ES2976361T3 - Sistema electroquímico con recirculación de concentración en modo discontinuo cíclico - Google Patents

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Abstract

Un método para operar un dispositivo electroquímico incluye descargar periódicamente un volumen de concentrado rechazado en un ciclo por lotes cronometrado y reemplazar el concentrado rechazado con agua de alimentación. Un sistema de tratamiento de agua electroquímico incluye una línea de reciclaje que tiene una válvula controlada por un módulo de control. El módulo de control abre periódicamente la válvula para descargar el concentrado rechazado de la línea de reciclaje en un ciclo cronometrado por lotes. La línea de reciclaje se alimenta con agua de alimentación para reemplazar el concentrado rechazado descargado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema electroquímico con recirculación de concentración en modo discontinuo cíclico
Campo de la tecnología
Los aspectos y realizaciones divulgados en la presente memoria se relacionan con sistemas electroquímicos de tratamiento de agua y procedimientos de funcionamiento de los mismos. Más en particular, los aspectos y realizaciones divulgados se relacionan con sistemas electroquímicos capaces de descargar periódicamente el rechazo de concentrado en un ciclo discontinuo temporizado y procedimientos de funcionamiento de un dispositivo de separación electroquímica al descargar periódicamente el rechazo de concentrado en un ciclo discontinuo temporizado.
Compendio
Según la invención, se proporciona un procedimiento de funcionamiento de un dispositivo de separación electroquímica según la reivindicación 1 y un sistema según la reivindicación 7. El dispositivo de separación electroquímica comprende un compartimento de dilución, un compartimento de concentración, una membrana de intercambio iónico, un primer y un segundo electrodo, una primera corriente de alimentación conectada de forma fluida al compartimento de dilución, una segunda corriente de alimentación conectada de forma fluida al compartimento de concentración y una corriente de reciclaje del compartimento de concentración.
El procedimiento comprende dirigir la primera corriente de alimentación al compartimento de dilución para producir una corriente de producto y dirigir la segunda corriente de alimentación al compartimento de concentración para producir una corriente de rechazo. El procedimiento comprende reciclar la corriente de rechazo al compartimento de concentración. El procedimiento comprende además descargar periódicamente un volumen de la corriente de rechazo que tiene una primera concentración de iones en un ciclo discontinuo temporizado. El procedimiento comprende sustituir el volumen descargado de la corriente de rechazo por un volumen fundamentalmente equivalente de la segunda corriente de alimentación que tiene una segunda concentración de iones menor que la primera concentración de iones.
En algunas realizaciones, el procedimiento comprende invertir periódicamente la polaridad del primer y del segundo electrodo. De forma adicional o alternativa, el procedimiento puede comprender además intercambiar las trayectorias de flujo de la primera corriente de alimentación y la segunda corriente de alimentación, de modo que la primera corriente de alimentación se dirija al compartimento de concentración y la segunda corriente de alimentación se dirija al compartimento de dilución. La inversión periódica de la polaridad puede coordinarse con una temporización de la descarga periódica de la corriente de rechazo. El intercambio de las trayectorias de flujo puede coordinarse con la temporización de la inversión periódica de la polaridad y/o la temporización de la descarga periódica de la corriente de rechazo.
El procedimiento comprende además mezclar la corriente de rechazo con la segunda corriente de alimentación para producir una mezcla de rechazo y la segunda alimentación. En dichas realizaciones, el procedimiento puede comprender descargar un volumen de mezcla de rechazo y la segunda alimentación. El procedimiento puede comprender además sustituir el volumen descargado de mezcla de rechazo y la segunda alimentación por un volumen fundamentalmente equivalente de la segunda corriente de alimentación.
En algunas realizaciones, el procedimiento comprende además mezclar la corriente de rechazo con una tercera corriente de alimentación para producir una mezcla de rechazo y la tercera alimentación. La tercera alimentación puede tener una tercera concentración de iones inferior a la segunda concentración de iones. La corriente de rechazo se puede mezclar tanto con la segunda corriente de alimentación como con la tercera corriente de alimentación para producir una mezcla del rechazo, la segunda alimentación y la tercera alimentación. En dichas realizaciones, el procedimiento puede comprender descargar un volumen de mezcla de rechazo y la tercera alimentación o de la mezcla del rechazo, la segunda alimentación y la tercera alimentación. El procedimiento puede comprender además sustituir el volumen descargado de mezcla de rechazo y la tercera alimentación o de la mezcla del rechazo, la segunda alimentación y la tercera alimentación por un volumen fundamentalmente equivalente de por lo menos una de entre la segunda corriente de alimentación y la tercera corriente de alimentación.
El procedimiento puede comprender descargar periódicamente el volumen de la corriente de rechazo cuando la primera concentración de iones alcanza una concentración suficiente para formar un precipitado. Descargar el rechazo y sustituirlo por una segunda corriente de alimentación o una tercera corriente de alimentación, cada una de las cuales tiene una concentración de iones menor que la del rechazo, puede reducir la concentración iónica global de la corriente reciclada.
En algunas realizaciones no limitantes, el volumen de la corriente de rechazo puede descargarse periódicamente durante aproximadamente 0,5 minutos a aproximadamente 2,0 minutos. La corriente de rechazo puede descartarse en ciclos discontinuos temporizados de entre aproximadamente 15 minutos y aproximadamente 25 minutos.
Según la invención, se proporciona un sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo de separación electroquímica. Según algunas realizaciones, el dispositivo de separación electroquímica es uno de entre un dispositivo de electrodiálisis y un dispositivo de electrodesionización.
El dispositivo de separación electroquímica comprende un compartimento de dilución que tiene una entrada y una salida de producto, un compartimento de concentración que tiene una entrada y una salida de rechazo, una membrana de intercambio iónico situada entre el compartimento de dilución y el compartimento de concentración, y un primer y un segundo electrodo situado en los extremos distales del dispositivo de separación electroquímica. El sistema comprende además una primera línea de alimentación conectada de forma fluida a la entrada del compartimento de dilución y una segunda línea de alimentación conectada de forma fluida a la entrada del compartimento de concentración. El sistema comprende una línea de reciclaje conectada de forma fluida a la salida de rechazo y a la entrada del compartimento de concentración.
El sistema comprende además un módulo de control en comunicación eléctrica con una válvula ubicada en la línea de reciclaje. El módulo de control está configurado para descargar periódicamente un volumen del rechazo de concentrado de la línea de reciclaje en un ciclo discontinuo temporizado. El módulo de control está configurado además para suministrar un volumen fundamentalmente equivalente de segunda alimentación al compartimento de concentración.
El sistema comprende además uno o más sensores. El sistema comprende un sensor conectado de forma fluida a la salida de rechazo configurado para medir la concentración iónica del rechazo de concentrado. En algunas realizaciones, el sistema puede comprender además un sensor conectado de forma fluida a por lo menos una de entre la salida de rechazo y la salida de producto y configurado para medir por lo menos uno de entre la concentración iónica, el pH y el caudal del rechazo de concentrado o un producto. En algunas realizaciones, el sistema comprende uno o más sensores conectados de forma fluida a la línea de reciclaje y/o compartimento de concentración, y configurados para medir la presión absoluta o un diferencial de presión dentro de la línea de reciclaje y/o compartimento de concentración. En algunas realizaciones, el sistema comprende un sensor conectado eléctricamente al primer electrodo y al segundo electrodo y configurado para la medir tensión y/o corriente a través de los electrodos.
El módulo de control está conectado eléctricamente al uno o más sensores y configurado para actuar en respuesta a una medición recibida desde el uno o más sensores. El módulo de control está conectado eléctricamente a la salida de rechazo y puede conectarse adicionalmente al sensor de salida de producto y configurarse para descargar un volumen del rechazo de concentrado en respuesta a la medición de la concentración iónica del rechazo y puede descargar adicionalmente dicho volumen en respuesta a la medición de por lo menos uno de la concentración iónica, el pH y el caudal del rechazo o producto. En algunas realizaciones, el módulo de control está conectado eléctricamente al sensor de la línea de reciclaje y configurado para descargar un volumen del rechazo de concentrado en respuesta a la medición de la presión absoluta o diferencial de presión dentro de la línea de reciclaje y/o el compartimento de concentración. En algunas realizaciones, el módulo de control está conectado eléctricamente al primer y segundo sensor de electrodo y configurado para descargar un volumen del rechazo de concentrado en respuesta a la medición de uno de la tensión y la corriente a través de los electrodos
El sistema comprende además un depósito de mezcla situado dentro de la línea de reciclaje. El depósito de mezcla está configurado para recibir y mezclar el rechazo de concentrado y la segunda alimentación, para producir una mezcla de rechazo y la segunda alimentación. El sistema puede comprender una válvula situada en una fase posterior al depósito de mezcla y el módulo de control puede configurarse para descargar periódicamente un volumen de mezcla de rechazo y la segunda alimentación. El módulo de control puede configurarse además para suministrar el volumen de la segunda alimentación al depósito de mezcla. En algunas realizaciones, el sistema comprende un sensor conectado de forma fluida al depósito de mezcla y configurado para medir por lo menos uno de entre la concentración iónica y el pH de mezcla de rechazo y la segunda alimentación. El módulo de control puede configurarse además para descargar mezcla de rechazo y la segunda alimentación en respuesta a una medición de la concentración iónica o pH de la mezcla.
El sistema comprende una válvula situada en una fase anterior al depósito de mezcla. La válvula en una fase anterior está configurada para descargar de forma selectiva el rechazo de concentrado del sistema o para suministrar el rechazo de concentrado al depósito de mezcla.
El sistema puede comprender además más de un depósito de mezcla situado dentro de la línea de reciclaje en una configuración paralela. En algunas realizaciones, por lo menos uno de más de un depósito de mezcla está configurado para estar en comunicación fluida con el compartimento de concentración mientras que por lo menos uno de más de un depósito de mezcla está configurado para estar en espera. El depósito que está en espera puede configurarse para recibir por lo menos uno de entre el rechazo de concentrado, la segunda alimentación o la tercera alimentación.
En algunas realizaciones, el sistema puede comprender un depósito de mezcla situado dentro de la línea de reciclaje y configurado para recibir y mezclar el rechazo de concentrado y por lo menos una de entre la segunda alimentación y una tercera alimentación, para producir una mezcla de rechazo y alimentación. El sistema puede comprender una válvula de tres vías situada en una fase anterior al depósito de mezcla, configurada para dirigir una de entre la segunda alimentación y la tercera alimentación hacia el depósito de mezcla.
