilizaron para las pruebas con diferentes turbiedades. La DO del agua del río varió desde el agua menos turbia (OD 450 nm 0,120) hasta la más turbia (OD 450 nm 0,550). Independientemente de la turbidez del agua del río y de la altura de la columna de agua, el agua filtrada fue siempre clara con la OD a 450 nm de 0,000. Los resultados satisfactorios también demuestran que el gel no se degradará durante un largo período de tiempo y que funciona siempre que esté en el agua en estado húmedo, y no seco.

Después de utilizar la capa de gel para filtrar las 10 muestras, aunque el caudal disminuyó un poco debido a la acumulación de sólidos en suspensión en el gel, no se produjo ningún cegamiento y el sistema de separación siguió funcionando. Todos los sólidos en suspensión, como pequeñas partículas de tierra o madera y limos, se recogieron y comprimieron sobre el gel y formaron una pasta marrón espesa (véase la figura 5). En la figura 5, la capa blanca comprende la capa de gel de hidrato de aluminio y la capa marrón de la parte superior comprende los sólidos en suspensión y el material particulado que se ha eliminado del agua del río. Las plantas de tratamiento de aguas disponen de unidades de espesamiento de lodos para deshidratarlos y facilitar su transporte. Este lodo espeso deshidratado también demuestra que, utilizando este proceso, puede no ser necesaria ninguna unidad de espesamiento de lodos para futuras plantas de tratamiento de agua a gran escala basadas en la presente invención. Las plantas comerciales de tratamiento de aguas pueden utilizar una capa gruesa de hidróxido metálico, por ejemplo, de un 1 metro de espesor, o incluso más. Esta capa puede limpiarse recogiendo o raspando el material acumulado en la parte superior de la capa. Las capas gruesas de hidróxido metálico también pueden utilizarse en otras aplicaciones.

La figura 4 muestra que incluso con una capa de gel de hidrato gruesa (5 cm de profundidad), el caudal de filtrado es razonablemente rápido. A medida que aumenta la altura de la columna de agua, aumenta la presión y el caudal de filtrado. Con el tiempo, el caudal disminuye debido a la disminución de la altura de la columna y a la reducción de la presión resultante de la cabeza de agua. La altura media de la columna disminuida por hora fue de 13 cm. Con esta tecnología se pueden purificar aproximadamente 3136L/(d.m2) de agua de río sin ningún aporte de energía. Por lo tanto, esta tecnología puede utilizarse fácilmente como proceso de purificación y desinfección del agua en un solo paso para varios tamaños de aplicación. Esta tecnología puede aplicarse para el tratamiento de agua a pequeña escala en zonas rurales y remotas. Esta tecnología también puede utilizarse para el tratamiento de agua municipal a gran escala. Esta tecnología puede simplificar los procesos convencionales de tratamiento de agua, excesivamente complicados y costosos, en un simple proceso de un solo paso. En lugar de las complejas plantas de tratamiento de agua actuales, se puede utilizar un sencillo tanque de sedimentación o compartimentos similares (como una torre en forma de embudo con menos superficie para facilitar el funcionamiento y reducir el consumo de gel).

Para la purificación del agua mediante la filtración de hidratos de acuerdo con la presente invención, se puede utilizar una variedad de formas diferentes que varían desde un simple cubo hasta equipos de filtración más complicados que utilizan filtros de vacío o de tambor rotativo. Por ejemplo, un simple cubo puede resolver el problema del agua potable de una familia numerosa en los países en desarrollo. El gel de hidrato puede mantenerse entre dos tipos de tejidos o medios filtrantes. Un tejido inferior de tamaño de poro pequeño retiene el gel y un tejido superior de tamaño de poro más alto (para evitar la obstrucción y el cegamiento) retiene los sólidos en suspensión y los contaminantes y evita la rotura de la capa de gel durante el llenado. Un anillo cortado de otro cubo similar puede mantener el tejido superior ajustado en el sistema.

Utilizando esta tecnología, es posible simplificar varias etapas de tratamiento del agua en una sola etapa. En la figura 6 se muestra un diseño conceptual simple, similar a los clarificadores de sedimentación convencionales de las plantas de tratamiento de agua. A medida que aumenta la altura del agua, también aumenta el caudal y, por lo tanto, se necesita menos superficie del gel de hidrato. Es posible colocar un tanque de sedimentación por separado antes de la unidad de filtración de gel de hidrato para separar las partículas de tierra, limos y partículas sólidas similares que se depositan de forma natural. Sin embargo, también es posible encapsular todas las etapas en una sola, como se muestra en la figura 6. La sección central 13 es la de filtración del gel de hidrato. El tratamiento del agua puede realizarse de forma continua o en ciclos diarios por lotes. En primer lugar, el gel de hidrato se bombea a la sección central mediante una tubería 12. A continuación, el agua se bombea mediante tuberías 11. Algunos sólidos se sedimentan con el tiempo. Debido a la pendiente de este clarificador de sedimentación o utilizando rasquetas convencionales 15 (que recogen los lodos sedimentados en movimientos circulares) los sólidos sedimentables se eliminan a través de una tubería de lodos Un sistema de rasquetas 14 similar puede recoger los sólidos en suspensión que se acumulan en la parte superior de la sección de filtración de hidratos. En la figura 6 se muestra un alzado lateral de la planta de tratamiento de agua de la figura 7.

Se pueden construir diferentes tamaños de este sencillo sistema de purificación de agua con diferentes sistemas por lotes, semicontinuos o continuos basados en la tecnología de filtración de hidratos. También se pueden diseñar diferentes sistemas de eliminación de sólidos sedimentados (por ejemplo, de forma continua o periódica, o manual, o colocando un tejido o medio similar sobre el gel). También se pueden diseñar plantas de tratamiento de agua de diferentes tamaños, desde cientos de miles de litros hasta millones de litros. Por ejemplo, para una filtración diaria natural (sin aspiración y/o presión) de alrededor de 314 millones de litros (que puede ser suficiente para el consumo diario de una ciudad), se puede diseñar un tanque de sedimentación de 200 m de diámetro y una altura de 10 m. También puede utilizarse en combinación con los sistemas convencionales de tratamiento de agua. Puede añadirse como etapa final de saneamiento y clarificación para eliminar los restos de sólidos en suspensión y las bacterias, virus y patógenos del agua. Dado que algunos patógenos son resistentes al cloro, el producto final de la desinfección mediante esta tecnología puede ser más seguro para el consumo en comparación con el agua desinfectada con cloro.

Ejemplo 5: captura de virus por filtración de hidratos

La mitad de las camas de hospital ocupadas en el mundo se deben a la falta de agua potable. El agua insalubre es la causa del 88% de los casos de diarrea en el mundo y el 90% de las muertes son causadas por enfermedades diarreicas en niños menores de cinco años. Los virus son una de las principales causas de las enfermedades humanas transmitidas por el agua y relacionadas con ella. Las enfermedades transmitidas por el agua son causadas por el agua contaminada por la orina y las heces humanas y animales que contienen microorganismos patógenos. Las personas pueden infectarse por contacto o consumo del agua contaminada. Para el tratamiento de aguas superficiales (agua de lagos, ríos o embalses), los procesos de coagulación, floculación y sedimentación y la filtración convencional eliminan principalmente la suciedad, las partículas más grandes y los sólidos en suspensión. Por eso se utiliza el último paso de la desinfección con cloro. Sin embargo, muchos patógenos transmitidos por el agua son resistentes al cloro y se encuentran regularmente en el agua purificada de las plantas de tratamiento de agua convencionales. Estos patógenos resistentes al cloro incluyen una variedad de virus, parásitos y bacterias que pueden causar hepatitis, gastroenteritis, criptosporidiosis y legionelosis. Por ello, es imprescindible encontrar un proceso de desinfección del agua más eficaz y menos problemático. La filtración por gel de hidrato, que sólo permite el paso de las moléculas de agua, es un nuevo proceso potencial para eliminar los patógenos del agua.

Para ver si el gel de hidrato puede capturar virus, se añadieron bacteriófagos al agua y se realizaron pruebas de reacción en cadena de la polimerasa (PCR por sus siglas en inglés) para amplificar cualquier virus en el filtrado para ver si había algún rastro de virus en el filtrado.

Se añadieron 3 pL de virus del fago ayudante M13K07 (de NEB Biolabs) a 20 mL de agua destilada y se mezclaron y añadieron a la parte superior de un gel de hidrato más grueso (hecho a 100 °C). Basándose en la secuencia de ADN de M13K07, se diseñaron cebadores directos e inversos.

Para estas pruebas se utilizó la PCR de fusión. Se hizo una mezcla maestra mezclando 7,2 pL de agua, 4 pL de tampón 5*HF, 1,6 pL de dNTPs, 22 pL de cebadores directos e inversos y 0,2 pL de enzima polimerasa Phusion (Thermo Scientific). Se añadieron 3 pL de cada muestra a la mezcla maestra y se vertieron en tubos de PCR y se colocaron en una máquina de PCR. El programa de la PCR Phusion fue de 98 °C durante 30 s, seguido de 35 ciclos (98 °C durante 10 s, 65 °C durante 30 s y 72 °C durante 30 s) y 72 °C durante 10 minutos, y 16° C durante un tiempo prolongado.

Después de la PCR, se utilizó la electroforesis en gel para separar el tamaño y analizar el ADN. Para este experimento se utilizó un gel de agarosa grueso (2% p/v) que contenía bromuro de etidio. Se añadieron 4 pL de tinte de carga a cada tubo de PCR. Se añadieron 5 pL de escalera de ADN de rango amplio y 10 pL de cada muestra a los pozos del gel de agarosa. El gel se sometió a la electroforesis en gel de agarosa y se corrió a 100 V durante15 min. Después de la electroforesis, el gel se colocó en una luz ultravioleta para la visualización del ADN. La figura 8 muestra los resultados.

Los resultados de la PCR (Fig. 8) no muestran rastros de ADN del virus en el filtrado, mientras que los controles muestran que el ADN del fago se amplificó fácilmente. La Fig. 8.1 muestra la escalera de ADN de amplio rango. Las Fig.8.2, fig.8.9, fig.8.11 muestran el ADN de fago amplificado en los controles (sin filtración). Otras columnas (fig.8.3, 8.4, 8.5, 8.6, 8.7, 8.8, 8.10) contenían diferentes muestras de filtrado que no muestran rastros de amplificaciones de ADN fago. La figura 8.2 es un control de líquido de filtración (3 pL de solución de fago 20 mL de agua). Se mantuvo en hielo durante el tiempo de filtración y no se utilizó para la filtración. La Fig 8.9 es el mismo control que se mantuvo a temperatura ambiente (25 °C) durante la filtración. La Fig. 8.11 es otro control de fago de mayor concentración realizado añadiendo 3 pL de solución de fago a la mezcla maestra de PCR de Phusion (17 pL).

Estos resultados demuestran que el gel de hidrato homogéneo puede capturar virus. Por lo tanto, la filtración de hidrato no sólo captura bacterias, hongos y microorganismos más grandes, sino que también se capturan pequeños virus de aproximadamente 10 nm (como los bacteriófagos) utilizando esta tecnología. Por lo tanto, se pueden capturar los agentes patógenos, lo que da como resultado un agua filtrada completamente desinfectada y más segura para beber en comparación con los sistemas de tratamiento de agua convencionales. Por lo tanto, esta tecnología puede utilizarse como un nuevo sistema de tratamiento de agua de un solo paso que elimina todos los sólidos en suspensión y los microorganismos patógenos. Este proceso puede utilizarse en lugar de la problemática y tóxica desinfección convencional con cloro.

Ejemplo 6: derrames de petróleo (vertido de crudo de los petroleros al medio ambiente)

Los vertidos de crudo y combustible refinado procedentes de accidentes de buques cisterna han dañado ecosistemas naturales en Alaska, el Golfo de México, las Islas Galápagos, Francia y muchos otros lugares. Por ejemplo, un solo incidente de vertido de petróleo (Ixtoc I) liberó 3 millones de barriles de petróleo en el medio ambiente y afectó 260 kilómetros de playas estadounidenses. Ha causado efectos negativos irreparables a largo plazo en el medio ambiente.

Las tecnologías actuales para resolver este problema, como la biorremediación, la quema controlada, los dispersantes, el desnatado y la centrifugación, no son eficaces. Además, el coste de las tecnologías actuales es muy elevado. Por ejemplo, se gastaron 100 millones de dólares para limpiar un solo accidente, el derrame de petróleo de Ixtoc I, en 1979.

El coste de la tecnología de filtración de hidrocarburos de acuerdo con la presente invención es muy bajo en comparación con las tecnologías convencionales de limpieza de vertidos de petróleo. Puede implementarse en diferentes buques y el agua tratada puede ser bombeada directamente de vuelta al océano mientras que el petróleo separado del agua puede ser recogido en tanques de almacenamiento. También se pueden diseñar buques específicos para este sistema. Los filtros de hidrato pueden romper las emulsiones de aceite y agua, por lo que eliminarán los vertidos de petróleo. Por lo tanto, a diferencia de los procesos de centrifugación, el agua filtrada obtenida mediante la tecnología de la presente invención puede ser bombeada de nuevo al océano. Esta tecnología también recupera el petróleo, lo que supone una gran ventaja en comparación con otras soluciones convencionales como la biorremediación, la quema y los dispersantes. Teniendo en cuenta el aumento del uso y los vertidos de petróleo, el tamaño del mercado potencial de esta tecnología es significativo. También tiene otros beneficios indirectos, tangibles e intangibles, como la protección del medio ambiente, la salvación de preciosas zonas costeras y la protección de las industrias turística, pesquera y alimentaria. Además, miles de refinerías químicas, petroquímicas y petrolíferas de todo el mundo, así como puertos deportivos, pueden utilizar esta tecnología para gestionar sus problemas de vertidos de petróleo.

Para este experimento se utilizó un gel de hidrato más espeso, hecho mezclando soluciones saturadas estequiométricamente de sulfato de aluminio y bicarbonato de sodio a 100 °C. Se añadieron 30 mL de este gel de hidrato a la parte superior de un tejido geotextil poroso y se colocaron en un recipiente con la parte superior y el fondo abiertos. Se mezclaron vigorosamente 50 mL de aceite de motor Shell Helix HX320-50 con agua (50% de aceite 50% de agua) para formar una emulsión parcial de aceite en agua. La mezcla resultante de aceite y agua se añadió sobre el gel de hidrato y se dejó filtrar.

