MX2010010163A

MX2010010163A - Modulo de membrana enrollada helicoidal para uso en osmosis forzada.

Info

Publication number: MX2010010163A
Application number: MX2010010163A
Authority: MX
Inventors: Robert L Mcginnis
Original assignee: Univ Yale
Priority date: 2008-03-20
Filing date: 2009-03-20
Publication date: 2010-12-06
Also published as: BRPI0908960A2; CN102026713A; US20150157988A1; IL208138A; JP5603323B2; EP2259864A4; SG188901A1; AU2009258055B2; IL208138A0; KR20110002036A; US8815091B2; AU2009258055A1; US20110036774A1; JP2012520750A; WO2009151709A2; EA201071107A1; CN102026713B; CA2714969A1; EA022232B1; EP2259864A2

Abstract

Se describe un módulo de membrana enrollada helicoidal para el uso en ósmosis forzada. El módulo de membrana puede incluir generalmente una membrana de ósmosis forzada en una configuración de enrollamiento helicoidal. El módulo puede incluir dos entradas y dos salidas, y puede definir una primera y segunda trayectorias de flujo de fluido. Las entradas a cada una de las trayectorias de flujo de fluido se pueden aislar generalmente para evitar la mezcla. En algunas modalidades, el módulo de membrana puede incluir una región de distribución y una región de recolección.

Description

MODULO DE MEMBRANA ENROLLADA HELICOIDAL PARA USO EN OSMOSIS FORZADA Campo de la Invención Uno o más aspectos se refieren generalmente a la separación osmótica. Más particularmente, uno o más aspectos se refieren a los módulos de membrana para el uso en la osmosis artificial, tal como osmosis de presión retardada o cualquier separación osmótica de solutos y agua de una solución acuosa mediante, por ejemplo, osmosis forzada, tal como desalación de agua de mar, desalación de agua salobre, purificación de aguas residuales y curación de agua contaminada.

Antecedentes de la Invención La osmosis forzada se ha utilizado para la desalación. Generalmente, un proceso de desalación por osmosis forzada implica un envase que tiene dos cámaras separadas por una membrana semipermeable. Una cámara contiene agua de mar. La otra cámara contiene una solución concentrada que genera un gradiente de concentración entre el agua de mar y la solución concentrada. Este gradiente extrae el agua del agua marina a través de la membrana, que permite selectivamente que el agua pase pero no las sales, a la solución concentrada. Gradualmente, el agua que entra a la solución concentrada diluye la solución. Los solutos entonces se retiran de la solución diluida para generar el agua potable.

Breve Descripción de la Invención Los aspectos se relacionan generalmente a los sistemas y métodos para la separación osmótica.

De acuerdo con una o más modalidades, un módulo de membrana de osmosis forzada enrollada helicoidal puede comprender una módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal que define una cavidad de membrana que tiene una región interior y una región exterior, el módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal tiene un primer y segundo extremos. El módulo puede comprender adicionalmente una región de distribución en el primer extremo que comprende una primera entrada en comunicación fluida con la región interior de la cavidad de membrana y una segunda entrada en comunicación fluida con la región exterior de la cavidad de membrana. El módulo puede aún comprender adicionalmente una región de recolección en el segundo extremo que comprende una primera salida en comunicación fluida con la región interior de la cavidad de membrana y una segunda salida en comunicación fluida con la región exterior de la cavidad de membrana.

En algunas modalidades, la primera entrada se puede aislar de manera fluida de la segunda entrada. La primera salida se puede aislar de manera fluida de la segunda salida. La región de distribución puede comprender un casquillo extremo que se puede construir y configurar para aislar de manera fluida la primera y segunda entradas. En una modalidad, el casquillo extremo puede comprender por lo menos un tubo que tiene una abertura conectada de manera fluida con la región interior de la cavidad de membrana y una región exterior en comunicación fluida con la región exterior de la cavidad de membrana. La primera entrada se puede conectar de manera fluida con la abertura de por lo menos un tubo. La segunda entrada puede estar en comunicación fluida con la región exterior de por lo menos un tubo.

En algunas modalidades, por lo menos una porción de uno del primer y segundo extremos del módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal se pueden encapsular. En otras modalidades, por lo menos una porción de uno del primer y segundo extremos del módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal se puede montar en una placa. El módulo puede comprender adicionalmente por lo menos un separador colocado a lo largo de una trayectoria de flujo de fluido definida por la región interior de la cavidad de membrana de la primera entrada a la primera salida. El módulo también puede comprender por lo menos un separador colocado a lo largo de una trayectoria de flujo de fluido definida por la región exterior de la cavidad de membrana de la segunda entrada a la segunda salida. En algunas modalidades, un espesor de por lo menos un separador puede variar a lo largo de un eje longitudinal del módulo de membrana. En por lo menos una modalidad, el módulo puede incluir un soporte central en cooperación mecánica con el módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal. En algunas modalidades, el módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal es asimétrico. La región exterior de la cavidad de membrana se puede definir por una capa de rechazo del módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal. En algunas modalidades, el módulo se puede integrar en un sistema de osmosis de presión retardada.

De acuerdo con una o más modalidades, un sistema de tratamiento de agua puede comprender un módulo de membrana de osmosis forzada enrollada helicoidal que comprende un módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal construido y configurado para definir la primera y segunda trayectorias de flujo de fluido aisladas y sustancialmente paralelas a lo largo de un eje longitudinal del módulo, una primera entrada y una primera salida conectadas de manera fluida con la primera trayectoria de flujo de fluido, y una segunda entrada y una segunda salida conectadas de manera fluida con la segunda trayectoria de flujo de fluido. El sistema de tratamiento de agua puede comprender adicionalmente una fuente de una primera solución conectada de manera fluida con la primera entrada, y una fuente de una segunda solución conectada de manera fluida con la segunda entrada.