Breve descripción de los dibujos
Los dibujos adjuntos no están destinados a ser dibujados a escala. En los dibujos, cada componente idéntico o casi idéntico que se ilustra en diversas figuras está representado por un número similar. Con el propósito de claridad, no todos los componentes pueden estar etiquetados en todos los dibujos. En los dibujos:
la figura 1 es un dibujo esquemático de un sistema de tratamiento de agua, según determinadas realizaciones;
la figura 2 es un dibujo esquemático de un sistema de tratamiento de agua que comprende un depósito de mezcla, según determinadas realizaciones;
la figura 3 es un dibujo esquemático de un sistema de tratamiento de agua capaz de invertir las trayectorias de flujo de la primera y segunda corriente de alimentación, según determinadas realizaciones;
la figura 4 es un dibujo esquemático de un sistema de tratamiento de agua que comprende un módulo de control, según determinadas realizaciones;
la figura 5 es un gráfico del cambio en la concentración iónica del rechazo de concentrado, alimentación y producto de un dispositivo de separación electroquímica a lo largo del tiempo, según determinadas realizaciones del procedimiento de funcionamiento de un dispositivo de separación electroquímica divulgado en la presente memoria;
la figura 6 es un dibujo esquemático de un sistema de tratamiento de agua que comprende un depósito de mezcla y una tercera corriente de alimentación, según determinadas realizaciones;
la figura 7 es un dibujo esquemático de un sistema de tratamiento de agua que comprende un depósito de mezcla cerrado, según determinadas realizaciones;
la figura 8 es un dibujo esquemático de un sistema de tratamiento de agua que comprende dos depósitos de mezcla dispuestos en paralelo, según determinadas realizaciones;
la figura 9 es un gráfico del cambio en la concentración total de sólidos disueltos (TDS) y el volumen de líquido en el depósito de mezcla a lo largo del tiempo, según determinadas realizaciones del procedimiento de funcionamiento de un dispositivo de separación electroquímica divulgado en la presente memoria; y
la figura 10 es un gráfico del cambio en la concentración de TDS a lo largo del tiempo de la línea de reciclaje, alimentación y producto de un sistema que comprende dos depósitos de mezcla dispuestos en paralelo, según determinadas realizaciones.
Descripción detallada
Según la reivindicación 1, se proporciona un procedimiento de funcionamiento de un dispositivo de separación electroquímica. Los dispositivos de separación electroquímica divulgados en la presente memoria pueden comprender un compartimento de dilución, un compartimento de concentración, una membrana de intercambio iónico y un primer y un segundo electrodo. La membrana de intercambio iónico puede colocarse entre el compartimento de dilución y el compartimento de concentración. Los sistemas y procedimientos divulgados en la presente memoria pueden incluir además una primera corriente de alimentación o una primera línea de alimentación conectada de forma fluida al compartimento de dilución, una segunda corriente de alimentación o una segunda línea de alimentación conectada de forma fluida al compartimento de concentración y una corriente de reciclaje o línea de reciclaje del compartimento de concentración.
Tal como se usa en la presente memoria, "dispositivo de separación electroquímica" se refiere a un dispositivo para purificar fluidos usando un campo eléctrico. Los dispositivos de separación electroquímica pueden utilizarse habitualmente para tratar agua y otros líquidos que contienen especies iónicas disueltas. Los dispositivos de separación electroquímica incluyen, pero no se limitan a, dispositivos de electrodesionización y electrodiálisis. En algunas realizaciones, el dispositivo electroquímico tiene un diseño de placa y marco o enrollado en espiral. Dichos diseños pueden utilizarse para diversos tipos de dispositivos de desionización electroquímica, que incluyen, pero no se limitan a, dispositivos de electrodiálisis y electrodesionización. Los dispositivos de electrodiálisis disponibles comercialmente típicamente tienen un diseño de placa y marco, mientras que los dispositivos de electrodesionización pueden estar disponibles tanto en configuraciones de placa y marco como en espiral.
El documento 2005/103644 A1 se refiere a un sistema y procedimiento de tratamiento de agua. El documento US 2015/0027890 está dirigido a otro procedimiento y sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo de desionización electroquímica. El documento US 2012/0279861 está dirigido a un procedimiento y sistema de desalinización de agua salada que utiliza energía de diferencia de concentración. El documento US 6017433 enseña un proceso de desalación de corrientes que contienen azúcar.
En general, los dispositivos de separación electroquímica pueden emplear un potencial eléctrico para influir en el transporte de iones y eliminar o reducir una concentración de una o más especies ionizadas o ionizables de un fluido. Se pueden hacer funcionar dispositivos electroquímicos para estimular una o más reacciones electroquímicas diseñadas específicamente para lograr o mejorar el rendimiento de separación. Por ejemplo, los dispositivos electroquímicos pueden impulsar el transporte de iones en una dirección específica a través de membranas permeables de forma selectiva al permitir el transporte de iones en una dirección específica e impedir el transporte de iones en otra dirección específica. En determinadas realizaciones, los dispositivos electroquímicos pueden comprender membranas eléctricamente activas, tales como membranas bipolares o de intercambio iónico semipermeables o permeables de forma selectiva.
Los sistemas de electrodesionización (EDI) pueden emplear además medios eléctricamente activos para separar la una o más especies ionizadas o ionizables del fluido. Los medios eléctricamente activos típicamente sirven para recoger y descargar de manera alternada especies iónicas y/o ionizables y, en algunos casos, para facilitar el transporte de iones. El transporte de iones puede realizarse de forma continua, por ejemplo, mediante mecanismos de sustitución iónica o electrónica. Los dispositivos EDI pueden comprender medios electroquímicamente activos de carga permanente o temporal, y pueden funcionar de forma discontinua, de forma intermitente, de forma continua, y/o incluso en modos de polaridad inversa.
Una realización de EDI es la electrodesionización continua (CEDI). Los dispositivos CEDI son dispositivos EDI conocidos por los expertos en la materia que funcionan de manera que la purificación del agua puede realizarse de forma continua, mientras que el material de intercambio iónico se recarga de forma continua. Las técnicas CEDI pueden incluir procesos tales como desionización continua, electrodiálisis de células llenas o electrodiáresis. En condiciones específicas de tensión y salinidad controladas por los sistemas CEDI, las moléculas de agua se pueden dividir para generar iones o especies de hidrógeno o hidronio e iones o especies de hidróxido o hidroxilo que pueden regenerar medios de intercambio iónico en el dispositivo y así facilitar la liberación de las especies atrapadas de ahí. De esta manera, una corriente de agua a tratar puede purificarse de forma continua sin requerir recarga química de intercambio iónico.
Los dispositivos de electrodiálisis (ED) funcionan de forma parecida a los dispositivos EDI (es decir, recogen y descargan especies de manera alternada en procesos discontinuos, de forma intermitente, de forma continua o en modos de polaridad inversa). Sin embargo, los dispositivos ED típicamente no contienen medios electroactivos entre las membranas. Debido a la falta de medios electroactivos, el funcionamiento de los dispositivos ED puede verse dificultado en aguas de alimentación de baja salinidad que tienen una resistencia eléctrica elevada. Además, debido a que el funcionamiento de los ED en aguas de alimentación de alta salinidad puede dar lugar a un consumo elevado de corriente eléctrica, hasta este momento los dispositivos ED se han utilizado más eficazmente en aguas de origen de salinidad intermedia. En los sistemas basados en ED, puesto que no hay medios electroactivos, la división del agua es ineficaz y en general se evita operar en dicho régimen.
En determinados dispositivos de separación electroquímica, tales como los empleados en los sistemas y procedimientos divulgados en la presente memoria, una pluralidad de celdas o compartimentos adyacentes pueden estar separados por membranas permeables de forma selectiva que permiten el paso de especies cargadas positiva o negativamente, pero típicamente no ambas. Los compartimentos de dilución o agotamiento típicamente están interespaciados con compartimentos de concentración o concentradores en dichos dispositivos. A medida que el agua fluye a través de los compartimentos de dilución, las especies iónicas y otras especies cargadas pueden ser atraídas hacia los compartimentos de concentración bajo la influencia de un campo eléctrico, tal como un campo de CC. Las especies cargadas positivamente pueden ser atraídas hacia un cátodo, en general ubicado en un extremo de una pila de múltiples compartimentos de dilución y concentración. Las especies cargadas negativamente pueden ser atraídas hacia un ánodo de dichos dispositivos, en general situado en el extremo opuesto de la pila de compartimentos. Los electrodos pueden alojarse en compartimentos de electrolitos que en general están parcialmente aislados de la comunicación fluida con los compartimentos de dilución y/o concentración. Una vez en un compartimento de concentración, las especies cargadas pueden quedar atrapadas por una barrera de membranas permeables de forma selectiva, que definen por lo menos parcialmente el compartimento de concentración. Por ejemplo, se puede impedir que los aniones migren más hacia el cátodo, fuera del compartimento de concentración, mediante una membrana selectiva de cationes. De forma parecida, se puede impedir que los cationes migren más hacia el ánodo, fuera del compartimento de concentración, mediante una membrana selectiva de aniones. Una vez capturadas en el compartimento de concentración, las especies cargadas atrapadas pueden eliminarse en una corriente de rechazo de concentrado.
En los dispositivos de separación electroquímica, el campo eléctrico se aplica en general a los compartimentos desde una fuente de tensión y corriente eléctrica aplicada al primer y al segundo electrodo. La fuente de tensión y corriente, denominada en la presente memoria colectivamente "fuente de alimentación", puede alimentarse por una variedad de sistemas, tales como una fuente de potencia de CA o, por ejemplo, una fuente de potencia derivada de la potencia solar, eólica o undimotriz.
En las interfaces electrodo-líquido, pueden producirse reacciones electroquímicas de media celda que inician y/o facilitan la transferencia de iones a través de las membranas y compartimentos. Las reacciones electroquímicas específicas que se producen en las interfaces del electrodo y la membrana pueden controlarse parcialmente mediante la concentración iónica en los compartimentos especializados que albergan los conjuntos de electrodos. Por ejemplo, una alimentación al compartimento del ánodo del electrolito que tenga un alto contenido de cloruro de sodio puede tender a generar cloro gaseoso e iones de hidrógeno, mientras que dicha alimentación al compartimento del cátodo del electrolito tenderá a generar gas hidrógeno e iones de hidróxido.