El filtro de gel de hidrato separó la emulsión de aceite en agua y se retuvo una fase de aceite separada en la parte superior del gel. El filtrado era agua clara, sin señales de gotas de aceite. Incluso después de 24 horas desde el final del proceso, ninguna gota de aceite pasó el filtro de hidrato, y todo el aceite quedó retenido en la parte superior del gel. Los resultados también demuestran la teoría de la filtración de hidratos, según la cual sólo pueden pasar las moléculas de agua o las pequeñas moléculas polares y otros líquidos no acuosos no polares, como los aceites y los hidrocarburos, no pueden pasar el filtro de hidratos. Por lo tanto, esta tecnología puede utilizarse para resolver problemas de aguas oleosas y derrames de petróleo en muchas industrias. Por ejemplo, también puede utilizarse en refinerías de petróleo y plantas químicas y petroquímicas para separar el aceite del agua o para separar los aceites polares de los no polares. Se observaron resultados similares al utilizar el gel hidrato normal (hecho a 20°C) y al utilizar otras emulsiones de aceite en agua (por ejemplo, para desengrasar la leche o para separar los cuerpos lipídicos de las microalgas oleaginosas; ejemplos 9 y 12).

Ejemplo 7: separación basada en la polaridad

Los filtros de gel de hidrato de acuerdo con la presente invención no dejan pasar los líquidos no polares que no son solubles en agua. Por lo tanto, como la mayoría de los hidrocarburos líquidos son no polares e insolubles en agua, pueden ser capturados por la filtración de hidratos. Una de las aplicaciones de esta tecnología es eliminar el agua del combustible para aviones (que es queroseno). La eliminación de toda el agua del combustible para aviones no es factible con las tecnologías actuales. El agua en el combustible para reactores es un problema crítico y ha habido varios accidentes, como el accidente del vuelo 38 de British Airways, que, han ocurrido porque el agua en el combustible para reactores se congeló. El sistema de separación de la presente invención puede eliminar las últimas gotas de agua del combustible para aviones. Utilizando esta tecnología, se pueden separar muchos otros líquidos del agua en función de su polaridad relativa.

Para este experimento se utilizó un gel de hidrato más espeso hecho mediante la mezcla de soluciones saturadas estequiométricas de sulfato de aluminio y bicarbonato de sodio (hecho a 100 °C). Se añadieron 30 mL de este gel más espeso a la parte superior del equipo de filtración. El gel de hidrato se apoyó en una tela geotextil. Se añadieron 100 mL de una mezcla de queroseno (que contenía pigmentos azules) y agua (50% de queroseno y 50% de agua que se habían mezclado enérgicamente) a la parte superior del filtro de gel de hidrato. Al final del experimento se recogió agua clara en el fondo sin ningún signo de queroseno, mientras que todo el queroseno se capturó en la parte superior del gel de hidrato. Incluso después de 24 horas no pasó queroseno por el gel de hidrato. La figura 9 muestra una fotografía tomada al final del experimento. En la figura 9 se puede ver agua clara en el fondo y una capa azul de queroseno retenida en la parte superior de la capa de gel de hidrato.

Ejemplo 8 paso de líquidos polares

Para probar que los líquidos polares solubles en agua pasan el gel hidrato, se realizaron otros experimentos utilizando líquidos polares no acuosos. Aunque la clorofila es un compuesto que tiene una región de cola hidrofóbica, también tiene un grupo de cabeza hidrofílico polar y es soluble en agua. Se añadieron100 mL de clorofila a sobre 50 mL de gel de hidrato más grueso (hecho a casi 100 °C). Para esta prueba se utilizó el mismo equipo de filtración empleado en los experimentos anteriores. Las moléculas de clorofila pasaron el gel de hidrato como se esperaba.

El hexano es un líquido hidrocarburo incoloro no polar, por lo que no debería pasar el filtro de hidrato. El hexano se mezcló con agua y se añadió a la parte superior del gel de hidrato. Dado que el hexano se evapora muy rápidamente bajo una campana de humos, la sección superior del equipo de filtración se selló con papel de aluminio, cinta adhesiva y Parafilm. Al igual que en el experimento con queroseno, las moléculas de agua pasaron a través del filtro de hidrato, pero las moléculas de hexano no pudieron pasar el hidrato y quedaron retenidas en la capa de hidrato. El equipo de filtración se dejó durante un largo periodo de tiempo bajo la campana de humos, pero incluso después de una semana ninguna gota de hexano pasó el filtro de hidrato. Se observaron resultados similares utilizando un gel de hidrato de aluminio normal (fabricado a 20 °C).

Estos experimentos también demuestran la nueva teoría de la filtración de hidratos que es la base de esta invención. Por lo tanto, es posible separar diferentes hidrocarburos y productos químicos basándose en su polaridad relativa y sus cargas moleculares. Los componentes no polares que son insolubles en agua, como los hidrocarburos y el queroseno, no pueden pasar el filtro de hidrato, pero los componentes polares solubles en agua, como la clorofila, sí lo harán. Esto puede abrir la posibilidad de construir nuevas refinerías y plantas químicas basadas en estas propiedades del filtro de hidratos utilizando diferentes productos químicos como hidratos líquidos y diferentes fórmulas y espesores de hidratos.

El hecho de que el queroseno y el hexano no pasaran el filtro de gel de hidrato incluso después de un período más largo demuestra que esta tecnología también puede utilizarse para unidades de separación de agua/hidrocarburos, o para almacenamientos de hidrocarburos. Se pueden diseñar almacenamientos específicos de hidrocarburos y colocar el gel de hidrato en el fondo del almacenamiento. Toda el agua debe ser eliminada del fondo del depósito de almacenamiento.

Ejemplo 9: industrias lácteas y de transformación de la leche (fabricación de leche en polvo y proteína de suero como producto secundario)

La mayoría de la gente consume regularmente leche, queso y otros productos lácteos. Cada año se producen más de 20 millones de toneladas de queso. Muchas personas también consumen proteína de suero en todo el mundo. El mercado de la proteína de suero de leche está creciendo rápidamente, donde entre 2005-2008, el valor del mercado aumentó hasta un 24%, alcanzando los $3,800 millones de dólares. La presente invención tiene el potencial de ser utilizada ampliamente en las industrias lácteas. Puede utilizarse para la concentración de la leche antes de fabricar queso y para la fabricación de proteína de suero como subproducto.

La leche en polvo elaborada por evaporación y secado en caliente, como el secado en tambor, tiene un sabor cocido debido a la caramelización causada por la exposición al calor. Muchos nutrientes valiosos de la leche también pueden perderse debido al calentamiento. El suero también puede desnaturalizarse por el calor. El calor elevado (como las altas temperaturas sostenidas por encima de los 72 °C asociadas al proceso de pasteurización) desnaturaliza las proteínas del suero. Por ejemplo, debido al calentamiento durante la pasteurización, pueden perderse algunas vitaminas, minerales y bacterias beneficiosas (o probióticas) (la tiamina y la vitamina B 12 se reducen en un 10% y la vitamina C en un 20%). Los fabricantes de leche en polvo convencionales utilizan evaporadores seguidos de un secado por aspersión en una cámara de calor. La leche se aplica como una fina película sobre la superficie de un tambor calentado, y luego se raspan los sólidos de la leche seca. Este proceso provoca un indeseable sabor a cocido y se pueden perder muchos nutrientes de la leche. La ultrafiltración es una tecnología nueva que se utiliza en las industrias lácteas, pero los elevados costes de capital y de funcionamiento asociados a esta costosa tecnología dificultan su uso generalizado. También tiene unos costes de funcionamiento muy elevados debido a la necesidad de altas presiones. Sin embargo, el uso de la filtración de hidratos de acuerdo con las realizaciones de la presente invención sólo necesita un equipo muy simple y no hay necesidad de altas presiones y entrada de energía. Sólo puede necesitar presiones muy bajas o medias. La presión natural de la columna de líquido puede ser suficiente para producir estas presiones bajas o medias. El queso elaborado mediante procesos tradicionales de fabricación de queso tiene una calidad inferior a la del queso elaborado mediante procesos de ultrafiltración. La liofilización preserva los materiales perecederos de la leche en polvo. Sin embargo, este proceso es muy caro para aplicaciones a gran escala debido al elevado uso de electricidad para los procesos de congelación y vacío y a los elevados costes de equipamiento y mantenimiento.

El producto de leche tratado mediante filtración de hidratos de acuerdo con las realizaciones de la presente invención es una pasta cremosa muy espesa que puede secarse fácilmente mediante un simple secado natural con aire forzado sin calefacción o mediante secado solar. Por lo tanto, la leche en polvo producida por la filtración de hidratos no tiene un desagradable sabor a cocido como las leches en polvo convencionales que están actualmente disponibles en el mercado. Los productos lácteos elaborados mediante este proceso y la ultrafiltración tienen una mejor calidad sanitaria que los procesos convencionales porque mantienen los componentes sensibles al calor en el producto. La tecnología de ultrafiltración hace productos de alta calidad similares a la filtración de hidratos. Sin embargo, la tecnología de ultrafiltración es muy costosa y no puede implementarse en pequeñas fábricas y granjas remotas, mientras que un sistema sencillo de filtración de hidratos de acuerdo con la presente invención puede implementarse a muy bajo coste en cualquier lugar sin necesidad de equipos costosos.

En este experimento, se utilizó un gel de hidrato más espeso hecho mediante la mezcla de soluciones saturadas estequiométricas de sulfato de aluminio y bicarbonato de sodio (hecho a casi 100 °C). Se añadieron 30 mL de este gel espeso a la parte superior del equipo de filtración. Se filtraron 150 mL de leche semidesnatada a través de un filtro de hidrato de acuerdo con la presente invención.

La figura 10 muestra una fotografía tomada al final del proceso de filtración. El agua filtrada es más clara en comparación con la leche antes de la filtración. Los sólidos y las grasas de la leche concentrada se capturan en la parte superior del gel de hidrato. Se observan resultados similares utilizando el gel de hidrato normal (hecho a 20 °C).

La filtración de la leche con gel hidrato demuestra que el gel hidrato puede romper las emulsiones de aceite en agua y separar el aceite de la leche. Ofrece resultados similares a la ultrafiltración de la leche sin necesidad de equipos y costes de proceso muy elevados. La pasta concentrada de sólidos lácteos y grasas capturada en la parte superior del gel de hidrato puede convertirse fácilmente en leche en polvo mediante procesos convencionales de secado sin calefacción, como el secado con ventilador de aire forzado. Esto dará lugar a nuevos polvos de leche de mayor calidad que, a diferencia de los actuales polvos de leche del mercado, no tienen un desagradable sabor a cocido debido a la caramelización causada por la exposición al calor durante el proceso de secado en tambor calentado.

Dado que las proteínas del suero son solubles en agua y por lo tanto pasan a través del filtro de hidratos, el filtrado tiene proteínas del suero. Al secar el filtrado (utilizando procesos de secado convencionales como el secado por aspersión) se producirá polvo de proteína de suero. Esto puede venderse como un valioso subproducto.

Ejemplo 10: extracción de productos y pigmentos naturales de alto valor, como el betacaroteno

La presente invención ofrece un nuevo proceso de bajo coste para la separación de productos de alto valor de fuentes naturales basado en su polaridad y solubilidad en agua. El mercado de los productos alimenticios saludables es grande y crece rápidamente. Por ejemplo, el mercado mundial de carotenoides es de $1,4 billones al año. La extracción de productos de alto valor, como el betacaroteno, a partir de fuentes naturales es muy difícil. Con la tecnología de la presente invención se pueden fabricar diferentes productos farmacéuticos nuevos, como medicamentos y productos de salud y belleza. La industria cosmética es también un gran negocio y actualmente genera un volumen de negocio anual estimado en US$170 billones. A partir de los ingredientes obtenidos con la tecnología de la presente invención se pueden fabricar una gran variedad de nuevos productos cosméticos, como cremas para el cuidado de la piel, lociones, polvos, perfumes, barras de labios y colorete de maquillaje de origen natural. En comparación con los productos cosméticos a base de petróleo, se cree que estos productos tienen mejores efectos saludables y nutricionales para el cuidado de la piel.

En este ejemplo se utilizó un gel hidratado más espeso hecho mezclando soluciones saturadas estequiométricamente de sulfato de aluminio y bicarbonato de sodio (hecho a cerca de 100 °C). Se añadieron 30 mL de este gel espeso sobre el mismo equipo de filtración que para las pruebas anteriores. Se añadieron 100 mL de zumo de zanahoria, granada, tomate y menta sobre los geles y se dejaron filtrar.

La figura 11 muestra la separación de los sólidos que contienen beta-caroteno del jugo de zanahoria utilizando la filtración de hidrato. Los pigmentos anaranjados del beta-caroteno son capturados en la parte superior del gel de hidrato. El betacaroteno es una molécula no polar y, por tanto, no puede pasar el filtro de hidrato. Las tecnologías de separación convencionales, como la centrifugación, no pueden separar las moléculas de betacaroteno del zumo de zanahoria; la evaporación a alta temperatura del zumo de zanahoria desnaturaliza las moléculas de betacaroteno y produce un material similar a la goma.

La filtración de hidratos también separa los pigmentos del zumo de granada (figura 12). El licopeno es otro valioso pigmento carotenoide de color rojo brillante que se encuentra en los tomates y en otras frutas y verduras rojas como la zanahoria roja, los pimientos rojos, la sandía, el gac y las papayas (pero no las fresas). Las moléculas de licopeno no son polares y, por lo tanto, no pueden pasar el filtro de hidratos y se acumulan en la parte superior del gel de hidratos después de la filtración. Los pigmentos rojos de licopeno del zumo de tomate también se separan fácilmente del agua mediante la tecnología de filtración de hidratos (véase la figura 13). Se ha demostrado que el licopeno también es bueno para la salud de la piel, la protección contra los rayos UV, la prevención del cáncer de piel y actúa como agente antienvejecimiento y antiarrugas. Los comprimidos de licopeno son caros (aproximadamente 50 dólares los 30 comprimidos). Tras la separación del licopeno por filtración de diferentes zumos ricos en licopeno, como el de tomate o el de sandía, se pueden fabricar diversos productos cosméticos, como cremas antienvejecimiento o antiarrugas, jabones, geles de ducha y champús, o dentífricos. Los riesgos para la salud son una preocupación para muchos productos cosméticos y de maquillaje convencionales. Gracias a la filtración de hidratos, se pueden fabricar diversos productos de maquillaje con ingredientes naturales, como coloretes y barras de labios. Estos productos de maquillaje de alto valor pueden fabricarse específicamente para los mercados de lujo. El zumo de tomate concentrado también puede secarse al aire y venderse en forma de pastillas de licopeno.