En algunas modalidades, la primera y segunda entradas se pueden colocar en un primer extremo del módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal. La fuente de la primera solución puede ser una fuente de una solución salina. En algunas modalidades, la solución salina comprende agua de mar. La fuente de la segunda solución puede comprender una fuente de una solución de drenaje. En por lo menos una modalidad, la solución de drenaje puede comprender amoníaco y dióxido de carbono en una relación molar de más de aproximadamente 1 a 1.

En algunas modalidades, el sistema de tratamiento de agua puede comprender adicionalmente un segundo módulo de membrana de osmosis forzada enrollada helicoidal. El sistema puede también incluir un sistema de control configurado para controlar por lo menos uno de un caudal de la primera solución en la primera entrada y de un caudal de la segunda solución en la segunda entrada. En por lo menos una modalidad, el sistema puede incluir un sistema de separación conectado de manera fluida con una de la primera y segunda salidas. En algunas modalidades, una salida del sistema de separación se puede conectar de manera fluida con una de la primera y segunda entradas. En por lo menos una modalidad, el sistema es un sistema de osmosis de presión retardada que adicionalmente comprende una turbina conectada de manera fluida hacia abajo con una de la primera y segunda salidas.

De acuerdo con una o más modalidades, un método para facilitar un proceso de desalación puede comprender el suministro de un módulo de membrana de osmosis forzada enrollada helicoidal que comprende un módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal que define una cavidad de membrana que tiene una región interior y una región exterior, el módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal tiene un primer y segundo extremos, una región de distribución en el primer extremo que comprende una primera entrada en comunicación fluida con la región interior de la cavidad de membrana y una segunda entrada en comunicación fluida con la región exterior de la cavidad de membrana, y una región de recolección en el segundo extremo que comprende una primera salida en comunicación fluida con la región interior de la cavidad de membrana y una segunda salida en comunicación fluida con la región exterior de la cavidad de membrana. El método de facilitación puede incluir adicionalmente la conexión fluida de una fuente de una solución de drenaje con la primera entrada y la conexión fluida de una fuente de una solución de salmuera con la segunda entrada.

En algunas modalidades, la conexión fluida de una fuente de una solución de drenaje con la primera entrada puede comprender la conexión fluida de una fuente de una solución de drenaje que comprende amoníaco y dióxido de carbono en una relación molar de más de aproximadamente 1 a 1. El método puede comprender adicionalmente la conexión fluida de la primera salida con una columna de destilación. En por lo menos una modalidad, el método puede comprender adicionalmente la conexión fluida de un salida de la columna de destilación con la primera entrada. La membrana de osmosis forzada enrollada helicoidal o el módulo proporcionado se puede construir y configurar para definir la primera y segunda trayectorias de flujo de fluido aisladas y sustancialmente paralelas a lo largo de un eje longitudinal del módulo. En por lo menos una modalidad, el método es un proceso de osmosis de presión retardada que adicionalmente comprende la conexión fluida de la región de recolección del módulo de membrana con una turbina.

Aún otros aspectos, modalidades, y ventajas de estos aspectos y modalidades ejemplares, se discuten detalladamente más adelante. Por otra parte, se debe entender que la información anterior y la siguiente descripción detallada son ejemplos simplemente ilustrativos de varios aspectos y modalidades, y están pensados para proporcionar una descripción o introducción para entender la naturaleza y carácter de los aspectos y modalidades revindicados. Los dibujos anexos se incluyen para proporcionar la ilustración y otra comprensión de varios aspectos y modalidades, y se incorporan en y constituyen una parte de esta especificación. Los dibujos, junto con el resto de la especificación, sirven para explicar los principios y operaciones de los aspectos y modalidades descritos y reivindicados.

Breve Descripción de los Dibujos Varios aspectos de por lo menos una modalidad se presentan en las figuras anexas. Las figuras se proporcionan para los propósitos de ilustración y explicación y no se piensan como una definición de los límites de la invención. En las figuras: La figura 1 presenta un dibujo esquemático de un módulo de membrana de osmosis forzada enrollada helicoidal de acuerdo con una o más modalidades; La figura 2 presenta un dibujo esquemático de un componente de módulo de membrana de osmosis forzada enrollada helicoidal con los casquillos extremos de acuerdo con una o más modalidades; La figura 3 presenta un dibujo esquemático de un casquillo extremo de acuerdo con una o más modalidades; La figura 4 presenta una vista lateral esquemática de un casquillo extremo de acuerdo con una o más modalidades; La figura 5 presenta una vista seccionada transversalmente esquemática de un casquillo extremo de acuerdo con una o más modalidades; La figura 6 presenta un dibujo esquemático de una parte periférica de un módulo de membrana de osmosis forzada enrollada helicoidal de acuerdo con una o más modalidades; y La figura 7 presenta un dibujo esquemático de un patrón de flujo a través de un componente de módulo de membrana de osmosis forzada enrollada helicoidal de acuerdo con una o más modalidades.

Descripción Detallada de la Invención De acuerdo con una o más modalidades, un método osmótico para extraer el agua de una solución acuosa puede implicar generalmente exponer la solución acuosa a una primera superficie de una membrana de osmosis forzada. Una segunda solución, o solución de drenaje, con una concentración creciente con relación a la solución acuosa se puede exponer a una segunda superficie opuesta de la membrana de osmosis forzada. El agua entonces se puede extraer de la solución acuosa a través de la membrana de osmosis forzada y llevarse a la segunda solución que genera una solución enriquecida en agua vía la osmosis forzada que utiliza los accesorios de transferencia de fluido que implican el movimiento de una solución menos concentrada a una solución más concentrada. La solución enriquecida en agua, también referida como solución de drenaje diluida, se puede recolectar en una primera salida y experimentar un proceso de separación adicional para producir el agua purificada. Una segunda corriente de producto, es decir, una solución de proceso acuosa reducida o concentrada, se puede recolectar en una segunda salida para la descarga o tratamiento adicional.