En general, el ion de hidrógeno generado en el compartimento del ánodo puede asociarse con un anión libre, como el ion cloruro, para mantener la neutralidad de la carga y crear una solución de ácido clorhídrico. De forma análoga, el ion de hidróxido generado en el compartimento del cátodo puede asociarse con un catión libre, tal como el sodio, para mantener la neutralidad de la carga y crear una solución de hidróxido de sodio. Los productos de reacción de los compartimentos de los electrodos, tales como el cloro gaseoso generado y el hidróxido de sodio, se pueden utilizar en el proceso según sea necesario para fines de desinfección, limpieza de membranas y eliminación de incrustaciones y ajuste del pH. Los sistemas y procedimientos divulgados en la presente memoria pueden comprender una línea de alimentación de electrodos configurada para suministrar una corriente de electrodos a los electrodos, una línea de electrodos que conecta de forma fluida el primer y el segundo electrodo entre sí, y una línea de rechazo de electrodos configurada para descargar los residuos de la línea de electrodos. Los electrodos pueden alimentarse con agua diluida, por ejemplo, agua de la primera línea de alimentación, o con otra solución especializada.
En la separación electroquímica, maximizar la fracción de agua de alimentación que se convierte en agua producto puede ser un objetivo principal del proceso. La fracción de alimentación convertida se denomina en la presente memoria "recuperación". La recuperación en general se expresa como porcentaje. El aumento de la recuperación puede reducir el capital y el coste operativo por unidad de producto. Por ejemplo, una alta recuperación puede reducir la necesidad o el grado en que es necesario el pretratamiento del agua de alimentación, lo que reduce el coste de pretratamiento del agua de alimentación. Maximizar la tasa de producción y la recuperación también puede ser favorable porque muchas de estas aplicaciones están motivadas por la escasez de agua, restricciones en el uso del agua o limitaciones en la descarga.
En algunas realizaciones, el procedimiento comprende dirigir la primera corriente de alimentación al compartimento de dilución para producir una corriente de producto y dirigir la segunda corriente de alimentación al compartimento de concentración para producir una corriente de rechazo. La corriente de producto puede comprender una concentración iónica más baja que la corriente de alimentación. Los iones contaminantes en la corriente de alimentación migran hacia el compartimento de concentración, de modo que, en general, el rechazo de concentrado de salida puede comprender una mayoría concentrada de los iones contaminantes que entraron en el sistema en la corriente de alimentación.
La separación electroquímica se puede utilizar para tratar agua salobre, de río o de pozo para uso municipal e industrial, por ejemplo, desalinizando el agua de origen. También se puede utilizar para tratar aguas residuales. Un ejemplo no limitante de aguas residuales tratadas con separación electroquímica es el rechazo por ósmosis inversa (RO) para su reutilización o reciclaje. Estas fuentes de agua pueden contener múltiples tipos de iones. Por ejemplo, la alimentación puede incluir iones que reaccionan para formar precipitados e incrustaciones, tales como CaCO<3>, CaSO<4>y Mg(OH)<2>. En algunas realizaciones, la corriente de alimentación se puede tratar previamente antes de dirigirla a los compartimentos de dilución y/o concentración. Por ejemplo, la corriente de alimentación puede tratarse previamente mediante filtración o dosificación química. En determinadas realizaciones, la corriente de alimentación es rechazo de RO. El agua de alimentación puede tener una concentración total de sólidos disueltos (TDS) inferior a aproximadamente 5.000 ppm. Por ejemplo, el agua de alimentación puede tener una concentración de TDS de menos de aproximadamente 4.000 ppm, menos de aproximadamente 3.000 ppm o menos de aproximadamente 2.000 ppm de TDS.
Determinados procedimientos de funcionamiento de un dispositivo de separación electroquímica pueden comprender un paso único de agua de alimentación a través del dispositivo de separación electroquímica. Se puede hacer funcionar un sistema de separación electroquímica tratando la primera y la segunda corriente con un "paso único" a través de sus respectivos compartimentos para producir los fluidos de salida. En dichas realizaciones, una recuperación superior al 50 % requeriría que el caudal de rechazo de concentrado sea menor que el caudal del producto. Con una recuperación del 90 %, por ejemplo, el caudal del concentrado sería solo aproximadamente el 11,1 % del caudal del producto.
De forma alternativa, los sistemas y procedimientos divulgados en la presente memoria pueden emplear el reciclaje de la corriente de rechazo al compartimento de concentración. Toda o una parte de la corriente de rechazo producida por el compartimento de concentración se puede reciclar de nuevo al compartimento de concentración para reducir la alimentación requerida al dispositivo electroquímico y aumentar la recuperación. La concentración iónica dentro del compartimento de concentración y el bucle de recirculación puede aumentar en función del número de pasos del rechazo de concentrado de regreso al compartimento de concentración.
La recirculación del concentrado puede lograr una alta recuperación y al mismo tiempo mantener la velocidad del flujo en el compartimento de concentrado. La velocidad de alimentación de recirculación se puede controlar con una bomba dentro del bucle de recirculación, por ejemplo, una bomba que tiene una unidad de frecuencia variable (VFD) en el motor. Para limitar el aumento en la concentración de iones, se puede descargar una fracción de la corriente de concentrado y sustituirla por una solución que tenga una concentración de iones más baja, como se explicará con más detalle a continuación.
El caudal a través de un compartimento de dilución o concentración puede afectar no solo a la velocidad promedio y la caída de presión dentro del sistema, sino también a la distribución del flujo dentro del compartimento. Por ejemplo, en el dispositivo ED de flujo cruzado NEXED<TM>(Evoqua Water Technologies LLC, Lowell, MA), pueden desarrollarse regiones de bajo flujo en las esquinas de los compartimentos de flujo a medida que disminuye el caudal. En dichas regiones de bajo flujo, el fluido puede recircular o incluso quedarse estancado. En un compartimento de concentración, que recibe iones de compartimentos de dilución adyacentes, la concentración de especies iónicas potencialmente incrustantes puede acumularse en las regiones de bajo flujo, lo que potencialmente puede provocar precipitación y formación de incrustaciones en las membranas.
Para impedir la precipitación o la formación de incrustaciones dentro del compartimento de concentración, el procedimiento puede comprender descargar periódicamente un volumen de la corriente de rechazo que tiene una primera concentración de iones. En particular, la corriente de rechazo descargada puede ser un rechazo de concentrado dentro de una corriente de recirculación que, de otro modo, se reciclaría de nuevo al compartimento de concentración. El procedimiento puede comprender además sustituir el volumen descargado de la corriente de rechazo por un fluido que tenga una concentración de iones menor que la corriente de rechazo descargada. Así, se puede reducir la concentración iónica global en la corriente de reciclaje y el compartimento de concentración. En algunas realizaciones, el volumen descargado de la corriente de rechazo se sustituye por un volumen fundamentalmente equivalente de la segunda corriente de alimentación que tiene una segunda concentración de iones menor que la primera concentración de iones. La segunda corriente de alimentación puede ser la misma que la primera corriente de alimentación, o puede ser una corriente de alimentación separada. En algunas realizaciones, el volumen descargado de la corriente de rechazo se sustituye por un volumen fundamentalmente equivalente de una tercera corriente de alimentación, que tiene una concentración de iones menor que la primera concentración de iones.
Los sistemas y procedimientos divulgados en la presente memoria pueden emplear la descarga periódica de rechazo en un ciclo discontinuo temporizado. La sustitución del volumen descargado puede producirse de forma gradual o intermitente, según sea necesario. Por ejemplo, la sustitución del volumen descargado por un volumen de alimentación fundamentalmente equivalente puede producirse simultáneamente con la descarga del rechazo. Los sistemas y procedimientos empleados en la presente memoria utilizan un ciclo discontinuo temporizado que puede reducir el consumo global de energía, en comparación con los sistemas que emplean una descarga y sustitución continua del rechazo de concentrado. Los ciclos discontinuos temporizados pueden además reducir el riesgo de formación de incrustaciones y precipitaciones al mismo tiempo que mantienen una mayor recuperación global, reducen las variaciones de la calidad del producto durante la inversión y pueden permitir ciclos más largos entre la inversión de polaridad o la inversión de flujo.
En determinadas realizaciones, el ciclo discontinuo temporizado comprende descargar periódicamente el rechazo durante un período de tiempo predeterminado y/o descargar un volumen de rechazo predeterminado. En general, se puede abrir una válvula para permitir que el rechazo salga del sistema durante el tiempo de descarga predeterminado o hasta que se descargue el volumen predeterminado. Por ejemplo, el volumen de la corriente de rechazo puede descargarse durante entre aproximadamente 0,1 minutos y aproximadamente 5,0 minutos. En algunas realizaciones, el volumen de la corriente de rechazo se descarga durante entre aproximadamente 0,25 minutos y aproximadamente 3,0 minutos o entre aproximadamente 0,5 minutos y aproximadamente 2,0 minutos. De forma adicional o alternativa, el volumen predeterminado o rechazo descargado se puede calcular en base a uno o más del número de módulos electroquímicos dentro del dispositivo de separación electroquímica, el volumen de fluido dentro de las líneas de conexión del dispositivo y el volumen de fluido dentro de un depósito de mezcla. Por ejemplo, el volumen de descarga predeterminado puede ser el volumen de fluido en un depósito de mezcla dentro de una línea de reciclaje. El volumen de descarga predeterminado puede ser el volumen de fluido dentro de una línea de reciclaje. No según la invención, el volumen de descarga predeterminado es aproximadamente entre el 50 % y aproximadamente el 100 % del volumen de líquido en el compartimento de concentración. El volumen predeterminado comprende entre aproximadamente el 50 % y aproximadamente el 100 % del volumen de líquido en el depósito de mezcla.
El volumen predeterminado puede comprender aproximadamente el 50 %, aproximadamente el 60 %, aproximadamente el 70 %, aproximadamente el 80 %, aproximadamente el 90 % o aproximadamente el 100 % del volumen de líquido en el depósito de mezcla.
El ciclo discontinuo temporizado puede comprender repetir la descarga del rechazo en ciclos temporizados predeterminados. Por ejemplo, la descarga puede repetirse cada 25 minutos. En algunas realizaciones, la descarga se repite cada 5 minutos, cada 10 minutos, cada 15 minutos, cada 20 minutos, cada 21 minutos, cada 22 minutos, cada 23 minutos, cada 24 minutos, cada 25 minutos, cada 26 minutos, cada 27 minutos. minutos, cada 28 minutos, cada 29 minutos, cada 30 minutos, cada 35 minutos, cada 40 minutos o cada 45 minutos. En algunas realizaciones, el rechazo se descarga periódicamente en ciclos de entre aproximadamente 10 minutos y aproximadamente 30 minutos, entre aproximadamente 15 minutos y aproximadamente 25 minutos, o entre aproximadamente 20 minutos y 25 minutos.