El mentol es otro compuesto orgánico insoluble que puede extraerse mediante esta tecnología. La demanda de mentol supera la oferta y tiene un gran mercado que incluye productos de goma de mascar y caramelos. Se extrajo el jugo de menta y se filtró mediante filtración de hidratos. El mentol y otros pigmentos se acumularon en la parte superior del gel (figura 14). Se observaron resultados similares utilizando el gel de hidrato normal (hecho a 20 °C).

También se probaron otros productos. En un experimento, se separó la capsaicina del jugo de pimiento rojo. Se trituraron los pimientos rojos y se separó el jugo rojo y se filtró de acuerdo con la presente invención. Se añadieron 50 mL del jugo de pimiento rojo sobre el gel de hidrato y se dejó filtrar. Esto dio lugar a la separación de los sólidos que contienen capsaicina del jugo de pimiento rojo. El filtrado era claro, sin signos de pigmentos rojos. Ningún pigmento rojo pudo penetrar en la profundidad del hidrato y todo se concentró en la parte superior de la capa de hidrato.

El jugo de sandía se separó utilizando un filtro de hidrato. Se añadieron 50 mL de jugo de sandía sobre un gel de hidrato y se dejaron filtrar. Esto dio como resultado la separación de los sólidos que contienen licopeno del jugo de sandía. Asimismo, el filtrado era claro, sin signos de pigmentos rojos. Ningún pigmento rojo pudo penetrar en la profundidad del hidrato y todo se concentró en la parte superior de la capa de hidrato.

El albaricoque es otra fruta rica en carotenoides. El zumo de albaricoque se separó/concentró utilizando un filtro de hidrato. Se añadieron 50 mL de zumo de albaricoque sobre el gel y se dejó filtrar. Esto dio como resultado la separación de los sólidos que contienen betacaroteno del zumo de albaricoque. Asimismo, el filtrado era claro, sin signos de pigmentos amarillos. Ningún pigmento amarillo pudo penetrar en la profundidad del hidrato y todo se concentró en la parte superior de la capa de hidrato.

La papaya es otra fruta rica en betacaroteno y licopeno. El zumo de papaya se concentró/separó utilizando un filtro de hidratos. Se añadieron 50 mL de zumo de papaya sobre el gel y se dejaron filtrar. Esto dio lugar a la separación de los sólidos gelatinosos que contienen betacaroteno y licopeno del zumo de papaya. Asimismo, el filtrado era claro, sin signos de pigmentos. Ningún pigmento pudo penetrar en la profundidad del hidrato y todo se concentró en la parte superior de la capa de hidrato.

El mango es otra fruta rica en betacaroteno. El zumo de mango se concentró/separó utilizando un filtro de hidrato. Se añadieron 50 mL de zumo de mango sobre el gel y se dejaron filtrar. Esto dio lugar a la separación de los sólidos que contienen betacaroteno del zumo de mango. Asimismo, el filtrado era claro sin ningún signo de pigmentos amarillos. Ningún pigmento amarillo pudo penetrar en la profundidad del hidrato y todo se concentró en la parte superior de la capa de hidrato.

La sandía es otra fruta rica en betacaroteno. El zumo de sandía se separó/concentró utilizando un filtro de hidrato. Se añadieron 50 mL de zumo de sandía sobre el gel y se dejaron filtrar. Esto dio lugar a la separación de los sólidos que contienen betacaroteno del zumo de sandía. Asimismo, el filtrado era claro, sin signos de pigmentos amarillos. Ningún pigmento amarillo pudo penetrar en la profundidad del hidrato y todo se concentró en la parte superior de la capa de hidrato.

El zumo de maracuyá se concentró/separó utilizando un filtro de hidratos. Se añadieron 50 mL de zumo de maracuyá sobre el gel y se dejaron filtrar. Esto dio como resultado la separación de los sólidos que contienen betacaroteno del jugo de maracuyá. Asimismo, el filtrado era claro, sin signos de pigmentos amarillos. Ningún pigmento amarillo pudo penetrar en la profundidad del hidrato y todo se concentró en la parte superior de la capa de hidrato.

Se separó/concentró el jugo de guayaba utilizando un filtro de hidrato. Se agregó 50 mL de jugo de guayaba sobre el gel y se dejó filtrar. El jugo de guayaba concentrado se recogió sobre la capa de gel de hidrato. Igualmente, el filtrado era claro, sin signos de pigmentos. Ningún pigmento pudo penetrar en la profundidad del hidrato y todo se con- centró en la parte superior de la capa de hidrato.

También se obtuvo un éxito similar en la separación/concentración de zumo de melocotón, zumo de pera, zumo de nectarina y zumo de manzana.

Extraer pigmentos, componentes hidrofóbicos y medicamentos de las flores, hojas y otras partes de las plantas

Es posible extraer compuestos valiosos, pigmentos, medicamentos e incluso carotenoides de una variedad de plantas, sus partes (por ejemplo, sus hojas y flores) utilizando esta tecnología. Por ejemplo, los pigmentos amarillos de las flores del árbol Tipuana tipu se extrajeron utilizando esta tecnología. Las flores del árbol Tipuana tipu se recogieron en los jardines de la Universidad de Queensland. Se machacaron en un mortero y añadiendo un poco de agua se separó un jugo amarillo de las hojas. Se filtraron primero 50 mL de líquido amarillo extraído utilizando una tela de bajo poro y luego se añadieron encima de un gel (gel de hidrato más grueso hecho en 100 C) y se dejaron filtrar. Esto dio lugar a la separación de los pigmentos amarillos. Asimismo, el filtrado era claro, sin signos de pigmentos amarillos. Ningún pigmento amarillo pudo penetrar en la profundidad del hidrato y todo se concentró en la parte superior de la capa de hidrato.

Concentración de café

La mayoría de los aromas del café son hidrofóbicos. Por lo tanto, no pueden pasar a través del filtro de hidrato. En consecuencia, se puede utilizar un filtro de hidrato para la concentración de café. El café concentrado recuperado de la parte superior del filtro contiene valiosos aceites de café, fenólicos y la mayoría de los sabores. El café concentrado obtenido mediante un filtro de hidrato es un material viscoso. Se puede añadir al agua caliente o fría para preparar bebidas de café. Es una alta fuente de antioxidantes naturales y compuestos fenólicos. Esta pasta puede utilizarse como alimento o cosmético. Se puede utilizar como base para elaborar una variedad de nuevos productos alimenticios, de salud y belleza, o cosméticos, como las cremas de café para el desayuno (similares a las cremas de chocolate Nutella®), cremas de belleza, cremas hidratantes, cremas de protección solar, líquidos para lavarse las manos, geles de ducha, espuma de afeitar, sprays de bronceado y champús. Se puede secar fácilmente para hacer una sustancia similar al Nescafé®. Este café concentrado seco puede comercializarse como un café instantáneo similar al Nescafé®.

También puede hacerse a partir de café usado. El café gastado se remoja en agua tibia o caliente para permitir la separación del recuerdo de aceites, sabores hidrofóbicos y compuestos fenólicos y antioxidantes. En un experimento, después de sedimentar durante varias horas, 15 L del líquido de la parte superior se separó de los sólidos sedimentados. El líquido se añade en la parte superior de un equipo de filtrado de hidratos realizado con un cubo equipado con una tela geotextil en el fondo y se deja filtrar. Para facilitar la operación y la separación del café concentrado, se colocó un papel de filtro encima de la capa de hidrato, después de que los hidratos se asentaran y se formara la capa de hidrato. Por lo tanto, al final del proceso, el café concentrado se acumulaba en la parte superior del papel y podía recogerse fácilmente mediante una cuchara u otros procesos de recogida similares. La figura 14A muestra una fotografía del concentrado de café recuperado de la parte superior de la capa de hidratos. Del mismo modo, el producto final puede utilizarse para elaborar diversos productos alimentarios o cosméticos. Por ejemplo, se añadieron y mezclaron diferentes dosis del concentrado de café gastado a diferentes cremas base sin fragancia, geles de ducha, líquidos para lavarse las manos, u otras fórmulas de cosméticos sin fragancia para hacer cosméticos, y diferentes productos cosméticos. El producto final tiene la fragancia y el aroma del café fresco y varios beneficios para la salud en comparación con los productos cosméticos convencionales a base de petróleo. Los productos cosméticos que fabricamos de esta manera son muy estables después de periodos de tiempo muy largos y no se produce el crecimiento de moho y bacterias. Después de varios meses siguen teniendo un olor a café fresco, ya que los jabones, el gel de ducha y las fórmulas de crema de belleza conservan el café concentrado.

La concentración del café sin presión se produjo lentamente durante la noche. Sin embargo, la aplicación de presión puede hacer que el proceso de separación sea más rápido. Se añadieron 500 mL del gel espeso de hidrato (hecho en 100 C) a 1500 mL de agua y la solución se añadió en una unidad de filtro a presión de laboratorio de procesamiento de minerales sin salida fabricada por Amdel Company con un área de sección transversal de 0,01887 m2. Después de 15 minutos, cuando las partículas de hidrato en la solución se asentaron, se colocó un papel de filtro sobre la capa de hidrato. El espesor de la capa de hidrato se midió en 10 mm. A continuación, se añadieron 500 mL de café líquido que se separaron del café gastado y se aplicó una presión de 40 psi (275,8 kpag). Después de aproximadamente 45 minutos el proceso terminó, y todos los componentes hidrofóbicos se acumularon y se recogieron fácilmente de la parte superior del papel de filtro. La Figura 14B muestra una fotografía del café concentrado que se acumuló encima de la capa de hidróxido de metal. El flujo medio se calculó en (1586,97 mL/min.m2).

Una variedad de nuevos productos, como pigmentos naturales, aditivos alimentarios saludables y nuevas cremas de belleza para el cuidado de la piel a partir de fuentes naturales, pueden producirse basándose en la tecnología de la presente invención. También es posible extraer y descubrir nuevos componentes a partir de fuentes naturales. Otros nuevos productos alimentarios concentrados también pueden fabricarse con esta tecnología. Por ejemplo, los procesos convencionales para hacer pasta de tomate utilizan altas temperaturas que destruyen varios nutrientes y vitaminas saludables. Las vitaminas y los nutrientes sensibles al calor se conservarán en los nuevos tipos de pasta de tomate elaborados con la tecnología de filtración de hidratos.

Para mostrar los beneficios de la presente invención, se centrifugó el zumo de zanahoria durante 10 minutos a 4000 rpm (10,000 x g) y no se observó la eliminación de los pigmentos de betacaroteno. Por lo tanto, la centrifugación a estas velocidades no puede separar los pigmentos de beta-caroteno del zumo de zanahoria. Se observaron resultados similares al centrifugar otros zumos como el de granada y el de tomate. El zumo de zanahoria también se dejó en un horno de secado (65 °C) para evaporar el agua. Sin embargo, el calentamiento degrada los pigmentos de betacaroteno anaranjados y los pigmentos de betacaroteno se desnaturalizan hasta convertirse en una sustancia pegajosa parecida a la goma. Por lo tanto, la tecnología de filtración de hidratos de acuerdo con la presente invención parece ser la única tecnología sencilla y de bajo coste para concentrar zumos y separar el betacaroteno y otros pigmentos de diferentes fuentes naturales y zumos.

Ejemplo 11: filtración de ADN plasmídico

Para determinar si las moléculas largas que se disuelven en el agua pueden pasar la filtración de hidrato, se utilizó para este experimento ADN plasmídico con una longitud de aproximadamente 3000 bp. El gel de filtración de hidrato captura moléculas no polares insolubles en agua, como el beta-caroteno. Pero las moléculas inorgánicas solubles en agua, como la sal, el azúcar y la clorofila, pasan a través del filtro de gel de hidrato. Este experimento evalúa si el gel de hidrato puede capturar moléculas largamente solubles como el ADN. Se añadió el plásmido al agua y se realizaron pruebas de reacción en cadena de la polimerasa (PCR) para amplificar el plásmido en el filtrado y ver si hay restos de ADN del plásmido que puedan amplificarse a partir del filtrado o si algún plásmido pasa el filtro del gel de hidrato.

Para este experimento se utilizó el plásmido pGreen con el gen HVA22d de Arabidopsis thaliana incorporado. Se utilizó el cebador GFP como cebador directo y el cebador del gen HVA22d como cebador inverso. Se añadieron 70 mL de plásmido (1 mg/mL) a un tubo Falcon de 50 mL de agua destilada y se mezclaron. Se utilizó el mismo equipo de filtración de los experimentos anteriores. La mezcla se añadió sobre el gel espeso (hecho a casi 100 °C) y se dejó filtrar. Se recogieron seis muestras diferentes de filtrado a lo largo del tiempo. También se añadieron dos controles sin filtraciones a las muestras de PCR.

La PCR de fusión se utilizó de nuevo para estas pruebas. Se hizo una mezcla maestra mezclando 7,2 pL de agua, 4 pL de tampón 5xHF, 1,6 pL de dNTPs, 2 pL de cebadores directos e inversos y 0,2 pL de enzima polimerasa Phusion. Se añadieron 3 pL de cada muestra a la mezcla maestra y se transfirieron a tubos de PCR y se colocaron en una máquina de PCR. El programa de PCR de Phusion fue 98 °C durante 30 s, seguido de 35 ciclos (98 °C durante 10 s, 65 °C durante 30 s y 72°C durante 30 s) y 72 °C durante 10 min.