La presión hidráulica puede promover generalmente el transporte de la primera y segunda soluciones a través de un módulo de membrana a lo largo de un eje longitudinal de sus canales respectivos, mientras que la presión osmótica puede generalmente promover el transporte del agua a través de una membrana de osmosis forzada en el módulo de la solución de alimentación a la solución de drenaje. Alternativamente, la presión hidráulica se puede ejercer en la solución de alimentación para ayudar al flujo de agua de la solución de alimentación a la solución de drenaje, o la presión hidráulica se puede aplicar a la solución de drenaje para permitir la producción de energía de la expansión del volumen de la solución de drenaje debido al flujo de agua de la membrana de la solución de alimentación conducida por la diferencia de presión osmótica entre las dos soluciones (PRO). Generalmente, los canales de flujo dentro del módulo se diseñan para minimizar la presión hidráulica necesaria para causar el flujo a través de estos canales (flujo cruzado), pero esto es frecuentemente opuesto al deseo de crear turbulencia en los canales de flujo, lo cual es útil para la generación eficiente de la diferencia de presión osmótica entre las dos soluciones, que tienen una tendencia a aumentar la resistencia al flujo. Las diferencias más altas de presión osmótica pueden aumentar generalmente el flujo de transmembrana, pero pueden también tener una tendencia a aumentar la cantidad de calor requerida para separar los solutos de drenaje de la solución de drenaje diluida para la producción de un producto de agua diluido y una solución de drenaje concentrada nuevamente.

De acuerdo con una o más modalidades, un módulo de membrana de osmosis forzada puede incluir una o más membranas de osmosis forzada. Las membranas de osmosis forzada pueden generalmente ser semipermeables, por ejemplo, que permiten el paso de agua, pero excluyen los solutos disueltos en la misma, por ejemplo cloruro de sodio, carbonato de amonio, bicarbonato de amonio, y carbamato de amonio. Muchos tipos de membranas semipermeables son convenientes para este propósito con la condición de que sean capaces de permitir el paso del agua (es decir, el solvente) mientras que bloquean el paso de los solutos y no reaccionan con los solutos en la solución. La membrana puede tener una variedad de configuraciones incluyendo películas delgadas, membranas de fibra huecas, membranas enrolladas helicoidales, monofilamentos y tubos de disco. Existen numerosas membranas semipermeables bien conocidas comercialmente disponibles que son caracterizadas por tener poros suficientemente pequeños para permitir que el agua pase mientras filtran las moléculas de soluto tal como cloruro de sodio y sus especies moleculares iónicas tal como cloruro. Tales membranas semipermeables se pueden hacer de materiales orgánicos o inorgánicos. En algunas modalidades, se pueden utilizar las membranas hechas de materiales tal como acetato de celulosa, nitrato de celulosa, polisulfona, fluoruro de polivinilideno, poliamida y copolímeros de acrilonitrilo. Otras membranas pueden ser membranas minerales o membranas de cerámica hechas de materiales tal como Zr02 y Ti02.

Preferiblemente, el material seleccionado para el uso como la membrana semipermeable debe generalmente poder soportar varias condiciones de proceso a las cuales la membrana puede someterse. Por ejemplo, puede ser deseable que la membrana pueda soportar temperaturas elevadas, tal como las asociadas a la esterilización u otros procesos de alta temperatura. En algunas modalidades, un módulo de membrana de osmosis forzada se puede operar a una temperatura de aproximadamente 0°C a aproximadamente 100°C. En algunas modalidades no limitantes, las temperaturas de proceso pueden oscilar de aproximadamente 40°C a aproximadamente 50°C. Asimismo, puede ser deseable que la membrana pueda mantener la integridad bajo varias condiciones de pH. Por ejemplo, una o más soluciones en el ambiente de la membrana, tal como la solución de drenaje, pueden ser más o menos ácidas o básicas. En algunas modalidades no limitantes, un módulo de membrana de osmosis forzada se puede operar a un nivel de pH de entre aproximadamente 2 y aproximadamente 11. En ciertas modalidades no limitantes, el nivel de pH puede ser de aproximadamente 7 a aproximadamente 10. Las membranas usadas no necesitan estar hechas de uno de estos materiales y pueden estar compuestas de varios materiales. En por lo menos una modalidad, la membrana puede ser una membrana asimétrica, tal como con una capa activa en una primera superficie, y una capa de soporte en una segunda superficie. En algunas modalidades, una capa activa puede generalmente ser una capa de rechazo. Por ejemplo, una capa de rechazo puede bloquear el paso de sales en algunas modalidades no limitantes. En algunas modalidades, una capa de soporte, tal como una capa de refuerzo, puede generalmente estar inactiva.