La cantidad de tiempo predeterminada o el volumen predeterminado para la descarga de rechazo y/o los ciclos discontinuos temporizados pueden determinarse o calcularse en base a una concentración de iones dentro del compartimento de concentración. En general, el momento de la descarga de la corriente de rechazo se calcula de modo que la primera concentración de iones dentro del compartimento de concentración no aumenta hasta una concentración suficiente para formar un precipitado o incrustaciones. Sin embargo, en la práctica existen pruebas de que se puede tolerar una ligera sobresaturación de la concentración iónica dentro del concentrado. En algunas realizaciones, la concentración promedio de iones dentro del compartimento de concentración puede ser ligeramente mayor que la concentración suficiente para formar un precipitado. Sin querer estar vinculado a ninguna teoría en particular, se cree que el rechazo de concentrado puede contener una concentración iónica ligeramente superior a la concentración suficiente de iones para formar un precipitado puesto que la precipitación no se produce instantáneamente.
En determinadas realizaciones, la cantidad de tiempo predeterminada o el volumen predeterminado para la descarga de rechazo y los ciclos discontinuos temporizados se determinan en base a uno o más de la concentración iónica en la corriente de alimentación, el caudal de la corriente de alimentación, el pH de la corriente de alimentación, la concentración iónica en la corriente de producto, el caudal del producto, la corriente de rechazo, el pH de la corriente de rechazo, la tensión a través del primer y el segundo electrodo, la corriente eléctrica entre el primer y el segundo electrodo y la presión dentro del bucle de recirculación.
La cantidad de tiempo predeterminada o el volumen predeterminado para la descarga de rechazo y los ciclos discontinuos temporizados pueden determinarse mediante la corriente eléctrica medida entre el primer y el segundo electrodo. En un dispositivo de separación electroquímica, para una corriente eléctrica determinada, puede haber tasas correspondientes de transferencia iónica desde el compartimento de dilución al compartimento de concentración. La cantidad total de iones transferidos por unidad de tiempo puede denominarse "tasa de eliminación de sal", que se mide en unidades de mol/s o equiv/s. En general, la tensión aplicada necesaria para impulsar la corriente depende de la resistencia eléctrica en las membranas de intercambio iónico y en el compartimento de dilución, el compartimento de concentración y a través del primer y el segundo electrodo. La tensión también debe superar la tensión potencial de Donnan a través de cada membrana a causa de la diferencia de concentración en ambos lados de la membrana. Cuando la diferencia de concentración es grande, la tensión en el primer y el segundo electrodo puede aumentar. En un valor predeterminado, la corriente puede indicar la necesidad de descargar el rechazo del sistema.
En determinadas realizaciones, el procedimiento comprende invertir periódicamente una polaridad del primer y del segundo electrodo. Los procedimientos y sistemas divulgados en la presente memoria pueden emplear inversión de electrodos, invirtiendo la tensión aplicada al primer y al segundo electrodo, de modo que el ánodo cargado positivamente se convierta en un cátodo cargado negativamente y el cátodo cargado negativamente se convierta en un ánodo cargado positivamente. La inversión de polaridad puede efectuar un cambio en la dirección de transferencia de iones dentro del dispositivo de separación, por lo que la transferencia de iones invierte la dirección. Se puede utilizar la inversión de polaridad para impedir la precipitación de compuestos escasamente solubles dentro de los compartimentos de concentración y también puede impedir la acumulación de compuestos solubles en las membranas. Los dispositivos capaces de invertir la polaridad pueden denominarse dispositivos de inversión de electrodiálisis (EDR).
En algunas realizaciones, la temporización de la inversión de polaridad se coordina con la temporización de la descarga periódica de la corriente de rechazo. Por ejemplo, la inversión de polaridad puede producirse fundamentalmente al mismo tiempo que la descarga periódica de la corriente de rechazo. En algunas realizaciones, la inversión de polaridad puede producirse ligeramente después de la descarga periódica de la corriente de rechazo o ligeramente antes de la descarga periódica de la corriente de rechazo. En algunas realizaciones, la inversión de polaridad puede producirse durante un período de tiempo fundamentalmente tan largo como la descarga de la corriente de rechazo. En otras realizaciones, la inversión de polaridad se completa en un período de tiempo menor que la cantidad de tiempo de la descarga de la corriente de rechazo. Coordinar una temporización de la descarga de la corriente de rechazo y la inversión de polaridad puede aumentar la capacidad y eficacia de prevenir la precipitación y la formación de incrustaciones dentro del dispositivo de separación electroquímica.
De forma adicional o alternativa a la inversión de polaridad, el procedimiento puede comprender además intercambiar las trayectorias de flujo de la primera corriente de alimentación y la segunda corriente de alimentación, de modo que la primera corriente de alimentación se dirija al compartimento de concentración y la segunda corriente de alimentación se dirija al compartimento de dilución. La inversión de polaridad y/o el intercambio de trayectoria de flujo pueden comenzar después de varios ciclos de descarga del rechazo de concentrado. La inversión de polaridad y la inversión de flujo pueden cambiar eficazmente la identidad de los compartimentos, de modo que el compartimento que previamente concentraba ahora es un compartimento de dilución y el compartimento que previamente diluía ahora es un compartimento de concentración. El intercambio de la trayectoria de flujo de las corrientes de alimentación se puede efectuar con válvulas configuradas para redirigir la primera corriente de alimentación y la segunda corriente de alimentación. La inversión periódica de la polaridad puede coordinarse con una temporización de la descarga periódica de la corriente de rechazo. En algunas realizaciones, el intercambio de las trayectorias de flujo puede coordinarse con la temporización de la inversión periódica de la polaridad y/o la temporización de la descarga periódica de la corriente de rechazo. En ciclos adicionales, el procedimiento puede comprender invertir la polaridad y/o intercambiar nuevamente las trayectorias del flujo de fluido, de modo que los electrodos y/o las corrientes de alimentación vuelvan a su configuración original. De forma parecida, al análisis anterior, la coordinación de la polaridad y las inversiones de flujo con la descarga de la corriente de rechazo puede aumentar la capacidad y eficacia de prevenir la precipitación y la formación de incrustaciones dentro del dispositivo de separación electroquímica.
En un dispositivo de separación electroquímica modelo bien mezclado, el cambio de la concentración iónica en el bucle de recirculación después de una inversión se puede calcular en función del tiempo mediante la ecuación siguiente:
Donde:
C = concentración en el bucle de recirculación
<t>= constante de tiempo
t = tiempo después de la inversión
C<a>= concentración asintótica como t -> ~
C<o>= concentración inicial.
La concentración aumenta hacia un valor asintótico de C<a>, que está determinada por la velocidad de descarga del rechazo y la corriente entre los electrodos.
En algunas realizaciones, el procedimiento comprende además mezclar la corriente de rechazo con la segunda corriente de alimentación para producir una mezcla de rechazo y la segunda alimentación. Mezcla de rechazo y la segunda alimentación pueden estar dentro de la corriente de reciclaje. Por ejemplo, la corriente de rechazo y la segunda corriente de alimentación se pueden combinar en un depósito de mezcla dentro de la corriente de reciclaje. En determinadas realizaciones, el procedimiento puede comprender descargar el rechazo del sistema al descargar un volumen del rechazo y la segunda mezcla de alimentación. El procedimiento puede comprender además sustituir el volumen descargado del rechazo y la segunda mezcla de alimentación por un volumen fundamentalmente equivalente de la segunda corriente de alimentación, como se analiza previamente. El procedimiento puede comprender suministrar una mezcla de rechazo y segunda alimentación al compartimento de concentración mientras la mezcla de rechazo y la segunda alimentación no se descarga. Mezcla de rechazo y la segunda alimentación pueden tener una concentración de iones más baja que el rechazo de concentrado, lo que reduce la concentración global de iones dentro del compartimento de concentración.
En algunas realizaciones, el procedimiento comprende además mezclar la corriente de rechazo con una tercera corriente de alimentación para producir una mezcla de rechazo y la tercera alimentación. La tercera alimentación puede tener una tercera concentración de iones inferior a la segunda concentración de iones. En algunas realizaciones, la tercera corriente de alimentación tiene una concentración de iones fundamentalmente equivalente a la segunda concentración de iones. La tercera corriente de alimentación puede comprender un ácido o una base. En algunas realizaciones, la tercera corriente de alimentación puede comprender uno o más compuestos de dosificación química. La tercera alimentación puede ser el mismo fluido que en la segunda corriente de alimentación. En otras realizaciones, la tercera corriente de alimentación es agua potable o comprende una concentración de TDS de menos de aproximadamente 2.000 ppm. La corriente de rechazo se puede mezclar tanto con la segunda corriente de alimentación como con la tercera corriente de alimentación para producir una mezcla del rechazo, la segunda alimentación y la tercera alimentación. Por ejemplo, las corrientes pueden mezclarse en un depósito de mezcla, como se analiza previamente. En algunas realizaciones, el procedimiento puede comprender descargar un volumen de mezcla de rechazo y la tercera alimentación o de la mezcla del rechazo, la segunda alimentación y la tercera alimentación. El procedimiento puede comprender además sustituir el volumen descargado de mezcla de rechazo y la tercera alimentación o de la mezcla del rechazo, la segunda alimentación y la tercera alimentación por un volumen fundamentalmente equivalente de por lo menos una de entre la segunda corriente de alimentación y la tercera corriente de alimentación, como se analiza previamente. Descargar el rechazo y sustituirlo por la segunda corriente de alimentación o una tercera corriente de alimentación, cada una de las cuales tiene una concentración de iones menor que la del rechazo, puede reducir la concentración iónica global de la corriente reciclada.
Según otro aspecto, se proporciona un sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo de separación electroquímica, como se describe previamente en la presente memoria. El dispositivo de separación electroquímica puede comprender un compartimento de dilución que tiene una entrada y una salida de producto, un compartimento de concentración que tiene una entrada y una salida de rechazo, una membrana de intercambio iónico situada entre el compartimento de dilución y el compartimento de concentración, y un primer y un segundo electrodo situado en los extremos distales del dispositivo de separación electroquímica.