Una vez completada la PCR, se utilizó un método de electroforesis en gel para la separación de tamaños y el análisis del ADN. Para este experimento se utilizó un gel de agarosa de 100 mL (2% p/v) con bromuro de etidio. Se añadieron 4 pL de colorante de carga 6x a cada tubo de PCR. Se añadieron 5 pL de 1 kb ladder y 10 pL de cada muestra a los pocillos del gel de agarosa. El gel se sometió a electroforesis en gel a 100V durante 40 minutos. Una vez finalizada la electroforesis, se colocó el gel bajo la luz ultravioleta para la visualización del ADN. Los resultados de la PCR no mostraron rastros de ADN plasmídico en el filtrado, mientras que los controles positivos mostraron que el ADN plasmídico fue amplificado. Por lo tanto, estos resultados demuestran que las moléculas de ADN plasmídico son capturadas por el filtro de gel de hidrato. Por lo tanto, se puede concluir que el gel de filtro de hidrato también puede capturar moléculas largas solubles en agua, como el ADN. Se especula que las moléculas largas solubles en agua no pueden encajar entre las partículas de hidróxido del gel de hidrato y, por tanto, no pueden atravesar la capa de gel. Con esta tecnología se puede fabricar una variedad de equipos de laboratorio nuevos y diferentes para la separación del ADN. Los filtros de laboratorio de gel de hidrato pueden constituir una nueva y sencilla alternativa a los kits comerciales de purificación de ADN más caros y complicados que existen actualmente (por ejemplo, los que se basan en la precipitación del ADN).

Ejemplo 12: recolección y espesamiento de microalgas, separación del aceite de microalgas en emulsión de agua tras la extracción en húmedo

La acumulación de gases de efecto invernadero en la atmósfera es uno de los principales problemas medioambientales a los que se enfrenta el mundo. Las especies de microalgas tienen el potencial de ser una nueva fuente renovable de materia prima para biocombustibles y también proporcionan productos alimenticios de alto valor para la salud, como el omega-3 y los carotenoides. El aceite extraído de las microalgas puede convertirse fácilmente en biodiésel por transesterificación. La biomasa puede utilizarse como alta fuente de proteínas para la alimentación humana, para la alimentación animal o puede venderse como alimento para la acuicultura. El mercado del biodiésel está creciendo rápidamente. Por ejemplo, en Estados Unidos, a finales de 2006 la producción de biodiésel se multiplicó por cuatro (desde 2004) hasta alcanzar más de mil millones de galones estadounidenses. Los productos alimenticios de alto valor para la salud procedentes de las microalgas son otro ámbito de rápido crecimiento. Por ejemplo, los ácidos grasos omega-3 ocupan un mercado de $1,3 billones. Los carotenoides, que pueden extraerse de las microalgas, tienen un mercado de $1,4 billones. Los fitoesteroles tienen un mercado de $300 millones. El mercado de la acuicultura alcanzó los $86 billones en 2009. Las microalgas son esenciales para los criaderos de camarones, ostras y vieiras. Por ejemplo, las algas Tetraselmis se venden a un precio de 800 dólares/kg de biomasa seca, debido a los elevados costes de cultivo y recolección por centrifugación.

Los procesos convencionales de recolección de microalgas tienen varios problemas que pueden resolverse utilizando la tecnología de filtración de hidratos de acuerdo con la presente invención. Los procesos convencionales de centrifugación de microalgas para su recolección son demasiado caros para hacer rentable el biocombustible a partir de microalgas. Además, la deshidratación, el secado y la extracción con disolventes también son problemáticos y caros, por lo que se ha propuesto la extracción de aceite por vía húmeda para resolver este problema utilizando diferentes tecnologías como el calentamiento, la electrólisis o la ultrasonicación. La extracción de aceite por vía húmeda aún no es práctica debido a la formación de emulsiones de aceite en agua.

Algunos tipos de tecnologías de recolección de microalgas, como las tecnologías de filtración convencionales, son específicas para las algas. Por ejemplo, se necesitan diferentes floculantes para diferentes especies de algas. El policultivo es muy difícil porque la recolección de diferentes tipos de algas requiere diferentes tecnologías de recolección. La contaminación cruzada en el cultivo de algas es un problema muy crítico. Sin embargo, la tecnología de filtración de hidratos no es específica para las algas y no necesita ningún tratamiento previo, como la floculación. El crecimiento bacteriano y la contaminación son un grave problema para el reciclaje de agua para el recultivo de algas. El crecimiento bacteriano en los cultivos de algas es uno de los principales problemas de los sistemas de cultivo al aire libre. El sistema de filtración de gel de hidrato también puede resolver este problema al capturar las bacterias y los hongos en el agua. Este proceso puede utilizarse para el tratamiento del agua de las plantas de cultivo de algas a gran escala.

A diferencia de los sistemas de centrifugación y de membrana, los sistemas de filtración de hidratos de acuerdo con las realizaciones de la presente invención pueden funcionar sin energía y no tienen partes móviles. Su simplicidad y bajo coste lo convierten en una alternativa adecuada para los procesos convencionales de recolección de microalgas. También puede resolver el principal problema de la extracción de aceite en húmedo al romper el aceite en las emulsiones de agua. No es específico de las algas y puede cosechar cualquier tipo de microalgas, por lo que los problemas de multicultivo y contaminación cruzada se resuelven con esta tecnología. También sanea el agua, por lo que el agua filtrada puede reciclarse y reutilizarse para el cultivo de microalgas varias veces.

Diferentes tipos de especies de microalgas como Tetraselmis striata, Chaetoceros muelleri y Dunaliella salina fueron cosechadas y recogidas con éxito sobre una capa de gel de hidrato de aluminio utilizando esta tecnología. Incluso especies muy pequeñas, como las células de Nannochloropsis (de aproximadamente 2 micras de diámetro), que son muy difíciles de recolectar con las tecnologías convencionales, se recogieron fácilmente con esta tecnología. El agua filtrada era clara y no contenía sólidos ni microalgas. A diferencia de los procesos convencionales de recolección de microalgas, que son específicos para cada alga, con esta tecnología se puede recolectar cualquier tipo de microalgas. Este proceso no necesita ningún tratamiento previo, como la floculación, y todos los contaminantes y las microalgas se recogen fácilmente en la parte superior del gel de hidrato. La naturaleza no pegajosa de la capa de hidróxido de metal permite una fácil separación de las algas cosechadas y esto se ha mejorado aún más añadiendo una fina capa de tejido o malla en la parte superior del filtro de gel de hidrato.

Las altas cargas eléctricas de las moléculas de hidróxido de aluminio en el gel de hidrato son otra importante fuerza motriz para la deshidratación. El gel de hidrato no sólo recoge las especies de algas e impide que pasen el filtro, sino que también deshidrata de forma natural la pasta recogida en mayor medida en comparación con los sistemas de filtración convencionales. Las cargas eléctricas del gel de hidrato de hidróxido metálico atraen de forma natural las moléculas de agua que están cerca de la superficie del gel, lo que da lugar a una pasta de algas más espesa (menos agua) en la parte superior del gel. Esto facilita el procesamiento posterior, como el secado y la extracción de aceite.

La figura 15 muestra cómo un filtro de hidrato separa las microalgas de tamaño micrométrico (Nannochloropsis) del agua. Se utilizó el geotextil no tejido Bidim A64 con un tamaño de poro de 80 micras y una permitividad de 0,8 s-1 bajo el gel de hidrato de hidróxido de aluminio que se hizo por electrólisis (9 V, 1 amperio) de agua salina (70 PPT) o se hizo un gel de hidrato basado en la reacción mezclando soluciones saturadas estequiométricas de sulfato de aluminio y bicarbonato de sodio (1 mol de sulfato de aluminio 6 moles de bicarbonato de sodio). La figura 15 muestra que, debido a la naturaleza no pegajosa del gel, la pasta de algas se separa naturalmente del mismo. Sin embargo, una solución más práctica es utilizar un equipo de filtración cilíndrico similar al utilizado en las pruebas de filtración de los ejemplos anteriores. Esto permite una extensión consistente de la pasta de algas (la misma profundidad en la parte superior de la capa de gel) para facilitar el procesamiento posterior, como el secado. Por lo tanto, el espesamiento y la recogida de la pasta y su extensión pueden simplificarse en un solo paso. Esto facilita los procesos posteriores de secado, como el secado solar. Además, la presión de la columna de agua y la succión de las moléculas de agua del gel deshidratan más la pasta. Se puede poner un trozo de tela (o un medio similar) encima del gel antes de la filtración. Esto dificulta la ruptura del gel durante el llenado. También facilitará la recogida de la pasta de algas después de cada ciclo de recolección cuando se alcance el espesor deseado de la pasta simplemente levantando el trozo de tela superior.

El calor o la sonicación pueden hacer que las células de las algas estallen y liberen sus cuerpos lipídicos como aceite en el agua circundante. La emulsión de aceite en agua no puede ser desespumada de la superficie. La separación del aceite de la emulsión de aceite en agua es un problema actual que puede resolverse utilizando la tecnología de filtración de hidratos. Las células de las algas fueron pretratadas para que las células estallaran y el aceite se liberara en el agua dando lugar a una emulsión de aceite en agua. Se filtraron 50 mL de esta emulsión utilizando 30 mL de gel espeso (hecho a casi 100 °C) como capa. La prueba de tinción de lípidos con rojo de Nilo al microscopio muestra que los lípidos de la emulsión de aceite de algas se separaron y capturaron en la parte superior del gel. El filtrado era agua cristalina, sin signos de algas o gotas de aceite. En la figura 15A se muestra una fotografía del aceite teñido con rojo Nilo que se recogió en la parte superior de un filtro de hidróxido de aluminio a partir de dicha emulsión de aceite en agua.

Las algas Haematococcus pluvialis tienen un alto contenido del fuerte antioxidante astaxantina, que es un carotenoide con una variedad de beneficios para la salud y que tiene una gran demanda para los productos alimenticios saludables, la acuicultura, los productos farmacéuticos y las industrias cosméticas. El valor de mercado de la astaxantina es muy alto, alrededor de $3,000 por kg. Se añadieron 150 mL de algas Haematococcus pluvialis sobre un gel de hidróxido de aluminio (elaborado a 20 °C). Se cosecharon las células de Haematococcus y el filtrado fue agua clara. Del mismo modo, se añadieron 150 mL de la cepa NT8C de Scenedesmus sp. sobre un gel de hidróxido de aluminio (hecho a 20 °C). De nuevo, las células de Scenedesmus fueron capturadas sobre la capa de hidrato. La figura 16 muestra la vista de la sección transversal del gel después de la filtración. Muestra las células de algas recogidas en la parte superior del gel. Las células de algas no penetraron en el gel, sino que se acumularon en la parte superior del mismo. Esto facilita aún más la separación de las células de algas. La naturaleza autoportante del gel de hidróxido de aluminio también se muestra en la figura 16. El gel se muestra como la masa blanca en la figura 16. El tejido geotextil oscuro se puede ver debajo del gel en la figura 16.

Ejemplo 13: los alcoholes pasan el filtro de hidratos

Los alcoholes como el metanol y el etanol son polares y solubles en agua. Por lo tanto, deberían atravesar el gel de hidrato. Para comprobarlo, se añadieron 50 mL de etanol y metanol puros en la parte superior de un gel de hidrato de aluminio fabricado a casi 100 °C (fórmula (1)). Esta prueba confirmó que tanto las moléculas de metanol como de etanol pasan el filtro de hidrato. Sin embargo, pasaron más lentamente que el agua, debido a su diferente polaridad en comparación con las moléculas de agua. Esta prueba reveló que, incluso después de 2 horas, aunque todas las moléculas de agua de una prueba de agua de control habían pasado el filtro, todavía quedaba algo de alcohol encima del hidrato. La polaridad molecular es un término relativo en el que una molécula es simplemente más polar o más apolar que otra. Este fenómeno puede utilizarse para cuantificar y medir las polaridades relativas de diferentes moléculas en comparación con el agua. Se podrían fabricar diferentes equipos de laboratorio nuevos, como medidores de polaridad molecular, basados en el sistema de filtración de hidratos. En función de las tasas de filtración de las diferentes moléculas polares se puede cuantificar su polaridad relativa en comparación con el agua.

Para comprobar si las moléculas de alcohol pasaron el hidrato o sustituyeron las moléculas de agua en el hidrato, los geles después de la filtración se dejaron bajo una campana de humos durante aproximadamente 20 horas. El punto de ebullición del metanol y el etanol son muy bajos y se evaporan en varios minutos si se dejan bajo la campana de humos. Si el gel hidrato se convierte en gel hidrato de alcohol, el alcohol debería evaporarse rápidamente y el hidróxido de aluminio seco debería permanecer después de varios minutos u horas. Sin embargo, esta prueba reveló que después de aproximadamente 20 horas no había diferencia entre el gel de hidrato de control utilizado para la filtración de agua y el gel de hidrato utilizado para la filtración de alcohol. Por lo tanto, las moléculas de alcohol podrían atravesar el gel de hidrato, pero no parecen sustituir a las moléculas de agua en el hidrato.

Ejemplo 14: las proteínas bsa pasan el filtro de hidratos

La albúmina sérica bovina (también conocida como BSA o "Fracción V") es una proteína sérica derivada de las vacas. Se utiliza a menudo como estándar de concentración de proteínas. El polvo cristalizado de BSA se mezcló con agua destilada para hacer una solución de BSA. Se agregaron 50 mL de 1 milimol/L (3,3 g/50 cc) de solución de BSA sobre un gel de hidrato súper grueso (hecho a casi 100 °C). Sin embargo, el filtrado era amarillo y no completamente claro, lo que demuestra que las moléculas de BSA podían pasar el filtro de hidrato.

Ejemplo 15: otros hidróxidos metálicos hidratados

Aunque el gel de hidróxido de aluminio es el material de primera elección para la purificación del agua y las aplicaciones industriales debido a su naturaleza no tóxica, su fuerte capa gelatinosa homogénea, su rápida velocidad de deshidratación y su disponibilidad y bajo coste, así como su facilidad de producción mediante la mezcla de dos productos químicos no tóxicos (sulfato de aluminio y bicarbonato de sodio), también pueden utilizarse otros hidratos de hidróxido metálico para algunas aplicaciones industriales en las que la toxicidad no es un problema clave.

Otros hidróxidos metálicos pueden ser tóxicos y peligrosos, y tampoco pueden hacerse por reacción de sus sulfatos con bicarbonato sódico. La mayoría de ellos pueden fabricarse mezclando sus sales (como sus sulfatos, nitratos y cloruros) con hidróxido de sodio (sosa cáustica). También pueden fabricarse por electrólisis. Por ejemplo, el hidróxido de cobre puede fabricarse por electrólisis de una solución saturada de sulfato de magnesio con electrodos de cobre y corriente continua.