De acuerdo con una o más modalidades, por lo menos una membrana de osmosis forzada del módulo de membrana puede enrollarse de manera helicoidal. Una configuración de enrollamiento helicoidal puede ser generalmente eficiente en términos de facilitación de la osmosis forzada dentro del módulo. La configuración de enrollamiento helicoidal puede ser deseable en términos de contención de grandes cantidades de área superficial por unidad de volumen. La configuración de enrollamiento helicoidal puede también ser deseable en términos de contacto de área superficial a lo largo de una trayectoria de flujo de fluido con respecto al tiempo de residencia de una corriente de proceso dentro del módulo de membrana de osmosis forzada. El módulo de membrana se puede también diseñar para reducir la resistencia friccional al flujo cruzado de fluido a través de los canales de flujo de fluido, y reducir los espacios no utilizados y el poco transporte total, mientras que promueve el flujo turbulento. En por lo menos una modalidad, las soluciones de drenaje y alimentación pueden viajar a lo largo del eje longitudinal del módulo de membrana con resistencia mínima o desviación del flujo. Un módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal puede ser de cualquier dimensión deseada.

De acuerdo con una o más modalidades, por lo menos una membrana de osmosis forzada se puede colocar dentro de un alojamiento o cubierta. El alojamiento generalmente se puede dimensionar y formar para acomodar las membranas colocadas en el mismo. Por ejemplo, el alojamiento puede ser sustancialmente cilindrico si contiene las membranas de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal. El alojamiento del módulo puede contener entradas para proporcionar las soluciones de alimentación y drenaje al módulo así como salidas para la extracción de las corrientes de producto del módulo. En algunas modalidades, el alojamiento puede proporcionar por lo menos un depósito o cámara para contener o almacenar un fluido que se introducirá a o extraerá del módulo. En por lo menos una modalidad, el alojamiento se puede aislar. En algunas modalidades no limitantes, un montaje de módulo se puede sellar dentro de un alojamiento tubular tal que el agua de mar pasa entre bloques de epoxi entre un espacio y el enrollado de hoja principal. La solución de drenaje puede pasar a través del interior de los tubos planos que llevan la solución a través de un lado de la capa de soporte dentro del enrollado de hoja.

De acuerdo con una o más modalidades, un módulo de membrana de osmosis forzada se puede construir y configurar generalmente para poner una primera solución y una segunda solución en contacto con el primer y segundo lados de una membrana semipermeable, respectivamente. Aunque la primera y segunda soluciones puedan seguir siendo estáticas, es preferido que la primera y segunda soluciones sean introducidas por flujo cruzado, es decir, flujos paralelos a la superficie de la membrana semipermeable. Esto puede aumentar generalmente el contacto del área superficial de la membrana a lo largo de una o más trayectorias de flujo de fluido, para de tal modo aumentar la eficacia de la osmosis forzada. En algunas modalidades, la primera y segunda soluciones pueden fluir en la misma dirección. En otras modalidades, la primera y segunda soluciones pueden fluir en direcciones opuestas. En por lo menos algunas modalidades, la dinámica de fluido similar puede existir en ambos lados de una superficie de membrana. Esto se puede lograr por la integración estratégica de una o más membranas de osmosis forzada en el módulo o alojamiento.

De acuerdo con una o más modalidades, un módulo de membrana de osmosis forzada se puede construir y configurar generalmente para proporcionar una primera trayectoria de flujo de fluido y una segunda trayectoria de flujo de fluido. Las trayectorias de flujo pueden generalmente estar a lo largo de un eje longitudinal del módulo, tal como de un primer extremo a un segundo extremo. La primera y segunda trayectorias de flujo de fluido se pueden separar por la membrana de osmosis forzada. Una primera solución puede viajar a lo largo de la primera trayectoria de flujo de fluido y una segunda solución puede viajar a lo largo de la segunda trayectoria de flujo de fluido a través, del módulo. En el caso de una membrana de osmosis forzada asimétrica, una capa activa de la membrana se puede asociar a una primera trayectoria de flujo de fluido, y una capa de soporte se puede asociar a una segunda trayectoria de flujo de fluido. En por lo menos una modalidad, el agua acuosa que se tratará, por ejemplo agua de mar, puede estar en contacto con la capa activa de la membrana de osmosis forzada mientras que la solución de drenaje puede estar en contacto con la capa de soporte. En otras modalidades, lo opuesto puede aplicarse. En algunas modalidades, la primera y segunda trayectorias de flujo de fluido pueden ser general o sustancialmente paralelas entre sí a lo largo de un eje longitudinal del módulo de membrana. En por lo menos una modalidad, la primera y segunda trayectorias de flujo de fluido se pueden aislar sustancialmente entre sí para evitar generalmente la mezcla entre las mismas, aunque el paso osmótico de transmembrana del agua de la primera solución a la segunda solución dentro del módulo se desea para efectuar la separación y purificación del solvente según lo descrito anteriormente.

De acuerdo con una o más modalidades, la primera solución puede ser cualquier solución acuosa o solvente que contenga uno o más solutos para los cuales se desea la separación, purificación u otro tratamiento. En algunas modalidades, la primera solución puede ser agua no potable tal como agua de mar, agua salada, agua salobre, agua residual, y un poco de agua industrial. Una corriente de proceso que se tratará puede incluir sales y otras especies iónicas tal como cloruro, sulfato, bromuro, silicato, yoduro, fosfato, sodio, magnesio, calcio, potasio, nitrato, arsénico, litio, boro, estroncio, molibdeno, manganeso, aluminio, cadmio, cromo, cobalto, cobre, hierro, plomo, níquel, selehio, plata y zinc. En algunos ejemplos, la primera solución puede ser salmuera, tal como agua salada o agua de mar, aguas residuales u otra agua contaminada. La primera solución se puede suministrar a un sistema de tratamiento de membrana de osmosis forzada de una operación de unidad ascendente tal como un establecimiento industrial, o cualquier otra fuente tal como el océano. La segunda solución puede ser una solución de drenaje que contiene una concentración más alta de soluto con relación a la primera solución. Una gran variedad de soluciones de drenaje se pueden utilizar. Por ejemplo, la solución de drenaje puede comprender una solución de sal termolítica. En algunas modalidades, una solución de drenaje de amoníaco y dióxido de carbono se puede utilizar, por ejemplo las descritas en la Publicación de Solicitud de Patente Estadounidense No. 2005/0145568 de McGinnis, que es incorporada por este medio en la presente por referencia en su totalidad para todos los propósitos. En una modalidad, la segunda solución puede ser una solución concentrada de amoníaco y dióxido de carbono. En por lo menos una modalidad, la solución de drenaje puede comprender amoníaco y dióxido de carbono en un relación molar de más de aproximadamente 1 a 1.