El sistema puede comprender además una primera línea de alimentación conectada de forma fluida a la entrada del compartimento de dilución y una segunda línea de alimentación conectada de forma fluida a la entrada del compartimento de concentración. La primera línea de alimentación puede configurarse para dirigir la primera corriente de alimentación al compartimento de dilución y la segunda línea de alimentación puede configurarse para dirigir la segunda corriente de alimentación al compartimento de concentración. En algunas realizaciones, la primera línea de alimentación y la segunda línea de alimentación se dividen a partir de una línea de alimentación general y transportan la misma corriente de alimentación. El sistema puede comprender una línea de reciclaje conectada de forma fluida a la salida de rechazo y a la entrada del compartimento de concentración. La línea de reciclaje puede configurarse para recircular el rechazo de concentrado dentro del sistema, como se analiza previamente. Las diversas líneas de alimentación y línea de reciclaje pueden comprender un número cualquiera de bombas, válvulas o válvulas de tres vías para accionar y dirigir el flujo de fluido a través del sistema. Las válvulas pueden ser válvulas automáticas, controladas por uno o más módulos de control, controladas manualmente o cualquier combinación de las mismas. Por ejemplo, las líneas pueden comprender bombas y válvulas como se ilustra en las figuras y se describe con más detalle a continuación.
En algunas realizaciones, el sistema comprende además un módulo de control en comunicación eléctrica con una válvula ubicada en la línea de reciclaje. El módulo de control puede configurarse para descargar periódicamente un volumen del rechazo de concentrado de la línea de reciclaje en un ciclo discontinuo temporizado al controlar la apertura y el cierre de la válvula. El módulo de control puede configurarse además para suministrar un volumen fundamentalmente equivalente de una alimentación más diluida al compartimento de concentración. El módulo de control puede suministrar una segunda corriente de alimentación al compartimento de concentración o una tercera corriente de alimentación separada al compartimento de concentración. En algunas realizaciones, el módulo de control está configurado para suministrar agua de alimentación a la línea de reciclaje al abrir una válvula de alimentación o activar una bomba de alimentación.
El módulo de control puede configurarse para actuar según un temporizador y/o en respuesta a una medición de una o más de la concentración iónica en la corriente de alimentación, el caudal de la corriente de alimentación, el pH de la corriente de alimentación, la concentración iónica en la corriente de producto, el caudal de la corriente de producto, el pH de la corriente de producto, la concentración iónica en la corriente de rechazo, el caudal en la corriente de rechazo, el pH de la corriente de rechazo, la tensión a través del primer y el segundo electrodo, la corriente eléctrica entre el primer y el segundo electrodo y la presión dentro de la línea de reciclaje. Por ejemplo, el módulo de control puede configurarse para descargar el rechazo si la concentración iónica dentro de la línea de reciclaje alcanza una concentración suficiente para formar un precipitado. El módulo de control puede configurarse para descargar el rechazo si el pH del rechazo dentro de la línea de reciclaje alcanza un pH predeterminado. El pH predeterminado puede ser de modo que cuando se combine con la concentración iónica medida del rechazo, los iones formen un precipitado. El módulo de control puede configurarse además para descargar el rechazo de concentrado cuando la presión dentro de la línea de reciclaje alcanza un umbral de presión predeterminado. Además, el módulo de control puede configurarse para descargar el rechazo si se cumple cualquier combinación de parámetros en la corriente de alimentación, por ejemplo, cuando la corriente de alimentación alcanza una concentración iónica y/o un pH predeterminados.
El módulo de control puede configurarse para descargar el rechazo de concentrado en un ciclo temporizado calculado en base a una o más entradas del sistema, y también puede configurarse para descargar el rechazo de concentrado si cualquier parámetro medido sobrepasa un valor predeterminado. En general, el ciclo temporizado se puede calcular en base a las entradas del sistema, incluidos uno o más tipos de agua de alimentación, caudal, presión, concentración iónica y pH de la corriente de alimentación, tensión suministrada al primer y al segundo electrodo y corriente aplicada a través del dispositivo de separación electroquímica.
El módulo de control puede configurarse para descargar el rechazo de concentrado cuando el pH del rechazo o del producto alcanza un umbral predeterminado. En algunas realizaciones, el módulo de control puede descargar el rechazo de concentrado cuando el pH del producto o rechazo es menor que aproximadamente 3 o mayor que aproximadamente 10. En otras realizaciones, el módulo de control puede descargar el rechazo de concentrado cuando el pH del producto o rechazo es menor que aproximadamente 2 o mayor que aproximadamente 11. Específicamente, el módulo de control puede descargar el rechazo de concentrado cuando el pH del producto o rechazo se encuentra fuera del intervalo de aproximadamente 3 a aproximadamente 10, a menos que el dispositivo de separación electroquímica experimente una polaridad o inversión de flujo, en cuyo caso el módulo de control puede permitir que el pH del producto o rechazo esté entre aproximadamente 2 y aproximadamente 11 antes de descargarlo. En algunas realizaciones, el pH umbral predeterminado está determinado por el precipitado o precipitados de interés. Por ejemplo, si los precipitados de interés incluyen CaCO<3>and Mg(OH)<2>, el módulo de control puede configurarse para descargar el rechazo cuando el pH es mayor que aproximadamente 6. Si el precipitado de interés incluye CaSO<4>, el módulo de control puede configurarse para descargar el rechazo cuando el pH se encuentra fuera del intervalo de aproximadamente 3 a aproximadamente 10.
El módulo de control puede además configurarse para descargar el rechazo de concentrado cuando la concentración iónica del rechazo o del producto alcanza un umbral predeterminado. No según la invención, el módulo de control puede descargar el rechazo de concentrado cuando la concentración de TDS del rechazo es mayor que aproximadamente 8.000 ppm. El módulo de control puede descargar el rechazo de concentrado cuando la concentración de TDS es mayor que aproximadamente 12.000 ppm, mayor que aproximadamente 12.100 ppm, mayor que aproximadamente 12.200 ppm, mayor que aproximadamente 12.300 ppm, mayor que aproximadamente 12.400 ppm o mayor que aproximadamente 12.500 ppm.
El módulo de control puede configurarse además para descargar el rechazo de concentrado cuando la presión dentro de la línea de reciclaje alcanza un valor predeterminado o umbral de presión. El umbral de presión se puede alcanzar cuando la presión promedio o absoluta dentro de la línea de reciclaje alcanza el valor predeterminado. El módulo de control puede configurarse además para descargar el rechazo de concentrado cuando la presión dentro del compartimento de concentración presenta un diferencial predeterminado. Específicamente, el diferencial de presión predeterminado a través del compartimento de concentración se puede medir como una caída de presión a través del compartimento de concentración. La presión se puede medir en dos o más puntos dentro del compartimento de concentración y/o línea de reciclaje para determinar el diferencial de presión.
El sistema puede comprender además uno o más sensores. En algunas realizaciones, el sistema comprende un sensor conectado de forma fluida a por lo menos una de entre la salida de rechazo y la salida de producto y configurado para medir por lo menos uno de entre la concentración iónica, el pH y el caudal del rechazo de concentrado o un producto. En algunas realizaciones, el sistema comprende uno o más sensores conectados de forma fluida a la línea de reciclaje y/o compartimentos de concentración, configurados para medir la presión dentro de la línea de reciclaje o compartimento de concentración. En algunas realizaciones, el sistema comprende un sensor conectado eléctricamente al primer electrodo y al segundo electrodo y configurado para la medir tensión y/o corriente a través de los electrodos.
El módulo de control puede estar conectado eléctricamente al uno o más sensores y configurado para actuar en respuesta a una medición recibida desde el uno o más sensores. Por ejemplo, el módulo de control puede conectarse eléctricamente a la salida de rechazo y/o al sensor de salida de producto y configurarse para descargar un volumen del rechazo de concentrado en respuesta a la medición de por lo menos uno de entre la concentración iónica, el pH y el caudal del rechazo o producto. En algunas realizaciones, el módulo de control está conectado eléctricamente al sensor de la línea de reciclaje y configurado para descargar un volumen del rechazo de concentrado en respuesta a la medición de la presión dentro de la línea de reciclaje o el diferencial de presión dentro de la línea de reciclaje y/o el compartimento de concentración. En algunas realizaciones, el módulo de control está conectado eléctricamente al primer y segundo sensor de electrodo y configurado para descargar un volumen del rechazo de concentrado en respuesta a la medición de uno de la tensión y la corriente a través de los electrodos
El sistema puede comprender un módulo de control en comunicación eléctrica con un número cualquiera de sensores, o puede comprender un módulo de control en comunicación eléctrica con cada sensor. El sistema puede comprender además un concentrador de módulo de control conectado a un número cualquiera de módulos de control. En algunas realizaciones, el módulo o módulos de control y el sensor o sensores están conectados mediante uno o más cables. En algunas realizaciones, el módulo o módulos de control y el sensor o sensores están conectados de forma inalámbrica. De forma parecida, el uno o más módulos de control pueden conectarse a la una o más válvulas en la línea de reciclaje mediante cables o de forma inalámbrica. En algunas realizaciones, un módulo de control está incluido dentro de una válvula, de modo que la propia válvula está configurada para abrirse y cerrarse automáticamente, mediante un temporizador o en respuesta a una medición recibida de un sensor.
El sistema puede comprender además un módulo de control configurado para controlar uno o más de caudal, presión y tensión suministrada al primer y al segundo electrodo. El control del caudal y la presión dentro de un dispositivo y sistema de separación electroquímica puede ser complejo y difícil. En general, el sistema puede comprender un regulador de presión en la línea de reciclaje configurado para mantener una presión constante dentro de la línea de reciclaje. La línea de reciclaje puede comprender además una bomba configurada para coordinarse con el regulador de presión para mantener la presión constante dentro de la línea de reciclaje. El primer y el segundo caudal de alimentación pueden controlarse mediante una bomba o una válvula en la primera o la segunda línea de alimentación o en una línea de alimentación general que se divide para formar la primera y la segunda línea de alimentación. El caudal de la segunda corriente de alimentación puede determinar la caída de presión a través del compartimento de concentración, que a su vez puede determinar el caudal de rechazo de concentrado fuera del compartimento de concentración y a través de la línea de reciclaje. La diferencia entre las presiones de la corriente de alimentación y las presiones de la corriente de salida en general se puede mantener por debajo de un valor establecido predeterminado para minimizar las fugas cruzadas entre los compartimentos del sistema. Dado que muchas entradas del proceso pueden afectar las múltiples salidas del proceso, el control dentro del sistema, por ejemplo, el control de caudales y presiones, puede requerir un ajuste iterativo de las entradas y puede controlarse mediante un módulo de control.