La misma estructura molecular que se ha explicado para el hidróxido de aluminio se aplica también a los hidratos de otros hidróxidos metálicos. Cuando se forma un hidrato, las moléculas de agua quedan atrapadas entre una red de moléculas de hidróxido metálico, pero no están unidas a los hidróxidos metálicos. Las moléculas de agua atrapadas son atraídas por las cargas positivas y negativas de las moléculas de hidróxido metálico, por lo que no están unidas a las moléculas de hidróxido metálico y pueden abandonar el hidrato de forma fácil y natural. Por lo tanto, el agua puede atravesar la "red". Las impurezas como las bacterias, los hongos, los virus, los sólidos en suspensión y las moléculas hidrofóbicas no polares también son expulsadas a la parte superior del gel de hidrato, debido a las fuertes cargas eléctricas del mismo.

Esta hipótesis también es válida para otros hidratos de hidróxidos metálicos, como el gel de hidróxido de magnesio, el gel de hidróxido de manganeso, el gel de hidróxido de cobalto o el gel de hidróxido de níquel. Sin embargo, las propiedades de los distintos geles de hidrato son diferentes debido a las distintas naturalezas y propiedades químicas de los distintos metales. Por ejemplo, la velocidad de flujo, el espesor y el tamaño de los poros de las precubiertas de hidrato hechas de diferentes geles de hidrato son diferentes. Por lo tanto, se pueden separar diferentes materiales utilizando diferentes precubiertas de gel de hidrato. Sin embargo, debido a la naturaleza de alta toxicidad de otros hidratos de hidróxido de metal y al uso de productos químicos peligrosos (por ejemplo, hidróxido de sodio) para su producción, su aplicación se limitará a algunos usos específicos, como las refinerías químicas, petroquímicas o de petróleo. En los siguientes ejemplos se utilizó zumo de zanahoria (para el aislamiento del betacaroteno) para examinar diferentes hidratos de hidróxido metálico, ya que permite una fácil visualización.

Hidróxido de magnesio

El hidróxido de magnesio puede hacerse mediante la siguiente ecuación

MgSO4+2NaOH^Na2SO4+Mg(OH)2 (2)

La solución de sulfato de magnesio se hizo mezclando 86,68 g de sulfato de magnesio heptahidratado en 500 mL de agua destilada. Se mezclaron 11,59 g de hidróxido de sodio en 50 mL de agua destilada. Añadiendo la solución de hidróxido de sodio a la solución de sulfato de magnesio, se hizo el gel de hidrato de magnesio. Se utilizó el mismo equipo de filtración empleado en los experimentos anteriores. Sin embargo, se utilizó otro tejido de muy bajo tamaño de poro (tejido boardhort) bajo el geotextil para capturar todo el gel de hidrato de hidróxido de magnesio. El gel de hidrato se añadió encima del geotextil. Se añadió zumo de zanahoria sobre el gel de hidrato y se dejó filtrar.

Aunque el hidrato de hidróxido de magnesio se asentó muy lentamente en comparación con el hidrato de hidróxido de aluminio, el filtrado fue claro debido al uso de un tejido de menor tamaño de poro debajo del hidrato. Todas las moléculas visibles de beta-caroteno fueron expulsadas o capturadas en la parte superior del gel de hidrato de magnesio. El filtrado era muy claro, sin signos de pigmentos de betacaroteno.

Hidróxido de zinc

El hidróxido de zinc hidratado puede hacerse mediante la siguiente ecuación.

ZnSO4+2NaOH^Na2SO4+Zn(OH)2 (3)

La solución de sulfato de zinc se hizo mezclando 10,27 g de sulfato de zinc heptahidratado en 50 mL de agua destilada. Se mezclaron 1,39 g de hidróxido de sodio en 10 mL de agua destilada. Al añadir la solución de hidróxido de sodio a la solución de sulfato de zinc de sulfato de zinc, se hizo el gel de hidróxido de zinc. Se utilizó el mismo equipo de filtración empleado en los experimentos anteriores se utilizó. El gel de hidrato se añadió encima de un geotextil. Se añadió zumo de zanahoria sobre el gel de hidrato y se dejó filtrar.

Todas las moléculas visibles de betacaroteno fueron expulsadas y capturadas en la parte superior del gel de hidrato de zinc. El flujo de deshidratación fue muy rápido. También se añadió queroseno sobre el gel de hidrato de hidróxido de zinc. Al igual que con el hidrato de hidróxido de aluminio, los resultados mostraron que el queroseno no pasaba a través del hidrato de hidróxido de zinc. Otro comportamiento interesante del hidrato de hidróxido de zinc es que después de estar bajo el queroseno durante mucho tiempo, la capa de hidrato será más compacta y dura en comparación con otros hidratos de hidróxido de metal. La capa compactada sigue permitiendo el paso de las moléculas de agua. Ni siquiera el duro rellenado de la capa de hidrato de hidróxido de zinc destruyó la capa. Por lo tanto, el hidrato de hidróxido de zinc tiene un potencial muy alto para ser utilizado en unidades de separación de hidrocarburos de agua, o para ser utilizado bajo muy alta presión, o para ser utilizado en el fondo de los tanques de almacenamiento de queroseno y otros hidrocarburos para separar el agua y otras impurezas polares de los hidrocarburos como el queroseno.

Hidróxido de cobre (referencia)

Los compuestos de cobre son tóxicos. El gel de hidróxido de cobre se hizo mediante la siguiente reacción:

CuSO4+2NaOH^7Cu(OH)2+Na2SO4 (4) Se hizo una solución de sulfato de cobre mezclando 24,96 g de sulfato de cobre (II) pentahidratado en 200 mL de agua destilada. Se mezclaron 7,998 g de hidróxido de sodio en 10 mL de agua destilada. Al añadir la solución de hidróxido de sodio a la solución de sulfato de cobre, se produjo el gel de hidrato de cobre. Sin embargo, las muestras húmedas de hidróxido de cobre (II) se volvieron negras debido a la formación de óxido de cobre (II). Por lo tanto, la precapa pasó el tejido y los geles de hidrato a base de cobre no pudieron utilizarse para diferentes aplicaciones industriales.

Hidróxido de manganeso

Los compuestos de manganeso son tóxicos. El gel de hidróxido de manganeso se hizo mediante la siguiente reacción:

MnSO4+2NaOH^Mn(OH)2+Na2SO4 (5) La solución de sulfato de manganeso se hizo mezclando 16,89 g de sulfato de manganeso monohidratado en 50 mL de agua destilada. Se mezclaron 7,998 g de hidróxido de sodio en 10 mL de agua destilada. Al añadir la solución de hidróxido de sodio a la solución de sulfato de manganeso, se produjo el gel de hidrato de manganeso. Se utilizó el mismo equipo de filtración utilizado en los experimentos anteriores. El gel de hidrato se añadió sobre un geotextil. Se añadió zumo de zanahoria sobre sobre el gel de hidrato y se dejó filtrar.

El hidróxido de manganeso se oxida rápidamente si no está en agua y se expone al aire. Por lo tanto, encontrar una aplicación industrial real es muy difícil para este gel hidrato. La deshidratación se produce muy lentamente, sin embargo, de la noche a la mañana todos los pigmentos de betacaroteno fueron expulsados y capturados en la parte superior del gel y el filtrado era muy claro. Sin embargo, el gel de hidrato a base de manganeso era más blando. El color de los pigmentos de betacaroteno en la parte superior del hidrato también había cambiado de naranja a marrón oscuro.

Hidróxido de cobalto

Los compuestos de cobalto son tóxicos. El gel de hidróxido de cobalto (II) se hizo mediante la siguiente reacción:

CoCl2+2NaOH^Co(OH)2+2NaCl (6) La solución de cloruro de cobalto se hizo mezclando 4,34 g de cloruro de cobalto (II) hexahidratado en 100 mL de agua destilada agua destilada. Se mezclaron 0,7998 g de hidróxido de sodio en 10 mL de agua destilada. Al añadir la solución de hidróxido de sodio a la solución de cloruro de cobalto, se hizo el gel de hidrato de cobalto. Se añadió zumo de zanahoria sobre el gel de hidrato y se dejó filtrar.

El gel de hidrato de cobalto no se asentó rápidamente. La velocidad de deshidratación fue muy lenta. Sin embargo, durante la noche las moléculas de beta-caroteno fueron expulsadas y capturadas en la parte superior del gel de hidrato de cobalto. Además, el color del pigmento de betacaroteno pasó a ser marrón oscuro. El filtrado era de color rojo claro debido a las trazas de exceso de cloruro de cobalto.

Hidróxido de níquel

Los compuestos de níquel son altamente tóxicos y pueden causar cáncer o daños genéticos heredables. El gel de hidróxido de níquel se hizo mediante la siguiente reacción:

NiSO4+2NaOH^Ni(OH)2+Na2SO4 (7) La solución de sulfato de níquel se hizo mezclando 8,94 g de sulfato de níquel hexahidratado en 150 mL de agua destilada. Se mezclaron 1,279 g de hidróxido de sodio en 20 mL de agua destilada. Al añadir la solución de hidróxido de sodio a la solución de sulfato de níquel de hidróxido de níquel, se hizo el gel de hidróxido de níquel. Se añadió zumo de zanahoria sobre el gel de hidrato y se dejó filtrar.

A diferencia del gel de hidrato de hidróxido de aluminio, el gel de hidrato de hidróxido de níquel no se asentó rápidamente y formó una capa de gel homogénea rápidamente. La velocidad de deshidratación fue muy lenta. Sin embargo, de la noche a la mañana las moléculas de betacaroteno fueron expulsadas y capturadas en la parte superior del gel de hidrato de níquel. Además, el color del pigmento de betacaroteno pasó a ser marrón oscuro. Ejemplo comparativo - reacción con bicarbonato de sodio

Una de las ventajas más importantes del gel de hidrato de hidróxido de aluminio en comparación con otros hidratos de hidróxido de metal es que puede fabricarse de forma muy sencilla mediante la reacción de su solución de sulfato con una solución de bicarbonato de sodio (bicarbonato de sodio) no tóxica. Otros geles de hidróxido metálico pueden fabricarse utilizando hidróxido de sodio o mediante una electrólisis más cara y lenta. Sin embargo, otros geles de hidróxido metálico no pueden hacerse con bicarbonato de sodio. Por ejemplo, se añadió una solución de sulfato de magnesio a una solución de bicarbonato de sodio y no se observó la generación de hidratos de hidróxido de magnesio.

El sulfato de zinc reacciona con el bicarbonato de sodio mediante la siguiente reacción:

ZnSO4+2NaHCO3^ZnCO3+Na2SO4+H2 (8) Sin embargo, a diferencia de la reacción del sulfato de aluminio con el bicarbonato de sodio, no se hizo un gel hidrato de hidróxido de zinc. El carbonato de zinc se precipitó. Los precipitados de carbonato de zinc se añadieron sobre un tejido geotextil, pero a diferencia del gel de hidrato de hidróxido de zinc, no se formó una capa homogénea en forma de gel sobre el tejido. A diferencia de los geles de hidrato de hidróxido de metal que están altamente cargados y retuvieron las moléculas de beta-caroteno en la parte superior del gel de hidrato, el carbonato de zinc no pudo separar el beta-caroteno. Todas las moléculas de betacaroteno pasaron a la profundidad de la capa de precipitado de carbonato de zinc y atravesaron la capa. Al final del proceso, toda la capa era de color naranja, a diferencia de los hidratos de hidróxido de metal, en los que sólo la sección superior era de color naranja y todas las moléculas de betacaroteno eran expulsadas hacia la parte superior. Esta es la principal diferencia entre los precipitados normales y los geles de hidróxido metálico.

Ejemplo 16 - otras formas de hacer gel de hidróxido de aluminio

Aunque se prefiere hacer gel de hidrato de aluminio mezclando productos químicos no tóxicos de sulfato de aluminio y bicarbonato de sodio o electrólisis de agua salina debido a su naturaleza no tóxica, hay otras dos reacciones que hacen gel de hidrato de aluminio utilizando productos químicos tóxicos y peligrosos:

Al(Cl)3+3NH4OH^Al(OH)3+3NH4Cl (9) Se añadieron 200 mL de leche semidesnatada sobre un gel de hidrato hecho mezclando soluciones de cloruro de aluminio e hidróxido de amonio (NHOH⁴). Se observaron los mismos resultados obtenidos en pruebas similares con el gel de hidrato de hidróxido de aluminio hecho mediante la mezcla de sulfato de aluminio. La leche se concentró sobre el gel de hidrato y el filtrado era razonablemente claro. Por lo tanto, el gel de hidróxido de aluminio fabricado mediante la reacción anterior tiene las mismas propiedades de filtración que los geles de hidróxido de aluminio generados a partir de productos químicos no tóxicos.

Otra forma de hacer geles de hidróxido de aluminio es mezclando nitrato de aluminio, que es un producto químico muy inestable y un fuerte agente oxidante, con una solución de hidróxido de sodio mediante la siguiente ecuación.

Al(NO3)3+3NaOH^Al(OH)3+3NaNO3 (10) Aunque las reacciones (9) y (10) pueden producir un gel de hidróxido de aluminio, no pueden utilizarse para el tratamiento del agua y aplicaciones relacionadas con los alimentos, debido a la toxicidad de los ingredientes utilizados.

Ejemplo 17: concentración de líquidos a base de agua, como los zumos de frutas

El transporte y la conservación de los zumos de frutas frescas es muy caro. Por esta razón, muchos zumos se someten a un proceso de concentración, por ejemplo, mediante la evaporación con calor. El calor suele modificar el valor nutricional, ya que durante este proceso se pierden muchas vitaminas y sabores. El zumo concentrado tiene a veces un sabor cocido o amargo debido al calentamiento. Además, el calentamiento no es deseable para algunos zumos, como el de zanahoria, porque el calor desnaturaliza el betacaroteno, y el zumo de zanahoria se convertirá en un material pegajoso parecido a la goma que no puede volver a diluirse en zumo de zanahoria.

Sin embargo, la concentración de zumos por filtración de hidratos de acuerdo con las realizaciones de la presente invención tiene el potencial de mantener la mayoría de los nutrientes, pigmentos, sabores y olores en el concentrado. Por ejemplo, un zumo de zanahoria reconstituido tiene un olor muy similar al del zumo de zanahoria fresco. El filtro de hidratos puede concentrar el zumo de zanahoria aproximadamente hasta 70 veces hasta obtener un material similar a la pasta. La pasta se puede envasar en diversos recipientes para una gran variedad de productos, como pasta de zumo de zanahoria ultraconcentrado, nutracéuticos, materia prima para la extracción de betacaroteno, productos naturales para el cuidado de la piel o de belleza y otros productos cosméticos o alimentarios similares. También puede añadirse en diferentes concentraciones como aditivo a una variedad de productos alimentarios o cosméticos.