La solución de drenaje tiene generalmente una concentración mayor que la de la solución de alimentación. Esto se puede lograr usando los solutos que son suficientemente solubles para producir una solución que tiene una concentración más alta que la solución de alimentación. Preferiblemente, el soluto dentro de la segunda solución que debe ser fácilmente desprendible de la segunda solución a través de un proceso de separación, forma por lo menos una especie que se disuelve más fácilmente en el solvente de la segunda solución, es decir, la especie soluble, y una especie que no se disuelve fácilmente dentro del solvente, es decir, la especie menos soluble, y no posee ningún riesgo para la salud si sigue habiendo trazas de la especie de soluto en el solvente resultante. La existencia de la especie soluble y menos soluble de solutos permite que las soluciones sean ajustadas o manipuladas según lo necesario. Comúnmente, las especies solubles y menos solubles de soluto alcanzan un punto en la solución en el cual, bajo la condición particular, temperatura, presión, pH, etc., ninguna de las dos especies de soluto aumenta o disminuye con respecto entre sí, es decir, la relación de la especie de soluto soluble a insoluble es estática. Esto es referido como equilibrio. Debido a las condiciones particulares de la solución, las especies de soluto no necesitan estar presentes en una relación de 1 a 1 en equilibrio.

A través de la adición de un químico, designado como; un reactivo, el equilibrio entre las especies de soluto se puede cambiar. Usando un primer reactivo, el equilibrio de la solución se puede cambiar para aumentar la cantidad de especies solubles de soluto. Asimismo, usando un segundo reactivo, el equilibrio de la solución se puede cambiar para aumentar la cantidad de especies menos soluble de soluto. Después de la adición de los reactivos, la relación de las especies de soluto puede estabilizarse en un nuevo nivel que es favorecido por las condiciones de la solución. Manipulando el equilibrio a favor de las especies solubles de soluto, se puede obtener una segunda solución con una concentración cerca de la saturación, un estado en el cual las soluciones de solvente no pueden disolver adicionalmente el soluto.

Los solutos preferidos para la segunda solución (drenaje) pueden ser gases de amoníaco y dióxido de carbono y sus productos, carbonato de amonio, bicarbonato de amonio, y carbamato de amonio. El amoníaco y dióxido de carbono, cuando se disuelven en agua en una relación de aproximadamente 1, forman una solución compuesta principalmente de bicarbonato de amonio y en un grado inferior de los productos relacionados, carbonato de amonio y carbamato de amonio. El equilibrio en esta solución favorece la especie menos soluble de soluto, bicarbonato de amonio, sobre la especie soluble de soluto, carbamato de amonio y en un grado inferior carbonato de amonio. La amortiguación de la solución compuesta principalmente de bicarbonato de amonio con un exceso de gas de amoníaco para que la relación de amoníaco a dióxido de carbono aumentada entre aproximadamente 1.75 a aproximadamente 2.0 cambiará el equilibrio de la solución hacia la especie soluble de soluto, carbamato de amonio. El gas de amoníaco es más soluble en agua y preferiblemente es adsorbido por la solución. Debido a que el carbamato de amonio es adsorbido más fácilmente por el solvente de la segunda solución, su concentración se puede aumentar al punto donde el solvente no puede adsorber ninguna cantidad de soluto, es decir saturación. En algunas modalidades no limitantes, la concentración de los solutos dentro de esta segunda solución alcanzada por esta manipulación es mayor de aproximadamente 2 molar, más de aproximadamente 6 molar, o aproximadamente 6 a aproximadamente 12 molar.

El gas de amoníaco puede ser un primer reactivo preferido para el carbamato de amonio puesto que es uno de los elementos químicos que resulta cuando se descompone el carbamato de amonio del soluto, referido de otra manera como un elemento constitutivo. Es generalmente preferido que el reactivo para el solvente sea un elemento constitutivo de soluto puesto que cualquier exceso de reactivo se puede eliminar fácilmente de la solución cuando se elimina el solvente, y, en una modalidad preferida el elemento constitutivo se puede reciclar como el primer reactivo. Sin embargo, se contemplan otros reactivos que pueden manipular el equilibrio de la especie de soluto eri la solución siempre y cuando el reactivo se elimine fácilmente de la solución y que el reactivo no posea ningún riesgo para la salud si elementos residuales de reactivo permanecen dentro del solvente final.

De acuerdo con una o más modalidades, un módulo de membrana de osmosis forzada puede incluir generalmente una primera y segunda entradas. La primera y segunda entradas se pueden asociar con las fuentes de la primera y segunda soluciones. En algunas modalidades, una fuente de una primera solución puede ser un primer depósito de solución y una fuente de una segunda solución puede ser un segundo depósito de solución. Una primera entrada se puede conectar de manera fluida con una fuente de una solución acuosa que se tratará, y una segunda entrada se puede conectar de manera fluida con una fuente de una solución de drenaje. La primera y segunda entradas también se pueden asociar a la primera y segunda trayectorias de flujo de fluido, respectivamente, para facilitar el suministro de la primera y segunda soluciones al módulo de membrana para la osmosis forzada. En algunas modalidades, la primera entrada puede estar en comunicación fluida con la primera trayectoria de flujo de fluido, y la segunda entrada puede estar en comunicación fluida con la segunda trayectoria de flujo de fluido. La primera y segunda entradas se pueden aislar de manera fluida entre sí. En por lo menos una modalidad, la primera y segunda entradas se colocan en un extremo, es decir un primer o segundo extremo, del módulo de membrana de osmosis forzada. En otras modalidades, la primera y segunda entradas se pueden colocar en los extremos opuestos del módulo de membrana de osmosis forzada.