En determinadas realizaciones, el sistema comprende además un depósito de mezcla situado dentro de la línea de reciclaje. El depósito de mezcla puede ser un depósito, recipiente, cámara o compartimento configurado para recibir y mezclar el rechazo de concentrado y una corriente de alimentación, para producir una corriente mezclada que tenga una menor concentración de iones que el rechazo de concentrado. El depósito de mezcla puede ser un depósito abierto o puede ser un depósito cerrado presurizado con aire. El depósito cerrado puede utilizar aire comprimido o gas comprimido. A medida que aumenta la concentración iónica en el rechazo de concentrado, el sistema puede requerir mezclar el rechazo de concentrado con una corriente más diluida para impedir la precipitación y la formación de incrustaciones dentro de las líneas del sistema o en las membranas. El fluido mezclado puede descargarse del depósito por gravedad o mediante la presión de aire aplicada.
En algunas realizaciones, el depósito de mezcla está conectado de forma fluida a la línea de reciclaje y a la segunda línea de alimentación. El depósito de mezcla puede configurarse para recibir y mezclar el rechazo de concentrado y la segunda alimentación, para producir una mezcla de rechazo y la segunda alimentación. El sistema puede comprender una válvula situada en una fase posterior al depósito de mezcla y el módulo de control puede configurarse para descargar periódicamente un volumen de mezcla de rechazo y la segunda alimentación a través de la válvula en una fase posterior. La válvula puede situarse en una línea de salida del depósito de mezcla o dentro de la línea de reciclaje, en una fase posterior al depósito de mezcla. El módulo de control puede configurarse además para suministrar el volumen de la segunda alimentación al depósito de mezcla para sustituir el volumen descargado de la mezcla de alimentación y rechazo. El volumen de alimentación diluida suministrada al depósito de mezcla puede conectarse de forma fluida al depósito de mezcla antes de llegar finalmente al compartimento de concentración.
En algunas realizaciones, el sistema comprende un sensor conectado de forma fluida al depósito de mezcla y configurado para medir por lo menos uno de entre la concentración iónica y el pH de mezcla de rechazo y la segunda alimentación dentro del depósito de mezcla. El módulo de control puede configurarse además para descargar mezcla de rechazo y la segunda alimentación del depósito de mezcla en respuesta a una medición de la concentración iónica o el pH de mezcla de rechazo y la segunda alimentación.
Según determinadas realizaciones, el sistema puede comprender una válvula situada en una fase anterior al depósito de mezcla. La válvula en una fase anterior puede configurarse para descargar de forma selectiva el rechazo de concentrado del sistema o para suministrar el rechazo de concentrado al depósito de mezcla. En algunas realizaciones, el módulo de control puede configurarse para descargar el rechazo de concentrado de la línea de reciclaje en respuesta a una medición de la concentración iónica y/o el pH de mezcla de rechazo y la segunda alimentación.
En algunas realizaciones, el sistema puede comprender un depósito de mezcla situado dentro de la línea de reciclaje y configurado para recibir y mezclar el rechazo de concentrado y por lo menos una de entre la segunda alimentación y una tercera alimentación, para producir una mezcla de rechazo y alimentación. La tercera alimentación puede ser una corriente de alimentación diluida que tiene una concentración iónica menor que la segunda alimentación y/o que mezcla de rechazo y la segunda alimentación. En algunas realizaciones, la tercera corriente de alimentación puede comprender un ácido o una base. El sistema puede estar conectado de forma fluida tanto a la segunda línea de alimentación como a la tercera línea de alimentación. El sistema puede comprender una o más válvulas de tres vías situadas en una fase anterior al depósito de mezcla, configuradas para dirigir una de entre la segunda alimentación y la tercera alimentación hacia el depósito de mezcla a través de una línea de entrada común.
El sistema puede comprender además una configuración de línea de reciclaje paralela, en la que por lo menos una de entre las líneas paralelas comprende un depósito de mezcla. La configuración en paralelo puede permitir que el rechazo de concentrado que tiene una concentración iónica más baja recircule dentro de la línea de reciclaje, mientras que el rechazo de concentrado que tiene una concentración iónica más alta puede mezclarse con una corriente de alimentación en un depósito antes de recircularse de regreso al compartimento de concentración. El sistema puede comprender un módulo de control configurado para desviar el rechazo de concentrado al compartimento de concentración o al depósito de mezcla en respuesta a una medición de la concentración iónica o el pH del rechazo de concentrado.
El sistema puede comprender además más de un depósito de mezcla situado dentro de la línea de reciclaje en una configuración paralela. En algunas realizaciones, por lo menos uno de más de un depósito de mezcla está configurado para estar en comunicación fluida con el compartimento de concentración mientras que por lo menos uno de más de un depósito de mezcla está configurado para estar en espera. El depósito que está en espera puede configurarse para recibir por lo menos uno de entre el rechazo de concentrado, la segunda alimentación o la tercera alimentación. La configuración en paralelo se controla de modo que, en general, por lo menos un depósito se está utilizando mientras por lo menos un depósito se prepara para utilizarse. Dicha configuración puede permitir que el sistema funcione según los ciclos discontinuos temporizados sin demora.
La función y las ventajas de las realizaciones analizadas anteriormente y otras realizaciones de la invención se pueden entender mejor a partir de la descripción de las figuras a continuación, que ilustran adicionalmente los beneficios y/o ventajas del uno o más sistemas y técnicas de la invención, pero no ejemplifican el alcance completo de la invención.
Como se muestra en el dibujo esquemático ejemplar de la figura 1, un sistema de tratamiento de agua comprende un dispositivo de separación electroquímica que comprende un compartimento 160 de dilución que tiene una entrada 260 (se muestra en la figura 4) y una salida 280 de producto, un compartimento 180 de concentración que tiene una entrada 300 (se muestra en la figura 4) y un salida 320 de rechazo, una membrana 980 de intercambio iónico situada entre el compartimento 160 de dilución y el compartimento 180 de concentración, y un primer y un segundo electrodo 200, 220 situados en los extremos distales del dispositivo de separación electroquímica. El sistema puede comprender una alimentación 360 de electrodo, un rechazo 340 de electrodo y una línea 380 de electrodos que conecta de forma fluida el primer y el segundo electrodo 200, 220. El sistema comprende una primera línea 100 de alimentación conectada de forma fluida al compartimento 160 de dilución y una segunda línea 120, 130 de alimentación conectada de forma fluida al compartimento 180 de concentración. La segunda línea de alimentación puede comprender un extremo 130 en una fase anterior y un extremo 120 en una fase posterior. El extremo en una fase posterior de la segunda línea 120 de alimentación puede estar conectado al compartimento de concentración. El extremo en una fase anterior de la segunda línea 130 de alimentación puede estar conectado a una entrada de alimentación. La primera y la segunda línea, 100 y 130, de alimentación, respectivamente, pueden dividirse a partir de una línea 140 de alimentación general. La segunda línea 130 de alimentación comprende una válvula 640 configurada para permitir que la corriente de alimentación llegue al compartimento 180 de concentración, a través de la línea 240 de reciclaje. La línea 240 de reciclaje puede estar conectada de forma fluida a la salida 320 de rechazo y al compartimento 180 de concentración. La línea de reciclaje puede comprender además una bomba 400 configurada para bombear el rechazo de concentrado y/o la segunda corriente de alimentación al compartimento 180 de concentración.
En referencia a continuación al dibujo esquemático ejemplar de la figura 2, el sistema puede comprender un depósito 480 de mezcla dentro de la línea 240 de reciclaje. El depósito 480 de mezcla puede configurarse para recibir el rechazo de concentrado a través de la línea 240 de reciclaje y alimentar la corriente a través de la segunda línea 130 de alimentación para producir una mezcla de rechazo y alimentación. La mezcla se puede bombear al compartimento 180 de concentración a través de la bomba 400.
En determinadas realizaciones, como la que se muestra en el dibujo esquemático ejemplar de la figura 3, el sistema puede configurarse para intercambiar las trayectorias de flujo de la primera corriente de alimentación y la segunda corriente de alimentación. El sistema puede comprender una serie de válvulas 500, 520, 540 y 560 de tres vías configuradas para efectuar el intercambio de trayectoria de flujo de las corrientes de alimentación. Inicialmente, la válvula 500 de alimentación de tres vías puede configurarse para dirigir la primera corriente de alimentación al compartimento A, mientras que la válvula 520 de alimentación de tres vías dirige la segunda corriente de alimentación al compartimento B. En esta conformación inicial, el compartimento A puede actuar como compartimento de dilución, de modo que la válvula 540 de salida de tres vías dirige el agua del producto a la línea 280 de producto. El compartimento B puede actuar como compartimento de concentración, de modo que la válvula 560 de salida de tres vías dirija el rechazo a la línea 240 de reciclaje. Después del intercambio de trayectoria de flujo, la válvula 500 de alimentación de tres vías puede configurarse para dirigir la segunda corriente de alimentación al compartimento A, mientras que la válvula 520 de alimentación de tres vías dirige la primera corriente de alimentación al compartimento B. En esta configuración, el compartimento A puede actuar como el compartimento de concentración, dirigiendo el rechazo de concentrado a la línea 240 de reciclaje a través de la válvula 540 de salida de tres vías, mientras que el compartimento B puede actuar como el compartimento de dilución, dirigiendo el producto a la salida 280 de producto a través de la válvula 560 de salida de tres vías.
Inmediatamente después de un intercambio de trayectoria de flujo, una porción del agua que sale del compartimento que ahora es de dilución puede ser un desecho con una alta concentración de contaminantes. Así, las válvulas 540 y 560 de salida de tres vías pueden conmutarse sobre un retraso después de que las válvulas 500 y 520 de entrada de tres vías se conmuten para intercambiar las trayectorias del flujo de fluido de entrada. En algunas realizaciones, una porción del agua resultante se puede descargar a través de una línea de reciclaje o descarga. Una válvula 570 de tres vías puede desviar de forma selectiva el agua que ahora es producto a la salida 280 de producto o a la salida de reciclaje o descarga. El sistema, como se muestra en la figura 3, puede comprender una válvula 420 en la línea 320 de rechazo configurada para descargar el rechazo de concentrado del sistema.