La pasta concentrada puede redisolverse o mezclarse en agua, por ejemplo, para la producción de zumo reconstituido. El producto tiene un aspecto similar al del zumo de zanahoria fresco, aunque las sales y los azúcares han pasado por el filtro del hidrato y habría que añadirlos para su reconstitución. Este zumo no tiende a sedimentarse con el tiempo, a diferencia de muchos zumos reconstituidos elaborados a partir de concentrado calentado. Se han producido pastas concentradas similares a partir de otros zumos, como el de tomate y el de granada. La pasta concentrada también puede secarse rápidamente al aire para obtener un polvo que puede utilizarse como pigmentos alimentarios naturales y/o aditivos alimentarios saludables. Este polvo puede mezclarse con agua para hacer bebidas similares al zumo de zanahoria.

También se han probado otros líquidos con resultados similares. Entre ellos, el café y el té para hacer pasta o polvo concentrado sin perder los sabores esenciales.

Las limitaciones de esta tecnología para concentrar líquidos existen para los compuestos hidrofílicos pequeños que pueden pasar el filtro de hidrato sin obstáculos. Entre ellos se encuentran las sales solubles en agua, los azúcares, los alcoholes y algunos metabólitos secundarios hidrofílicos, como la clorofila. Existe otra limitación para los líquidos muy ácidos, como algunos zumos de limón o naranja, que pueden reaccionar con el hidróxido de aluminio.

Ejemplo 18 - comparación del gel hidratado más grueso (hecho a cerca de 100 °C) con el gel hidratado normal (hecho a 20 °C)

Los geles de hidrato más gruesos (hechos a cerca de 100 °C) tienen menos moléculas de agua en comparación con los geles de hidrato normales (hechos a 20 °C), por lo que las cargas eléctricas de las moléculas de hidróxido de aluminio en cada molécula de agua son mayores. Por ello, la deshidratación se produce más lentamente utilizando un gel de hidrato más grueso. Sin embargo, las pruebas demuestran que la calidad del filtrado es la misma. Por lo tanto, debido a la facilidad de producción se prefiere el gel normal para las aplicaciones normales. Sin embargo, para aplicaciones industriales, como algunas aplicaciones de presión o de vacío, se puede preferir el gel más grueso.

Para comparar el rendimiento de los geles gruesos y normales, se añadieron 55 mL de gel grueso y de gel normal (fino) encima del tejido. Se añadió el mismo volumen de agua (400 mL) encima de los respectivos geles hidratados. Se registró el tiempo por cada 50 mL de disminución del nivel de agua. Como se esperaba, la deshidratación se produjo más lentamente utilizando el gel grueso. Los resultados muestran que la deshidratación se produce casi 2 veces más rápido utilizando el gel de hidrato normal (hecho a 20 °C) en comparación con el gel más grueso (hecho a casi 100 °C).

Para comparar el rendimiento de los diferentes geles, se añadió el mismo volumen de zumo de zanahoria sobre un gel de hidrato grueso (hecho a casi 100 °C) y un gel normal (hecho a 20 °C). No hubo ninguna diferencia entre la calidad del filtrado y los pigmentos retenidos entre la filtración utilizando el gel de hidrato grueso y el gel de hidrato normal.

Filtración de hidratos a presión

Para las aplicaciones industriales se desean procesos más rápidos. El filtro de hidratos probado bajo presión hasta 689.5 kPag (100 psig). Un filtro de presión de laboratorio de procesamiento minero fabricado según las normas AS 1210 clase 3 por la empresa Amdel se utiliza para las pruebas de filtración a presión. La presión es ajustable hasta 100 psig (6,8 atm). Se coloca un tejido de bajo poro en el fondo del filtro. También se coloca un papel de filtro de 2 micras de tamaño de poro (Macherey Nagel, MN1640D, 185mm Dia) en la parte superior de la tela para retener el hidrato bajo presión. El diámetro y el área de la sección transversal de este equipo son 0,155m, 0,01887 m2 respectivamente. El filtrado se drena a través de un agujero en el centro.

Para seleccionar la mejor presión de funcionamiento para cada proceso de filtración, se utiliza una curva presiónflujo. Para cada experimento se añadieron primero los 100 mL de solución de hidrato espesa (hecha a 100 °C) a L2 de agua desmineralizada. Esta solución se añadió al equipo de filtrado a presión y se dejó sedimentar la partícula de hidrato durante 10 minutos. Una vez que las partículas de hidrato se asentaron y se formó una capa de hidrato consistente con un espesor de aproximadamente 1 mm, se aplicaron diferentes presiones. El filtrado se recogió en un vaso de precipitados y se pesó a lo largo del tiempo. A partir de estos datos se calcularon los flujos. Durante cada prueba de filtración se calcularon los flujos 11 veces en periodos de 2 minutos. El cambio de los flujos medios en función de la presión se muestra en la figura 17.

Esta curva muestra que el filtro de hidratos funciona muy rápido a presiones muy bajas. Muestra que de 68,9 a 551.6 kPa (10 a 80 psi) al aumentar la presión no se produce un aumento del flujo. Por lo tanto, basándose en esta curva, la mejor presión presión para esta tecnología debería estar entre 0 y 68,9 kPa (10 psi). Sin embargo, se necesitan más pruebas de presión de flujo utilizando equipos de mayor presión (por encima de 689,5 kPa (100 psi) hasta 6894,8 kPa (1000 psi) o más). Estos resultados demuestran que, dado que la mayor parte de la capa de hidrato es agua, funciona con notable rapidez a presiones muy bajas. Sólo se necesita un poco de presión necesaria para empujar suavemente las moléculas de agua a través de la capa de hidrato. Por lo tanto, a diferencia de las membranas convencionales que sólo funcionan a presiones muy altas, al utilizar esta tecnología, podemos ahorrar muchos costes. (por ejemplo, ahorrar enormes costes de capital y costes de funcionamiento de los equipos, la energía, la seguridad y el mantenimiento asociados a la utilización de las membranas convencionales de alta presión).

Comparar las tasas de evaporación de diferentes hidratos

Aunque es muy difícil evaluar la estructura del hidrato bajo el microscopio electrónico, es posible investigar los efectos de las fuerzas del hidrato de hidróxido de metal mediante la investigación de la tasa de evaporación del hidrato de hidróxido de metal hecho por reacción o electrólisis en comparación con los hidratos de hidróxido de metal hechos por remojo del polvo de hidróxido de metal en agua fría o por remojo y mezcla del polvo de hidróxido de metal en agua caliente. La figura 18 muestra el secado natural no forzado de diferentes muestras de hidrato en tapas de tubos de centrífuga a lo largo del tiempo a temperatura ambiente. Los resultados muestran que los hidratos fabricados por remojo se secaron completamente al cabo de 60 horas. Sin embargo, los geles de hidrato aún conservan algunas moléculas de agua y se secaron al cabo de aproximadamente 160 horas. Además, y lo que es más importante, al final del proceso, los hidratos empapados de hidróxido de aluminio se secaron hasta convertirse en polvo de hidróxido de aluminio de color blanco, mientras que los geles de hidróxido de aluminio se transformaron en un material cristalino duro tras perder moléculas de agua por evaporación. Los resultados muestran que algunas fuerzas moleculares internas o el cristal, la matriz o la forma neta del gel de hidrato mantienen las moléculas de agua en el gel de hidrato y evitan la rápida evaporación de las moléculas de agua en el hidrato.

Efecto de la presión y del espesor del hidrato en el filtrado

Se investigó el efecto de la presión y el espesor del hidrato. El equipo de filtración incluía una tapa que podía cerrarse para permitir la presurización mediante aire comprimido. Para cada experimento se añadió primero la solución de hidrato. A continuación, una vez que los hidratos se asentaron y se formó la capa de hidrato, se añadió la mezcla líquida (ya sea 1800 ml de agua del río Brisbane o bien 200 ml de zumo de zanahoria o de sandía). A continuación, se cerró la tapa y se aplicó y ajustó la presión del aire comprimido. El filtrado se recogió en un vaso de precipitados y se pesó a lo largo del tiempo para medir el caudal y el flujo.

Añadimos el agua turbia del río Brisbane con una densidad óptica (a 440 nm) de 0,203 sobre la capa de hidróxido de aluminio capa de hidróxido de aluminio utilizando un hidrato grueso (hecho a 100 °C) con un espesor de 10 mm. Los resultados se muestran en las figuras 19C y 19D. El caudal medio y el flujo medio se midieron 106,1 (ml/min), 5622,1 (ml/min.m2) respectivamente. Aunque el tiempo de filtración fue muy rápido, el filtrado fue claro con una densidad óptica (a 440 nm) de 0,000. El hidrato no se secó bajo alta presión debido a su singular naturaleza gelatinosa. Incluso bajo alta presión, ninguna impureza pudo penetrar en la profundidad de la capa de hidrato. El experimento se repitió utilizando una capa de hidrato más fina con un espesor de 1 mm. Los resultados se muestran en las figuras 19A y 19B. De forma similar, el filtrado era claro, pero la tasa de flujo y el caudal eran 5 veces más rápido en comparación con la capa de hidrato de 10 mm de grosor. La tasa de flujo promedio y el flujo promedio se midieron 21,3 (ml/min), 1128,6 (ml/min.m2) respectivamente.

Asimismo, añadimos zumo de zanahoria y de sandía para acelerar la separación y la concentración. Incluso bajo una presión muy alta presión 689,5 kPag (100 psig) ninguna molécula de beta-caroteno o licopeno pudo penetrar en la profundidad del gel hidratado. Los zumos se concentraron hasta formar una pasta muy espesa de color naranja o rojo en la parte superior de la capa de hidrato. Esto permite una fácil separación de los zumos concentrados. El filtrado era claro. Por ejemplo, el filtrado del zumo de sandía era tan claro como el agua desmineralizada con una densidad óptica (a 440 nm) de 0,000. La velocidad de flujo era razonablemente rápida incluso a baja o media presión. Por ejemplo, para la filtración de zumo de sandía a tan sólo 10 psig (0,68 atm), la tasa de flujo media y el flujo se midieron a 30,7 (ml/min), 1625 (ml/min.m2) respectivamente. Estos resultados demuestran que este proceso puede utilizarse a escala industrial bajo presiones elevadas para obtener mayores tasas de filtración. Esta tecnología tiene el potencial de ser una nueva generación de tecnologías de filtración y separación. Utilizando diferentes tipos de hidróxido metálico, con diferentes molaridades de los ingredientes, y diferentes condiciones de preparación (por ejemplo, haciendo diferentes soluciones sobresaturadas de los ingredientes bajo diferentes temperaturas y presiones), o incluso mezclando hidratos de diferentes metales, se pueden fabricar numerosos tipos de hidróxido metálico. metálicos. Estos hidratos tendrán diferentes propiedades de filtración. Por lo tanto, con la diferente polaridad molecular relativa. Por lo tanto, con la diferente polaridad molecular e hidrofobicidad de las diferentes moléculas, diferentes moléculas pasarán o serán retenidas en diferentes tipos de hidratos. La gravedad por sí sola puede dar lugar a una separación eficaz, aunque el proceso puede acelerarse mediante la aplicación de presión para fines industriales.

Filtración a presión de zumos y elaboración para producir nuevas mantequillas de frutas saludables

Se sometieron 700 mL de zumo de zanahoria a una filtración por presión. Se colocó un papel de filtro (de 2 mieras de poro) sobre el equipo de filtrado a presión. Se mezclaron 50 mL de gel de hidrato espeso (elaborado a 100 C) en 1500 mL de agua desmineralizada y se vertieron sobre el papel de filtro. Se aplicó una presión de 275,8 kPa (40 psig) durante 4 minutos. Esto permitió la sedimentación de los hidratos en la solución y la formación de una capa fina (de aproximadamente 1 mm de espesor) y consistente y estable de hidrato sobre el papel de filtro. Durante esta etapa, aproximadamente 750 mL del agua de la solución pasaron por el filtro, sin embargo, aún quedaban 750 mL de agua encima del hidrato. Se añadieron 700 mL de zumo de zanahoria. Luego se aplicó una presión de 551,6 kPag (80 psig). Al final del proceso se acumuló una pasta espesa parecida a la mantequilla en la parte superior de la capa de hidrato. Esta pasta (u otras pastas concentradas similares de otras frutas) puede utilizarse para hacer una variedad de nuevos productos alimentarios y cosméticos. Por ejemplo, se pueden hacer nuevas mantequillas para el desayuno como la de zanahoria, sandía, tomate, granada, pimienta de cayena, albaricoque, papaya, mango, sandía, maracuyá, guayaba, melocotón, pera, nectarina y otras frutas similares. Estas mantequillas saludables pueden sustituir a las mantequillas convencionales poco saludables a base de leche o aceite que tienen altas cantidades de grasas saturadas y trans poco saludables. A diferencia de las mantequillas de leche, no sólo no aumentan el nivel de colesterol que provoca enfermedades cardíacas, sino que también tienen diversos beneficios para la salud. También puede añadirse a otras pastas para untar, como la mantequilla, para colorear o añadir valores nutricionales o sabores. Del mismo modo, esta pasta puede utilizarse para elaborar nuevos productos cosméticos como cremas de belleza, mascarillas, jabones o geles de calzado, champús, cremas de protección solar o productos de bronceado natural en spray. La alta presión también hizo que la capa de hidrato fuera más dura que la pasta de naranja recogida en la parte superior. Por lo tanto, la separación de la pasta de zumo de zanahoria recogida era fácil, simplemente con una cuchara.

Otro experimento también demostró que la leche podía concentrarse con éxito utilizando la filtración de hidratos a presión.

Capas finas de hidrato

Como ningún contaminante o material cosechado puede penetrar en la profundidad del hidrato, es posible hacer que la capa de hidrato sea lo más fina posible. Esto no sólo disminuye el coste del proceso, sino que también aumenta el caudal durante la filtración. Hicimos que el espesor de la capa de hidrato fuera tan fino como el tamaño de una micra (por ejemplo, por debajo de 500 micras, o del orden de decenas de micras, o incluso por debajo de las 10 micras) mediante el siguiente proceso. El siguiente proceso también hace que el espesor de la capa de hidrato sea constante en todo el medio filtrante.