De acuerdo con una o más modalidades, un módulo de membrana de osmosis forzada puede incluir generalmente una primera y segunda salidas. La primera y segunda salidas se pueden asociar a la primera y segunda trayectorias de flujo de fluido, respectivamente, para facilitar la eliminación de una o más corrientes de producto del módulo de membrana de osmosis forzada. Una primera salida puede recolectar una solución^ de drenaje diluida y una segunda salida puede recolectar una corriente de proceso acuosa reducida o concentrada. En algunas modalidades, la primera salida puede estar en comunicación fluida con la primera trayectoria de flujo de fluido, y la segunda salida puede estar en comunicación fluida con la segunda trayectoria de flujo de fluido. La primera y segunda salidas se pueden aislar de manera fluida entre sí. En por lo menos una modalidad, la primera y segunda salidas se colocan en un extremo del módulo de membrana de osmosis forzada. En otras modalidades, la primera y segunda salidas se pueden colocar en los extremos opuestos del módulo de membrana de osmosis forzada.

En algunas modalidades, la primera y segunda entradas generalmente se pueden colocar en un primer extremo del módulo de membrana de osmosis forzada mientras que la primera y segunda salidas generalmente se pueden colocar en un segundo extremo del módulo de membrana de osmosis forzada. En algunas de tales modalidades, una región de distribución puede proporcionar generalmente la primera y segunda entradas, y una región de recolección puede proporcionar generalmente la primera y segunda salidas. La región de distribución se puede colocar en un primer extremo del módulo de membrana y la región de recolección se puede colocar en un segundo extremo del módulo de membrana.

De acuerdo con una o más modalidades, la membrana de osmosis forzada del módulo se puede construir y configurar para definir un compartimiento de membrana. Un compartimiento de membrana puede definir generalmente por lo menos un espacio parcialmente integrado. Por lo tanto, un compartimiento de membrana puede tener una región interior y una región exterior. Uno o más lados de un compartimiento de membrana pueden ser sellados. En algunas modalidades, un compartimiento de membrana puede ser referido generalmente como una cavidad de membrana, que tiene una región interior y una región exterior. Una primera trayectoria de flujo de fluido se puede asociar a la región interior de la cavidad de membrana y una segunda trayectoria de flujo de fluido se puede asociar a la región exterior de la cavidad de membrana. La cavidad de membrana generalmente puede facilitar el aislamiento de la primera y segunda trayectorias de flujo de fluido para evitar la mezcla, además del transporte osmótico deseado de la transmembrana para la separación. En las modalidades que implican una membrana asimétrica, una primera capa de la membrana puede proporcionar una superficie de la región interior de la cámara mientras que una segunda capa de la membrana puede proporcionar una superficie de la región exterior del compartimiento. En algunas modalidades, una capa de rechazo se puede asociar a la región exterior de la cavidad de membrána y una capa de soporte se puede asociar a la región interior de la cavidad de membrana.

De acuerdo con una o más modalidades, un módulo de membrana de osmosis forzada puede incluir una pluralidad, de membranas de osmosis forzada. Un módulo puede incluir una pluralidad de membranas de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal. En las modalidades en donde las membranas se construyen y configuran para proporcionar o definir un compartimiento o cavidad de membrana, el módulo puede comprender una pluralidad de tales compartimientos, cada uno tiene una región interior y una región exterior. Un módulo de membrana puede, por lo tanto, comprender una pluralidad de primeras trayectorias de fluido y una pluralidad de segundas trayectorias de fluido. En algunas modalidades, las primeras trayectorias de flujo de fluido se pueden asociar con las regiones interiores de cavidades de membrana, mientras que las segundas trayectorias de flujo de fluido se pueden asociar con las regiones exteriores de las cavidades de membrana, o espacios entre las membranas adyacentes del módulo. Una primera solución puede fluir a lo largo de cada una de las primeras trayectorias de fluido, y una segunda solución puede fluir a lo largo de cada una de las segundas trayectorias de fluido. Así, un módulo se puede ampliar aumentando el número de membranas de osmosis forzada, tal como las membranas de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal, presentes en el módulo.

De acuerdo con una o más modalidades, un módulo de membrana de osmosis forzada puede incluir uno o más accesorios para facilitar la introducción de la primera y segunda soluciones al módulo de membrana mientras que previene la mezcla entre las mismas. Asimismo, un módulo de membrana de osmosis forzada puede incluir uno o más accesorios para facilitar la eliminación o recolección de la primera y segunda soluciones del módulo de membrana mientras que previene la mezcla entre las mismas. En algunas modalidades, un casquillo extremo se puede colocar en cada extremo de un módulo de membrana enrollada helicoidal. En por lo menos una modalidad, los casquillos extremos se pueden colocar en cada extremo de una membrana enrollada helicoidal. En los módulos que tienen una pluralidad de membranas enrolladas helicoidales, cada una de las membranas enrolladas helicoidales puede tener un casquillo extremo colocado en cada extremo. El casquillo extremo puede incluir por lo menos una entrada y/o salida en comunicación fluida con una o más trayectorias de flujo de fluido dentro del módulo. El casquillo extremo se puede construir y configurar para facilitar el aislamiento de una o más trayectorias de flujo de fluido dentro del módulo. El casquillo extremo se puede construir y configurar para aislar una o más entradas de fluido y/o salidas de fluido.