Como se muestra en el dibujo esquemático ejemplar de la figura 4, el sistema puede comprender además sensores 900, 940 y 920, conectados de forma fluida a la salida 320 de rechazo (sensor 940), a la salida 280 de producto (sensor 920) y a la línea 240 de reciclaje (sensor 900). El sensor de salida de rechazo y el sensor de salida de producto, 940 y 920, respectivamente, pueden configurarse para medir la concentración iónica, el pH y el caudal del rechazo de concentrado y/o del producto. El sensor 900 de línea de reciclaje puede configurarse para medir la presión dentro de la línea 240 de reciclaje. Los sensores 940, 920 y 900 pueden conectarse al módulo 860 de control. El módulo 860 de control puede estar conectado eléctricamente a los sensores 940, 920 y 900 y a la válvula 420. El módulo 860 de control puede configurarse para descargar un volumen del rechazo de concentrado a través de la válvula 420 en respuesta a una medición recibida de por lo menos uno de los sensores 940, 920 y 900.
El módulo 860 de control también puede configurarse para descargar un volumen del rechazo de concentrado a través de la válvula 420 periódicamente en un ciclo discontinuo temporizado. Dicha descarga discontinua y periódica del rechazo de concentrado desde la línea de reciclaje dará como resultado picos y caídas bruscas de concentración de contaminantes en el concentrado, como se muestra en el gráfico de la figura 5. El ciclo discontinuo puede programarse de modo que la descarga periódica se produzca cuando la concentración iónica y/o el pH en el rechazo alcance una concentración y/o un pH suficiente para formar un precipitado. En consecuencia, la fuerte disminución de la concentración iónica puede impedir la formación de incrustaciones y la precipitación dentro del compartimento de concentración.
En referencia a continuación al dibujo esquemático ejemplar de la figura 6, el módulo 860 de control puede estar conectado eléctricamente a los sensores 880 y 960. El sensor 880 puede conectarse de forma fluida al depósito 480 de mezcla y configurarse para medir la concentración iónica o el pH del fluido dentro del depósito 480 de mezcla. El sensor 960 puede conectarse eléctricamente al primer y al segundo electrodo 200, 220 y configurarse para medir una tensión o corriente a través de los electrodos 200, 220. El módulo 860 de control puede conectarse a la válvula 440 y configurarse para descargar el rechazo y alimentar la mezcla desde la línea de reciclaje en respuesta a una medición recibida desde cualquiera de los sensores 880, 960, 900, 940, 920, como se analiza previamente con respecto a la válvula 420. De forma adicional o alternativa, el módulo 860 de control puede conectarse eléctricamente a las válvulas 420 y/o 460 y configurarse para descargar el rechazo o mezclar a través de las válvulas 420, 460. El sistema puede comprender uno o más módulos de control conectados a los diversos sensores y válvulas del sistema.
Como se muestra además en el dibujo esquemático ejemplar de la figura 6, el sistema puede incluir una tercera línea 580 de alimentación en comunicación fluida con la línea 240 de reciclaje. En la realización de la figura 6, la tercera línea 580 de alimentación está conectada de forma fluida al depósito 480 de mezcla. La segunda línea 130 de alimentación también está conectada de forma fluida al depósito 480 de mezcla. La tercera línea 580 de alimentación puede incluir la bomba 620. El sistema puede comprender además una o más válvulas 440, 460 en una fase posterior al depósito de mezcla. Las válvulas 440 y 460 están configuradas para descargar una mezcla de fluidos del sistema a través de líneas 680 y 660. El sistema puede comprender además una bomba 600 en la línea 140 de alimentación general.
Como se muestra en la realización ejemplar de la figura 7, el depósito 480 de mezcla puede ser un recipiente cerrado. El sistema puede comprender además un respiradero y una válvula 700 de aire configurada para suministrar aire o gas comprimido al depósito 480 de mezcla.
En determinadas realizaciones, tal como el dibujo esquemático ejemplar de la figura 8, el sistema comprende más de un depósito, 720, 760 dentro de la línea 240 de reciclaje, dispuesto en una configuración paralela. En la realización que se muestra en la figura 8, el depósito T1 720 está en comunicación fluida con el compartimento 180 de concentración, mientras que el depósito T2760 está en espera. En esta configuración, la válvula 800 de tres vías en una fase posterior puede permitir la conexión de fluido entre el depósito 720 que se está utilizando y el compartimento 180 de concentración y bloquear la conexión de fluido entre el depósito 760 de espera y el compartimento 180 de concentración. Las válvulas 820 y 840 de tres vías en una fase anterior permiten la comunicación fluida entre la línea 240 de reciclaje y la segunda línea 130 de alimentación y el depósito 760 de espera, al mismo tiempo que bloquean la comunicación de fluido entre la línea 240 de reciclaje y la segunda línea 130 de alimentación al depósito 720 que se está utilizando. Las válvulas 740 y 780 en una fase posterior pueden configurarse para descargar la mezcla de fluidos desde los depósitos 720 y 760, respectivamente.
El gráfico de la figura 10 muestra el cambio en la concentración de TDS en la línea de reciclaje a lo largo del tiempo. La concentración podrá aumentar en el depósito que recibe el rechazo de concentrado hasta alcanzar una concentración de TDS predeterminada o hasta que haya transcurrido un período de tiempo predeterminado. En este punto, el fluido de mezcla en el depósito puede desecharse, y el sistema simultáneamente el sistema conmuta el depósito en comunicación fluida con el compartimento de concentración y el depósito en espera. El ciclo puede repetirse de forma continua.
Ejemplos
Ejemplo 1: Ejemplo profético de un procedimiento de funcionamiento de un sistema de tratamiento de agua que comprende un dispositivo de separación electroquímica
El ejemplo se refiere a un sistema de tratamiento de agua que comprende una válvula automatizada en la corriente de rechazo. La válvula puede cerrarse completamente de inmediato después del arranque. La primera alimentación y la segunda alimentación se dirigen hacia el compartimento de dilución y concentración, respectivamente. Si la corriente en cada compartimento es constante, se espera que la concentración iónica en la línea de reciclaje aumente linealmente, lo que supone un modelo bien mezclado. Cuando la concentración alcanza un nivel predeterminado, la válvula de rechazo se puede abrir completamente para descargar el rechazo de concentrado en la línea de reciclaje, mientras que la alimentación fresca entra en la línea de reciclaje a través de una válvula reguladora de presión. El ciclo discontinuo puede repetirse, dando como resultado un patrón en dientes de sierra en la concentración iónica dentro del compartimento de concentración. La concentración máxima se puede establecer en base a la posibilidad de precipitación, formación de incrustaciones y/o ensuciamiento orgánico. Los ciclos se pueden temporizar en base a la concentración iónica máxima medida o calculada.
Ejemplo 2: Recirculación de concentrado en un sistema con depósito cerrado
Con un programa de ordenador se simuló un dispositivo de separación electroquímica con un depósito cerrado dentro del bucle de recirculación de concentrado. El gráfico de la figura 9 resume los resultados presentados a continuación. La alimentación del sistema se simuló a 2.000 ppm de TDS con un caudal de 6,0 m3/h. La corriente aplicada se simuló a 5,1 A con una eficacia de corriente del 80 %. El tiempo del ciclo discontinuo de descarga periódica se estableció en 25 minutos, en el que el depósito se llenó durante aproximadamente 9 minutos, permaneció a volumen constante durante aproximadamente 9 minutos y se vació durante aproximadamente 7 minutos. La tasa de alimentación al depósito se simuló con un caudal de 4,0 m3/h y la tasa de descarga del depósito se simuló con un caudal de 6,0 m3/h. El límite superior de concentración de TDS para impedir la precipitación fue de 12.200 ppm. El concentrado en el sistema tenía una concentración de TDS que varió entre aproximadamente 12.200 ppm y aproximadamente 6.500 ppm durante los ciclos temporizados. La concentración de TDS promedio en el sistema fue de aproximadamente 8.516 ppm. El sistema funcionó con una tasa de eliminación de TDS del 90 %, de modo que el producto presentó una concentración de TDS de 211 ppm. El sistema funcionó con una recuperación global del 81 %.
Ejemplo 3: Recirculación de concentrado en un sistema con dos depósitos
Con un programa de ordenador se simuló un dispositivo de separación electroquímica con dos depósitos dentro del bucle de recirculación de concentrado. El gráfico de la figura 10 resume los resultados presentados a continuación. La alimentación del sistema se simuló a 2.000 ppm y la concentración inicial en los depósitos también se simuló a 2.000 ppm. Cada depósito tenía un volumen de 0,4 m3. El caudal de alimentación a los depósitos se simuló a 6,0 m3/h. Ambos depósitos (T1 y T2) se llenaron con alimentación del sistema al inicio de la operación. El depósito T1 en el gráfico estaba inicialmente en comunicación fluida con el compartimento de concentración mientras que el depósito T2 estaba en espera. Después de que el depósito T1 se saturó, el sistema conmutó para que el depósito T2 estuviera en comunicación fluida con el compartimento de concentración, mientras el depósito T1 estaba aislado. El líquido del depósito T1 se descartó y se sustituyó por la alimentación del sistema. A continuación, el depósito T1 se puso en espera para el ciclo siguiente. La corriente aplicada se simuló a 5 A. El tiempo del ciclo discontinuo de descarga periódica se estableció en 22 minutos. El límite superior de concentración de TDS fue de 11.070 ppm en la línea de reciclaje. El concentrado en el sistema tenía una concentración de TDS que varió entre aproximadamente 11.070 ppm y 2.000 ppm. El sistema funcionó con una tasa de eliminación de TDS del 87.7 %, de modo que el producto presentó una concentración de TDS de 245 ppm. El sistema funcionó con una recuperación global del 84,6 %.
La fraseología y la terminología que se utilizan en la presente memoria son para fines de descripción y no deben considerarse limitantes. Tal como se usa en la presente memoria, el término "pluralidad" se refiere a dos o más elementos o componentes. Los términos "que comprende", "que incluye", "que transporta", "que tiene", "que contiene" y "que implica", ya sea en la descripción escrita o en las reivindicaciones y similares, son términos abiertos, es decir, significan “que incluyen, pero no se limitan a". Así, el uso de dichos términos pretende englobar los elementos enumerados a continuación y sus equivalentes, así como elementos adicionales. Solo las expresiones de transición "que consisten en" y "que consisten fundamentalmente en" son expresiones de transición cerradas o semicerradas, respectivamente, con respecto a las reivindicaciones. El uso de términos ordinales como "primero", "segundo", "tercero" y similares en las reivindicaciones para modificar un elemento de la reivindicación no connota por sí solo ninguna prioridad, precedencia u orden de un elemento de la reivindicación sobre otro o el orden temporal en el que se realizan las acciones de un procedimiento, sino que se utilizan meramente como etiquetas para distinguir un elemento de reivindicación que tiene un determinado nombre de otro elemento con el mismo nombre (pero para el uso del término ordinal) para distinguir los elementos de reivindicación.