En la figura 20A se muestra la sección inferior de una unidad de filtro de presión Amdel que se utilizó para las pruebas anteriores de filtración a presión. Esta sección se ha mejorado utilizando un disco filtrante plano de titanio sinterizado. Se utilizaron dosis bajas de hidrato mezcladas en agua para hacer una solución de hidrato muy diluida. Bajo la capa de hidrato se puede colocar un medio filtrante poroso muy plano y liso. Por ejemplo, utilizamos un disco de titanio sinterizado (tamaño de poro inferior a 2 micras), bajo la capa de hidrato y se sella utilizando pegamento de sellado a prueba de agua (también se pueden utilizar otros equipos de sellado como el caucho) (fig. 20B). El titanio sinterizado fijado en el fondo del equipo de filtración a presión permite el paso del agua mientras el hidrato forma una fina capa en la parte superior. También se pueden utilizar otros medios filtrantes sinterizados similares o medios filtrantes finos como plásticos porosos, o tejidos finos, membranas o papel de filtro. Este titanio sinterizado es muy duro y resistente a la alta presión. También tiene una forma muy suave que permite que se acumule una capa muy fina (del orden de menos de 500 micras, o menos de decenas de micras, o incluso menos de 10 micras) y consistente de hidrato por encima (fig. 20C). También es resistente a los ácidos y a los álcalis. Por lo tanto, es posible lavarlo fácilmente con ácido al final de la filtración para evitar la acumulación de cualquier depósito dentro del filtro. Los poros del filtro de titanio sinterizado bajo un microscopio (100 veces ampliado) se muestran en la Fig. 20D.

La solución de hidrato diluida se añadió sobre el medio filtrante que retiene el hidrato y se dejó sedimentar. Si la solución es muy diluida, el hidrato puede no asentarse de forma natural. Por lo tanto, aplicamos bajas presiones 68,9-275,8 kPag (10-40 psig) durante varios minutos después de verter la solución de hidrato diluida. Este paso hace que todos los hidratos en solución se asienten y formen una película de capa de hidrato consistente y muy fina en los medios de filtrado de retención. La velocidad de flujo de la filtración de hidratos con una capa de hidratos muy fina es muy alta. y los resultados de la filtración de jugo de zanahoria sin aplicar ninguna presión se muestran en la Figura 20E. Esto demuestra que incluso la capa de hidrato muy fina puede utilizarse con éxito para la filtración. Ventajosamente, las tasas de filtración son muy altas utilizando la capa de hidrato muy fina.

Las pruebas realizadas por los presentes inventores han demostrado que las tasas de flujo de filtración son significativamente mayores utilizando separadores de acuerdo con las realizaciones de la presente invención en comparación con las tecnologías de separación conocidas del arte previo. Por ejemplo, las tecnologías de separación conocidas incluyen microfiltros, filtros, nanofiltros y tecnología de ósmosis inversa. Los ultrafiltros estándar muestran un flujo de filtración de 30LMH (litros/m2/hora), los nanofiltros estándar (por ejemplo, con un tamaño de poro inferior a 2nm y una presión de funcionamiento de 1516,8 kP hasta 3516,3 (220 a 510 psi) muestran un flujo de filtración de alrededor de 20LMH, las membranas de ósmosis inversa tienen un flujo de filtración medio de alrededor de 15LMH a 1723,7 kPa (250 psi) y los biorreactores de membrana estándar muestran un flujo de 10 a 20LMH. En comparación, los flujos obtenidos mediante las realizaciones de la presente invención se muestran en la siguiente tabla 1:

Tabla 1:

(*) kPag275,8 (40 psig)

Los datos presentados en la tabla muestran 1que el filtro de hidratos funciona notablemente más rápido que las membranas convencionales de alta presión (como los ultrafiltros, los nanofiltros, las membranas de ósmosis inversa y los biorreactores de membrana). En algunos casos, incluso un filtro de hidratos a muy baja o nula presión aplicada funciona significativamente más rápido que las membranas convencionales de alta presión. Sin querer ceñirse a la teoría, se postula que esto se debe a que la capa de hidrato está compuesta mayoritariamente por agua.

Uso - kits de supervivencia de agua potable

Se necesita un sistema sencillo de tratamiento del agua para casos de emergencia. Se ha descubierto que la diarrea es una de las enfermedades más comunes que afectan a los excursionistas de larga distancia en Estados Unidos. Los actuales kits de supervivencia en el mercado, como las tabletas de purificación de agua, los filtros de carbón activado y los microfiltros, son más caros y menos efectivos que la tecnología de filtración de hidratos. Por ejemplo, las pastillas de cloro que matan los patógenos no eliminan los sólidos en suspensión y el agua no es segura para el consumo a largo plazo. Sus ingredientes activos son el cloro y el dióxido de cloro, que tienen riesgos para la salud. El agua no está inmediatamente lista para beber. El agua tratada debe permanecer al descubierto durante varias horas para que el cloro pueda evaporarse. El agua tratada con pastillas de cloro sigue estando turbia después del tratamiento. Las pastillas de cloro también dejan un sabor desagradable. Por el contrario, el filtrado de hidróxido de aluminio no sólo está libre de microorganismos (incluidos los patógenos), sino que es cristalino y agradable de beber. Tras el enjuague inicial para eliminar el exceso de sales de la fabricación del gel de hidrato, el filtrado de la filtración de hidrato también se puede beber fácilmente. Además, algunos patógenos son resistentes al cloro, mientras que un filtro de hidrato puede eliminar bacterias, hongos, microalgas (incluidas las algas verdeazules) y virus. Los filtros de carbón activado necesitan más espacio que la pequeña cantidad de gel, por lo que no son prácticos para que los lleven los excursionistas o el personal del ejército en todo momento. Los microfiltros son demasiado complicados y tienen varias piezas, y también son difíciles de transportar. Además, los kits de supervivencia actuales son más caros en comparación con los filtros de hidrato.

A diferencia de otros productos del mercado, los kits de supervivencia con filtro de hidrato capturan todos los sólidos en suspensión y los microbios y el agua tratada es tan clara como el agua destilada para beber. Su proceso de producción y envasado es muy sencillo. Por lo tanto, las fábricas de producción pueden implantarse fácilmente con los menores costes de capital y funcionamiento posibles, con equipos sencillos. Por ejemplo, un tubo de gel dentífrico que puede llevar fácilmente cualquier persona puede salvar vidas en situaciones de emergencia. Se puede suministrar fácilmente por helicóptero y otros medios en épocas de catástrofe, como las inundaciones. El filtro de hidratos puede capturar bacterias y virus dañinos y puede prevenir enfermedades peligrosas como la diarrea entre los excursionistas y las fuerzas armadas. Alternativamente, el gel de hidrato puede producirse en el lugar requerido utilizando sulfato de aluminio y bicarbonato de sodio como se muestra en la fórmula (1).

Se puede hacer una variedad de kits de supervivencia diferentes basados en esta tecnología. Un simple envase de tubo de pasta de dientes del gel puede ser puesto en cualquier kit de supervivencia, y ser utilizado varias veces. Otro envase sencillo del gel hidratante puede consistir en poner el gel en cualquier tejido disponible durante una emergencia. Por ejemplo, se puede atar el fondo de una manga para hacer una minibolsa, añadir el gel hidratante y filtrar el agua sucia.

Convertir una botella de agua en un dispositivo de purificación de agua con gel hidratante

Se puede hacer un kit de supervivencia muy sencillo con sólo modificar las botellas de agua de plástico normales. Las únicas modificaciones necesarias son cortar la botella de agua normal en dos partes y poner una rosca interna en la sección inferior (véase la figura 17, número de referencia 21) y dos roscas externas en la sección superior (figura 17, números de referencia 22 y 23). Para aplicaciones normales, la botella es la misma que una botella de agua de plástico normal. Esto se muestra en la figura 18. Sin embargo, en caso de emergencia, la sección superior de la botella puede abrirse mediante un giro y, a continuación, invertirse y conectarse al revés con la sección inferior, como se muestra en la figura 19. La tapa está equipada con un medio filtrante similar a un tejido (véase la figura 20, número de referencia 24) que retendrá el gel. El gel se vierte en el interior y después de añadir agua sucia, el filtrado que es agua limpia se recoge en la sección inferior. agua limpia se recogerá en la sección inferior. Después de archivar la sección inferior, un vaso de agua filtrada segura sin turbidez y patógenos está listo para ser bebido. Este ciclo puede repetirse varias veces.

También es posible prellenar la tapa con el gel y colocar un adhesivo como en el interior para mantener el gel en la tapa y evitar que se seque el gel (fig. 21, número de referencia 25). El gel puede ser sellado usando diferentes materiales como cera para sellar botellas o gel de agarosa u otra tapa de plástico en el interior que puede ser colocada durante el proceso de fabricación de la botella. Durante las emergencias se puede quitar la pegatina de la tapa y se puede realizar la filtración. También es posible vender sólo la tapa precargada con gel para que se adapte a las botellas de plástico estándar. En caso de emergencia, el usuario sólo tendrá que cambiar la tapa, y luego cortar la botella para recoger el filtrado o recoger el filtrado en otra botella o vaso. La tapa rellena de gel hidratante también puede colocarse sobre las botellas de agua exprimibles.

Las botellas de agua de plástico son un grave problema medioambiental en el mundo. Se desperdician muchos combustibles fósiles durante su producción y transporte. En su mayoría acaban en los vertederos y tardan hasta 1000 años en descomponerse. Esta tecnología también puede ayudar indirectamente al medio ambiente. Ayuda a la gente a reutilizar su botella de agua. La gente y los excursionistas no pueden tirar su botella de agua porque también es su valioso kit de supervivencia, y puede salvar su vida en caso de emergencia.

Esta sencilla modificación de las botellas de plástico estándar es práctica y de muy bajo coste, y convierte la problemática botella de plástico de agua en un útil kit de supervivencia. También puede venderse como un reemplazo más útil de las botellas de plástico estándar de agua en los mercados en cadena de todo el mundo. Además, la calidad del agua del grifo es muy baja para su consumo seguro en muchas ciudades y regiones rurales de todo el mundo, especialmente en los países en desarrollo. Por ello, la gente compra cada día botellas de agua de plástico convencionales. Con la introducción de estas nuevas botellas de agua, muchas personas pueden tener en casa un equipo de tratamiento de agua potable pequeño, barato y sencillo. Pueden filtrar el agua del grifo varias veces y ahorrar dinero.

Uso - nuevos filtros de laboratorio de gel hidratante

La mayoría de los filtros de laboratorio actuales en el mercado están en el rango de tamaño de micras. No existe ningún filtro de laboratorio actual que pueda eliminar todas las bacterias y hongos y romper las emulsiones de aceite y agua y separar los pigmentos disueltos y las partículas de tamaño nanométrico de las diferentes soluciones. Los filtros de bajo tamaño de poro son caros y, por lo tanto, no son prácticos para operar regularmente en el trabajo diario de laboratorio. Los filtros de laboratorio que existen actualmente en el mercado son papeles filtrantes, cápsulas, cartuchos y membranas de ésteres de celulosa mixtos (MCE). No pueden capturar las bacterias y los virus ni romper las emulsiones de aceite en agua de forma similar a los filtros de hidrato. Los filtros de hidrato pueden lograr todos estos resultados. Además, los filtros de laboratorio de hidrato tienen un coste muy bajo en comparación con los productos de nanofiltración disponibles actualmente para los laboratorios.

Para formar un filtro de laboratorio de gel hidrato, se puede inyectar un gel espeso entre dos papeles de filtro pegados (u otros medios y tejidos similares de bajo tamaño de poro) y se puede utilizar varias veces. Se puede sellar en un envase adecuado para evitar la pérdida de agua y el secado del filtro de laboratorio de hidrato. Utilizando este tipo de envase, el filtro de laboratorio puede almacenarse durante varios años. También es posible vender tubos de diferentes tipos de gel espeso como precapas de papel de filtro. Se purificaron 200 mL de agua turbia del río Brisbane utilizando este tipo de filtro de laboratorio. Los resultados son similares a los de otras pruebas y el filtrado era agua clara. Los sólidos en suspensión y las bacterias fueron capturados en la parte superior del filtro, que puede ser recogido. Es posible reutilizar este filtro varias veces con un simple lavado. Tras el lavado, se eliminaron todos los contaminantes capturados en el papel de filtro y éste se recuperó de forma similar a uno nuevo. Este filtro de laboratorio de hidratos fue reutilizado varias veces sin ningún problema. También es posible inyectar diferentes tipos de geles de hidrato para diferentes aplicaciones y pruebas.

Uso: filtros pequeños, como los de las piscinas

La tecnología de filtración de hidratos tiene también el potencial de ser utilizada para aplicaciones a pequeña escala, como las piscinas, y ser utilizada como un nuevo método de desinfección y saneamiento. El saneamiento adecuado es necesario para mantener la claridad visual del agua de la piscina y para prevenir la transmisión de enfermedades infecciosas. En la actualidad, la filtración se utiliza para eliminar contaminantes como la suciedad y los residuos, y el cloro se utiliza para eliminar los organismos infecciosos. Los filtros convencionales de arena o tierra de diatomeas se utilizan normalmente como filtros de piscina. Los procesos de filtración convencionales no son suficientes para desinfectar completamente el agua de la piscina, por lo que se utilizan el cloro y el bromo como desinfectantes para piscinas. El agua se hace pasar por un filtro y luego se devuelve a la piscina. Un filtro de arena alimentado a presión generalmente filtrará las aguas turbias de partículas no inferiores a las micras10, mientras que el filtro de hidrato puede separar las partículas nanométricas. Los filtros de arena no suelen eliminar las algas ni los virus del agua de la piscina.

Los compuestos generadores de cloro utilizados para la desinfección son tóxicos. Los productos químicos de desinfección como el cloro y otros materiales presentes en el agua pueden generar subproductos de desinfección (DBP). Los subproductos de la desinfección son el resultado de las reacciones entre la materia orgánica e inorgánica del agua con los agentes de tratamiento químico durante el proceso de desinfección del agua. Los subproductos de la desinfección están asociados a efectos negativos para la salud humana. La cloramina produce N-nitrosodimetilamina (NDMA), que es un posible carcinógeno humano, así como DBPs yodados altamente genotóxicos, como el ácido yodoacético, cuando el yoduro está presente en las aguas de origen. El cloro residual (y otros desinfectantes) también puede reaccionar en la red de distribución, tanto por reacciones posteriores con la materia orgánica natural disuelta como con las biopelículas presentes en las tuberías. Además, algunos agentes patógenos son resistentes al cloro, mientras que los filtros de hidrato pueden eliminar todas las bacterias, las microalgas (incluidas las algas verdeazuladas) y los hongos y virus.