En algunas modalidades, un casquillo extremo puede comprender una primera entrada en comunicación fluida con una primera trayectoria de flujo de fluido y una segunda entrada en comunicación fluida con una segunda trayectoria de flujo de fluido. En una modalidad, un casquillo extremo puede comprender una primera entrada en comunicación fluida con una región interior de un compartimiento de membrana. El casquillo extremo puede comprender una segunda entrada en comunicación fluida con una región exterior del compartimiento de membrana.

En algunas modalidades, un casquillo extremo puede comprender una primera salida en comunicación fluida con una primera trayectoria de flujo de fluido y una segunda salida en comunicación fluida con una segunda trayectoria de flujo de fluido. En una modalidad, un casquillo extremo puede comprender una primera salida en comunicación fluida con una región interior de un compartimiento de membrana. El casquillo extremo puede también incluir una segunda salida en comunicación fluida con una región exterior del compartimiento de membrana.

En otras modalidades, un primer casquillo extremo puede incluir una primera entrada en comunicación fluida con una primera trayectoria de flujo de fluido y una primera salida en comunicación fluida con una segunda trayectoria de flujo de fluido. Un segundo casquillo extremo puede incluir una segunda entrada en comunicación fluida con la segunda trayectoria de flujo de fluido y una segunda salida en comunicación fluida con la primera trayectoria de flujo de fluido. El primer casquillo extremo se puede colocar en el primer extremo de una membrana enrollada helicoidal y el segundo casquillo extremo se puede colocar en un segundo extremo de la membrana enrollada helicoidal. La primera trayectoria de flujo de fluido puede estar a lo largo de una región interior de una cavidad de membrana y la segunda trayectoria de flujo de fluido puede estar a lo largo de una región exterior de la cavidad de membrana.

De acuerdo con una o más modalidades, un casquillo extremo puede comprender uno o más puertos en comunicación fluida con una o más trayectorias de flujo de fluido del módulo de membrana. Los puertos del casquillo extremo pueden facilitar generalmente el aislamiento de las soluciones introducidas o eliminadas del módulo de membrana de osmosis forzada enrollada helicoidal en el casquillo extremo. Los puertos pueden tener cualquier estructura capaz de prevenir generalmente la mezcla de varias soluciones introducidas y/o eliminadas en un casquillo extremo. Un puerto se puede construir y configurar para aislar varias soluciones introducidas y/o eliminadas en un casquillo extremo. Un puerto puede comprender una primera región en comunicación fluida con una primera trayectoria de flujo de fluido y una segunda región en comunicación fluida con una segunda trayectoria de flujo de fluido. La primera y segunda regiones se pueden configurar para evitar la mezcla entre las soluciones introducidas y/o eliminadas de las mismas. Los puertos generalmente pueden dimensionarse y separarse para facilitar el flujo de fluido a través del módulo de membrana, por ejemplo para alcanzar un flujo deseado. Este flujo es generalmente logrado promoviendo el flujo turbulento en una trayectoria de flujo relativamente recta de un extremo del módulo de membrana al otro, con una desviación mínima de la trayectoria de flujo y una resistencia mínima para fluir elevándose a partir de las dimensiones especiales de la trayectoria de flujo.

En algunas modalidades, los puertos pueden comprender tubos, cada uno de los cuales tiene una región de abertura y una región exterior. En por lo menos una modalidad, los tubos pueden ser tubos sustancialmente planos. Otras modalidades proporcionan aberturas de tubo ovales o circulares, y espacios entre los tubos que toman, por ejemplo, las formas rectangulares, ovales, triangulares, o acanaladas. Una o más aberturas se pueden conectar de manera fluida con una primera trayectoria de flujo de fluido, tal como una región interior de una cavidad de membrana, y una región exterior de los tubos puede estar en comunicación fluida con una segunda trayectoria de flujo de fluido, tal como una región exterior de la cavidad de membrana. Las aberturas se pueden conectar de manera fluida con una primera entrada del módulo de membrana para facilitar la introducción de una primera solución a una primera trayectoria de flujo mientras que la región exterior de los tubos se puede conectar de manera fluida con una segunda entrada del módulo de membrana para facilitar la introducción de una segunda solución a una segunda trayectoria de flujo de fluido. Las aberturas de otro casquillo extremo se pueden conectar de manera fluida con una primera salida del módulo de membrana para facilitar la eliminación de una primera solución de una primera trayectoria de flujo mientras que la región exterior de los tubos se puede conectar de manera fluida con una segunda salida del módulo de membrana para facilitar la eliminación de una segunda solución de una segunda trayectoria de flujo de fluido. En las modalidades donde un casquillo extremo comprende una entrada y salida, las aberturas se pueden conectar de manera fluida con una primera entrada del módulo de membrana para suministrar una primera solución a una primera trayectoria de flujo de fluido mientras que la región exterior de los tubos se puede conectar de manera fluida con una primera salida del módulo de membrana para eliminar una segunda solución de una segunda trayectoria de flujo de fluido. Son posibles varias otras configuraciones además de estas configuraciones ejemplares.