Los expertos en la materia deberían apreciar que los parámetros y configuraciones descritos en la presente memoria son ejemplares y que los parámetros y/o configuraciones reales dependerán de la aplicación específica en la que se utilicen los procedimientos y materiales divulgados. Los expertos en la materia también deberían reconocer o ser capaces de determinar, utilizando no más que experimentación rutinaria, equivalentes a las realizaciones específicas divulgadas. Por ejemplo, los expertos en la materia pueden reconocer que el procedimiento, y los componentes del mismo según la presente divulgación pueden comprender además una red o sistemas o ser un componente de un sistema de tratamiento de agua electroquímico. Por lo tanto, debe entenderse que las realizaciones descritas en la presente memoria se presentan únicamente a modo de ejemplo y que, dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas, las realizaciones divulgadas se pueden poner en práctica de manera distinta a como se describe específicamente. Los presentes sistemas y procedimientos están dirigidos a cada característica, sistema o procedimiento individual descrito en la presente memoria.
Las etapas de los procedimientos divulgados en la presente memoria pueden realizarse en el orden ilustrado o en órdenes alternativos y los procedimientos pueden incluir acciones adicionales o alternativas o pueden realizarse con una o más de las acciones ilustradas que se han omitido.
Además, debe apreciarse que a los expertos en la materia se les ocurrirán fácilmente diversas alteraciones, modificaciones y mejoras. En otros casos, una instalación existente puede modificarse para utilizar o incorporar uno o más aspectos de los procedimientos y sistemas descritos en la presente memoria. Así, en algunos casos, los procedimientos pueden implicar el funcionamiento de un dispositivo de separación electroquímica. Por consiguiente, la descripción anterior y las figuras son solo a modo de ejemplo. Además, las representaciones en las figuras no limitan las divulgaciones de las representaciones en particular ilustradas.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un procedimiento de funcionamiento de un dispositivo de separación electroquímica que comprende un compartimento (160) de dilución, un compartimento (180) de concentración, una membrana de intercambio iónico situada entre el compartimento (160) de dilución y el compartimento (180) de concentración, un primer y un segundo electrodo (200, 220), una primera corriente de alimentación conectada de forma fluida al compartimento (160) de dilución, una segunda corriente de alimentación conectada de forma fluida al compartimento (180) de concentración y una corriente de reciclaje del compartimento de concentración, comprendiendo el procedimiento:
dirigir la primera corriente de alimentación hacia el compartimento (160) de dilución para producir una corriente de producto;
suministrar la segunda corriente de alimentación al compartimento (180) de concentración para producir una corriente de rechazo;
reciclar la corriente de rechazo que tiene una primera concentración de iones al compartimento de concentración por medio de una línea (240) de reciclaje conectada de forma fluida a la salida (320) de rechazo y a la entrada del compartimento (180) de concentración;
mezclar la corriente de rechazo con la segunda corriente de alimentación en por lo menos un depósito (480) de mezcla situado dentro de la línea (240) de reciclaje y dentro de la corriente de reciclaje para producir una mezcla de rechazo y la segunda alimentación; en el que una válvula (420) está situada en la línea (240) de reciclaje en una fase anterior al depósito (480) de mezcla y está configurada para descargar de forma selectiva el rechazo de concentrado del dispositivo o para suministrar el rechazo de concentrado al depósito de mezcla;
descargar periódicamente un volumen predeterminado de la corriente de rechazo en un ciclo discontinuo temporizado para impedir la precipitación o formación de incrustaciones en el compartimento de concentración, en el que dicho volumen predeterminado está entre el 50 % y el 100 % del volumen de líquido en el depósito (480) de mezcla;
en el que un módulo (860) de control en comunicación eléctrica con la válvula (420) está configurado para sustituir el volumen descargado de la corriente de rechazo por un volumen fundamentalmente equivalente de la segunda corriente de alimentación que tiene una segunda concentración de iones menor que la primera concentración de iones;
medir la concentración iónica del rechazo de concentrado mediante un sensor (940) conectado de forma fluida a la salida de rechazo;
en el que el módulo (860) de control está conectado eléctricamente al sensor (940) y configurado para descargar el volumen del rechazo de concentrado en respuesta a la medición de la concentración iónica del rechazo de concentrado recibido del sensor,
cuando la concentración iónica en TDS del rechazo de concentrado es superior a 12.000 ppm, preferentemente 12.200 ppm.
2. El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende además invertir periódicamente una polaridad del primer y del segundo electrodo (200, 220), en el que la inversión periódica de la polaridad se produce simultáneamente con la descarga periódica de la corriente de rechazo.
3. El procedimiento de la reivindicación 1 o 2, que comprende además intercambiar las trayectorias de flujo de la primera corriente de alimentación y la segunda corriente de alimentación, de modo que la primera corriente de alimentación se dirige hacia el compartimento (180) de concentración y la segunda corriente de alimentación se dirige hacia el compartimento (160) de dilución.
4. El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende además mezclar la corriente de rechazo con una tercera corriente de alimentación para producir una mezcla de rechazo y una tercera alimentación.
5. El procedimiento de la reivindicación 4, que comprende además descargar periódicamente un volumen de la mezcla de rechazo y la tercera alimentación, y sustituir el volumen descargado de la mezcla de rechazo y la tercera alimentación por un volumen fundamentalmente equivalente de por lo menos una de entre la segunda corriente de alimentación o la tercera corriente de alimentación.
6. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que se proporcionan dos depósitos (720, 760) de mezcla dentro de la línea (240) de reciclaje en una configuración paralela.
en el que uno de los depósitos (720) de mezcla está configurado para estar en comunicación fluida con el compartimento de concentración mientras que el otro depósito (760) de mezcla está configurado para estar en espera,
en el que el depósito de mezcla en espera está configurado para recibir por lo menos uno entre el rechazo de concentrado o la segunda alimentación, en el que la configuración paralela se controla de modo que un depósito (720) de mezcla se está utilizando mientras el depósito de espera se prepara para utilizarse.
7. Un sistema de tratamiento de agua que comprende:
un dispositivo de separación electroquímica que comprende un compartimento (160) de dilución que tiene una entrada y una salida (280) de producto, un compartimento (180) de concentración que tiene una entrada y una salida de rechazo, una membrana de intercambio iónico situada entre el compartimento (160) de dilución y el compartimento (180) de concentración, y un primer y un segundo electrodo (200, 220) situados en los extremos distales del dispositivo de separación electroquímica;
una primera línea (100) de alimentación conectada de forma fluida a la entrada del compartimento de dilución;
una segunda línea (120, 130) de alimentación conectada de forma fluida a la entrada del compartimento (180) de concentración;
una línea (240) de reciclaje conectada de forma fluida a la salida (320) de rechazo y a la entrada del compartimento (180) de concentración;
por lo menos un depósito (480) de mezcla situado dentro de la línea de reciclaje y configurado para recibir y mezclar el rechazo de concentrado y la segunda alimentación, para producir una mezcla de rechazo y la segunda alimentación,
en el que una válvula (420) está situada en una fase anterior al depósito (480) de mezcla y está configurada para descargar de forma selectiva el rechazo de concentrado del sistema o para suministrar el rechazo de concentrado al depósito (480) de mezcla; en el que otra válvula está situada en una fase posterior al depósito (480) de mezcla y configurada para descargar un volumen de la mezcla de rechazo y la segunda alimentación del depósito (480) de mezcla
y
un módulo (860) de control en comunicación eléctrica con la válvula (420) situada en una fase anterior al depósito de mezcla en la línea (240) de reciclaje, el módulo de control configurado para descargar periódicamente un volumen del rechazo de concentrado de la línea (240) de reciclaje en un ciclo discontinuo temporizado y suministrar un volumen de la segunda alimentación al depósito de mezcla, siendo el volumen de la segunda alimentación fundamentalmente equivalente al volumen descargado del rechazo de concentrado,
que comprende un sensor (940) conectado de forma fluida a la salida de rechazo configurado para medir la concentración iónica del rechazo de concentrado,
en el que el módulo (860) de control está conectado eléctricamente al sensor (940) y configurado para descargar un volumen del rechazo de concentrado predeterminado, en el que dicho volumen predeterminado de la corriente de rechazo está entre el 50 % y el 100 % del volumen de líquido en el depósito (480) de mezcla,
en el que la descarga es en respuesta a la medición de la concentración iónica del rechazo de concentrado, cuando la concentración iónica en TDS del rechazo de concentrado es mayor que 12.000 ppm, preferiblemente 12.200 ppm.
8. El sistema de la reivindicación 7, que comprende además un sensor (880) conectado de forma fluida al depósito (480) de mezcla y configurado para medir por lo menos uno de entre la concentración iónica y el pH de la mezcla de rechazo y la segunda alimentación.
9. El sistema de la reivindicación 7, que comprende además más de un depósito (720, 760) de mezcla situado dentro de la línea (240) de reciclaje en una configuración paralela.
10. El sistema de la reivindicación 9, que comprende dos depósitos (720, 760 de mezcla, en el que una válvula (800) de tres vías está situada en una fase posterior a los dos depósitos (720, 760) de mezcla y configurada para permitir la comunicación fluida entre el compartimento (180) de concentración ) y uno de los depósitos (720) de mezcla, cuyo depósito (720) de mezcla se está utilizando, al mismo tiempo que bloquea la comunicación de fluido entre el compartimento (180) de concentración y el otro depósito (760) de mezcla, dicho otro depósito (760) de mezcla está en espera;
en el que dos válvulas (820, 840) de tres vías están situadas en una fase anterior a los dos depósitos (720, 760) de mezcla configuradas para permitir la comunicación fluida entre la línea (240) de reciclaje y la segunda línea (130) de alimentación a un depósito (720, 760) de mezcla, mientras bloquean la comunicación de fluido entre la línea (240) de reciclaje y la segunda línea (130) de alimentación al otro depósito (720, 760) de mezcla;
en el que dos válvulas (740, 780) adicionales, cada una situada en una fase posterior a su respectivo depósito (720, 760) de mezcla, están configuradas para descargar la mezcla de fluido de su respectivo depósito de mezcla.
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