A diferencia de los filtros de arena convencionales, un sistema de separación de piscinas basado en la tecnología de separación de hidratos captura todos los sólidos en suspensión y el filtrado es agua clara. En una sola etapa, se capturan todos los sólidos en suspensión y las bacterias y hongos, por lo que no es necesario realizar otros procesos de desinfección problemáticos. Gracias a la tecnología de filtración por hidratos, no es necesario utilizar la desinfección por cloro tóxico, por lo que no se generan subproductos de desinfección por cloro tóxico (DBP) con esta tecnología. El mercado de las piscinas es amplio; por ejemplo, el 11,7% de los hogares australianos tienen piscinas. Además, debido a la altísima calidad del producto filtrado, en comparación con otros filtros del mercado, esta tecnología puede utilizarse específicamente para piscinas públicas o de casas de lujo, hoteles de cinco estrellas y complejos turísticos.

El gel hidratante puede utilizarse en una variedad de sistemas de filtración convencionales y de diferentes formas, como filtros de tambor rotativo, filtros de vacío y filtros de cinta. Sin embargo, también es posible simplemente ampliar el equipo de prueba de filtración a pequeña escala utilizado en los ejemplos anteriores detallados anteriormente. Se necesita una estructura resistente para soportar el tejido del fondo, como una chapa galvanizada agujereada o una malla metálica. Para evitar la destrucción del gel, es posible pulverizar el líquido en el tanque hasta que la profundidad del agua sea lo suficientemente alta como para permitir el llenado rápido del tanque. También es posible poner una tela o un metal o plástico duro y poroso similar encima del gel de hidrato, o poner unos deflectores debajo del tubo de alimentación. En la figura 22 se muestra otro diseño en el que una región de menor diámetro 28 alberga el gel de hidrato. El agua se alimenta en el piso inclinado 30 y corre por el piso inclinado 30 hacia el gel de hidrato en la sección 28. Así, este diseño puede no necesitar una pulverización fina u otras medidas para evitar la destrucción del gel, ya que el agua se vierte sobre la sección metálica inclinada. Para aumentar el caudal de este diseño para algunas aplicaciones específicas, también es posible colocar una cámara de vacío debajo del tanque o introducir aire comprimido en la parte superior del tanque a través de una tubería similar a las utilizadas en los compresores convencionales. Este sencillo sistema puede fabricarse a muy bajo coste mediante una simple modificación de los depósitos de agua convencionales. Funciona sin aporte de energía y electricidad si el agua se alimenta y extrae por gravedad. Este sistema puede servir para el tratamiento de agua potable de un pueblo o de un emplazamiento minero remoto o de una base militar remota. También puede instalarse fácilmente en un camión como una simple instalación móvil de tratamiento de agua potable. Un sistema de filtración y saneamiento de piscinas similar al de la fig. 23, no sólo es de muy bajo coste y su mantenimiento es sencillo y consume menos electricidad, sino que además no necesita la problemática desinfección con cloro y, por tanto, es más seguro para su uso.

Diseños alternativos

Los separadores de membrana de hidrato pueden diseñarse en una variedad de formas y sistemas. También pueden diseñarse de forma similar a las membranas de ósmosis inversa convencionales (fig. 28). En este diseño, las moléculas de agua están en ambos lados de la capa de hidrato, y todas las secciones de la capa de hidrato estarán completamente empapadas de agua en cualquier momento del proceso de filtración. Por lo tanto, la relación entre el número de moléculas de agua y de hidróxido metálico será consistente en cada sección del hidrato. Esto puede ser una ventaja en algunas aplicaciones. Un posible diseño conceptual a mayor escala de este sistema se muestra en la fig. 28. Un compresor u otro equipo de presión similar aplica presión en un lado del filtro. En la figura 28, las moléculas de agua y los compuestos hidrofílicos se desplazan hacia el lado derecho de la membrana de hidrato, mientras que los contaminantes (del agua) o los compuestos hidrofóbicos y los pigmentos (de los zumos) se acumulan y concentran en el lado izquierdo de la membrana de hidrato. Dado que el filtro de hidrato trabaja relativamente rápido en comparación con las membranas convencionales a muy baja presión, lo más probable es que incluso una presión de cabeza sea suficiente para garantizar una tasa de filtración adecuada en este diseño, aunque también es evidente que se puede aplicar presión para aumentar la tasa de filtración. Otro diseño similar se muestra en la figura 29.

Otro diseño de una unidad de filtro de hidrato puede ser de flujo cruzado (tangencial). En este diseño, el flujo de alimentación viaja tangencialmente a través de la superficie del filtro de hidrato, en lugar de entrar en el filtro (fig.

30). La principal ventaja de este diseño es que, a diferencia del filtro de lote, la torta de filtración se lava, lo que permite que el proceso sea continuo en lugar de por lotes. Utilizando este diseño se produce menos cegamiento en comparación con el diseño de punto muerto. Una bomba puede reciclar y recircular la alimentación varias veces alrededor de la unidad hasta alcanzar la concentración deseada y el retentado concentrado se transfiere fuera de la unidad.

Otros usos

Hay miles de plantas químicas, petroquímicas y refinerías de petróleo en todo el mundo que pueden utilizar esta tecnología de separación. Miles de plantas pequeñas y medianas también pueden utilizar esta tecnología debido a sus bajos costes de capital y de explotación.

La tecnología también puede utilizarse en procesos industriales de microbiología y en procesos farmacéuticos, especialmente para abordar los requisitos de deshidratación y separación altamente costosos para aislar los productos deseados.

La tecnología también puede utilizarse para tratar los efluentes de las minas y en el tratamiento de las aguas residuales. Además, algunos componentes preciosos, como el oro, pueden perderse como sólidos en suspensión en los efluentes de las minas. También es posible recuperar materiales sólidos preciosos en suspensión, como pequeñas partículas de oro o polvo de carbón, de los efluentes de las minas.

Ejemplos comparativos - otros tipos de geles como el de agarosa

El gel de agarosa (2%) se hace mezclando 2 g de agar en 100 mL de agua destilada y calentándolo durante un minuto en un microondas. En estado líquido calentado pasa a través del tejido geotextil que se ha utilizado para retener las capas de hidróxido de los ejemplos anteriores dados en esta especificación. A continuación, se empapó el equipo de filtración y se dejó solidificar el gel de agarosa por enfriamiento. Se añadió agua del río Brisbane sobre los geles. Mientras que el gel de hidróxido de aluminio filtra el agua rápidamente, no pasó ni una gota de agua por el gel de agarosa. Incluso después de varios días, ninguna gota de agua pasó el gel de agarosa. Este experimento muestra que el gel de hidrato de hidróxido de aluminio es diferente a los geles convencionales como el gel de agarosa. Por ello, en la presente invención se ha denominado gel de hidrato y no gel. Aunque su apariencia es similar a la de los geles convencionales, su textura al tacto es similar a la de las cremas ligeras acuosas. Las moléculas de agua están sueltas y pueden salir fácilmente del hidrato. Los geles convencionales son sólidos a bajas temperaturas y las moléculas de agua están fuertemente unidas a la agarosa y no pueden abandonar el gel. Si los geles convencionales, como los de agarosa, se calientan, se convertirán en líquidos y, por tanto, no pueden utilizarse como precapa. Sin embargo, la estructura del gel de hidrato no cambia por el calentamiento. Si el hidróxido de aluminio se calienta, su aspecto y sus propiedades físicas y químicas no cambiarán, y podrá seguir utilizándose como precapa de filtración. Por ello, el término hidrato de hidróxido de aluminio es más apropiado que el de gel de hidróxido de aluminio.

Ejemplo - diseño básico del separador de gel de hidrato

La figura 23 muestra un diseño básico de un separador de gel de hidrato de acuerdo con una realización de la presente invención. Los componentes mostrados en la figura 23 que se sitúan por encima del agua limpia estarán normalmente situados dentro de una carcasa. La carcasa tendrá normalmente paredes laterales que retienen el tejido de retención, el filtro de gel de hidrato, el tejido de superficie y la mezcla de agua con partículas. La carcasa tendrá normalmente un fondo poroso o permeable situado directamente debajo del tejido de retención.

El separador comprende un tejido de retención, que puede ser un tejido geotextil o cualquier otro tejido que tenga un tamaño de poro suficientemente pequeño para retener el gel de hidrato. La capa de gel de hidrato se mantiene en la parte superior de la tela de retención y es retenida por la tela de retención. Puede colocarse un tejido superficial opcional sobre la capa de gel de hidrato si se desea recuperar las partículas u otros componentes separados de la mezcla. La mezcla de agua y partículas (u otros componentes, como microorganismos o moléculas no polares o hidrofóbicas) se coloca por encima de la capa de gel hidratante. El agua, las sales disueltas y los líquidos polares pueden atravesar la capa de gel de hidrato y, como resultado, estos componentes se separan de los otros componentes que no pueden atravesar la capa de gel de hidrato. Los componentes que atraviesan la capa de gel de hidrato pueden ser recogidos en el "agua limpia" que se encuentra debajo de la capa de gel de hidrato. Los componentes que no pueden atravesar la capa de gel de hidrato se acumulan en la parte superior del tejido superficial (cuando el tejido superficial está presente) o, en ausencia del tejido superficial, en la parte superior de la capa de gel de hidrato.

En la presente especificación y en las reivindicaciones (si las hay), la palabra "que comprende" y sus derivados, incluyendo "comprende" y "comprende", incluyen cada uno de los enteros indicados, pero no excluyen la inclusión de uno o más enteros adicionales.

La referencia a lo largo de esta especificación a "una realización" o "realización" significa que un rasgo, estructura o característica particular descrita en relación con la realización está incluida en al menos una realización de la presente invención. Por lo tanto, la aparición de las frases "en una realización" o "en una realización" en varios lugares a lo largo de esta especificación no se refieren necesariamente a la misma realización. Además, las características particulares, las estructuras o las características pueden combinarse de cualquier manera adecuada en una o más combinaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un separador para separar uno o más componentes seleccionados entre material particulado, material hidrofóbico, material no polar, microorganismos o virus de una mezcla de agua y el uno o más componentes o de una mezcla de un líquido polar y el uno o más componentes, comprendiendo el separador un retenedor poroso, caracterizado porque el separador comprende una capa continua de un gel de hidróxido de metal y el retenedor poroso sirve para retener la capa de gel de hidróxido de metal, estando el separador estructurado de tal manera que el líquido debe pasar a través de la capa de gel de hidróxido de metal antes de poder salir del separador para garantizar que todo el filtrado ha pasado a través de la capa de gel de hidróxido de metal el retenedor poroso está situado a continuación de la capa de gel de hidróxido de metal, y la capa continua de gel de hidróxido de metal retiene uno o más componentes en la capa continua mientras el agua o el líquido polar pasa a través de la capa continua, la capa continua de gel de hidrato de hidróxido metálico tiene un espesor de entre 1 micra y 1 metro, y el gel de hidrato de hidróxido metálico se selecciona entre uno o más de los siguientes: hidrato de hidróxido de aluminio, hidrato de hidróxido de magnesio, hidrato de hidróxido de zinc, hidróxido de manganeso, hidróxido de cobalto e hidróxido de níquel.

2. Un separador según la reivindicación 1, donde el retenedor poroso comprende una tela, un material tejido, un material foraminado, un material sólido que tiene uno o más agujeros o poros en él, un material cerámico poroso o un material sinterizado.

3. Un separador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el separador comprende una entrada por la que la mezcla entra en el separador y una salida por la que el agua o el líquido polar que ha atravesado la capa del gel de hidróxido sale del separador.

4. Un separador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el separador comprende además un retenedor situado corriente arriba de la capa de gel de hidróxido metálico.

5. Un separador según la reivindicación 4, donde el retenedor corriente arriba comprende una tela, un material tejido, un material foraminado, un material sólido que tiene uno o más agujeros o poros en él, un material cerámico poroso o un material de malla.

6. Un separador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la capa de gel de hidróxido metálico tiene un espesor de 1 micra a 50 cm, o de 1 micra a 30 cm o más, o de 1 micra a 10 cm, o de 1 micra a 5 cm, o de 1 micra a 10 mm, o de 1 micra a 5 mm, o de 1 micra a 1 mm.

7. Un separador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el gel de hidróxido metálico tiene al menos 10 moléculas de agua asociadas a cada molécula de hidróxido metálico, o al menos 16 moléculas de agua asociadas a cada molécula de hidróxido metálico, o al menos 20 moléculas de agua asociadas a cada molécula de hidróxido metálico, o al menos 30 moléculas de agua asociadas a cada molécula de hidróxido, o de 30 a 400 moléculas de agua asociadas a cada molécula de hidróxido metálico, o de 37 a 300 moléculas de agua asociadas a cada molécula de hidróxido metálico, o de 37 a 90 moléculas de agua asociadas a cada molécula de hidróxido metálico.

8. Un método para separar uno o más componentes seleccionados entre material particulado, material hidrofóbico, material no polar, microorganismos o virus de una mezcla de agua y el uno o más componentes o de una mezcla de un líquido polar y el uno o más componentes, caracterizado porque el método comprende alimentar la mezcla a un separador como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, y hacer que el agua o el líquido polar de la mezcla pase a través de la capa continua de gel de hidróxido de metal mientras que los uno o más componentes se retienen en la capa continua de gel de hidróxido de metal, donde el gel de hidróxido de metal se selecciona entre uno o más de hidróxido de aluminio, hidróxido de magnesio, hidróxido de zinc, hidróxido de manganeso, hidróxido de cobalto e hidróxido de níquel.

9. Un método según la reivindicación 8 donde se aplica presión a la mezcla.

10. Un método según la reivindicación 8 o reivindicación 9 donde el gel de hidróxido de metal se prepara generando el hidróxido de metal en agua o en una solución acuosa para formar así el hidrato de hidróxido de metal o en el que el gel de hidróxido de metal se prepara mezclando dos o más reactivos para formar así el hidrato de hidróxido de metal o el hidrato de hidróxido de metal se forma por electrólisis.