De acuerdo con una o más modalidades, un módulo de membrana puede incluir uno o más accesorios para asegurar el aislamiento de las trayectorias de flujo de fluido dentro del módulo excepto para el transporte deseado de la transmembrana para la separación. Los casquillos extremos descritos anteriormente pueden ser uno de tales accesorios. Otros accesorios se pueden implementar solos o en combinación con los casquillos extremos. En algunas modalidades, por lo menos una porción de uno o más extremos de una membrana de osmosis forzada enrollada helicoidal se puede montar con una placa u otro método mecánico o estructural capaz de prevenir la mezcla entre varias soluciones suministradas o eliminadas del módulo. En otras modalidades, por lo menos una porción de uno o más extremos de una membrana de osmosis forzada enrollada helicoidal se puede insertar para facilitar el aislamiento de las trayectorias de flujo de fluido. Varias técnicas y materiales de encapsulamiento de membrana son bien conocidas, e implican generalmente el uso de materiales de resina curables. En algunas modalidades, el encapsulamiento puede prevenir generalmente que un líquido entre o salga de una primera trayectoria de flujo de fluido así como puede prevenir la entrada o salida de una segunda trayectoria de flujo de fluido, y viceversa. Por ejemplo, el encapsulamiento puede evitar que un primer líquido fluya en las aberturas de los tubos de casquillo extremo así como puede evitar que fluya entre los tubos. Asimismo, el encapsulamiento puede evitar generalmente que un segundo fluido fluya entre los tubos de casquillo extremo también puede evitar que fluya en las aberturas de los tubos de casquillo extremo. En algunas modalidades no limitantes, esto se puede lograr con cualquier sustancia de tipo epoxi que sea líquida y después se solidifique. Algunos materiales de encapsulamiento se caracterizan por ser generalmente rígidos mientras que otros son más flexibles. Cada característica tiene ventajas asociadas y, en algunas modalidades, puede ser deseable utilizar una combinación de materiales de resina para el encapsulamiento. En las modalidades donde se utiliza el casquillo extremo y/o la placa u otro dispositivo mecánico o estructural, el encapsulamiento puede ofrecer protección complementaria contra la mezcla indeseable en las entradas y/o salidas de fluido de un módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal.

De acuerdo con una o más modalidades, un módulo de membrana de osmosis forzada se puede construir y configurar generalmente para promover el flujo uniforme a través del módulo de membrana, tal como a lo largo de un eje longitudinal del módulo. Un flujo uniforme puede promover generalmente el uso eficiente del área superficial de la membrana disponible. Las consideraciones de diseño que pueden promover el flujo uniforme incluyen la optimización de los parámetros, por ejemplo, caudal, turbulencia de corriente, equilibrio de las concentraciones y volúmenes de las soluciones de alimentación y drenaje, altura del canal de flujo, modelado en la superficie de membrana, distribuidores de flujo o distribuidores de flujo complementarios en el extremo del módulo de membrana para asegurar el flujo uniforme a través de los canales en cualquier punto en el eje radial del módulo, y el diámetro y longitud del módulo de membrana.

De acuerdo con una o más modalidades, una estructura de soporte se puede asociar al módulo de membrana enrollada de manera helicoidal. Por ejemplo, una barra o eje puede soportar una membrana enrollada helicoidal. En algunas modalidades, una o más membranas de osmosis forzada se pueden envolver alrededor de una estructura de soporte. En ciertas modalidades, una o más cavidades de membrana de osmosis forzada, tal como una pluralidad, se pueden colocar de manera helicoidal alrededor de una estructura de soporte. Una o más membranas se pueden conectar con la estructura de soporte. En otras modalidades, pueden estar sin unir. En algunas modalidades, el módulo no incluye un tubo impregnado, tal como un tubo impregnado central, para la introducción o recolección de una o más corrientes de fluido. Así, en por lo menos una modalidad, la estructura de soporte no es un tubo impregnado.

De acuerdo con una o más modalidades, uno o más separadores se pueden colocar a lo largo de una o más trayectorias de flujo de fluido. Los separadores que pueden facilitar generalmente la promoción del flujo uniforme a lo largo de las trayectorias de flujo de fluido, pueden dirigir el flujo de fluido a lo largo de las trayectorias de flujo, y pueden promover cualquier turbulencia deseable dentro del módulo. Uno o más separadores se pueden colocar a lo largo de una primera trayectoria de flujo de fluido y/o una segunda trayectoria de flujo de fluido. En algunas modalidades, los separadores se pueden colocar a lo largo de una cavidad de membrana y/o a lo largo de una región exterior de una cavidad de membrana. En por lo menos algunas modalidades, los separadores se pueden colocar entre las membranas adyacentes de un módulo de membrana. Los separadores se pueden utilizar para ajusfar estratégicamente uno o más parámetros asociados a una trayectoria de flujo de fluido. Por ejemplo, las dimensiones, tal como espesor, anchura o altura de los separadores se pueden seleccionar para dar lugar a la altura, volumen, flujo u otro parámetro deseado de una trayectoria de flujo de fluido. Puede ser deseable variar uno o más parámetros de una trayectoria de flujo de fluido a lo largo de un eje longitudinal de una trayectoria de flujo de fluido. En por lo menos una modalidad, el espesor de los separadores a lo largo de un eje longitudinal del módulo de membrana se puede variar para alcanzar un perfil deseado. Por ejemplo, puede ser deseable ahusar una o más trayectorias de flujo de fluido a lo largo de un eje longitudinal de un módulo.

En por lo menos una modalidad, un módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal no incluye líneas de pegamento o está sustancialmente libre de líneas de pegamento. El uso de las líneas de pegamento se conoce comúnmente para facilitar generalmente la dirección del flujo de fluido dentro de un módulo de membrana. En algunas modalidades, una membrana de osmosis forzada, tal como una doblada o de otra manera construida y configurada para formar un cámara o cavidad, no incluye una línea de pegamento a lo largo de una trayectoria de flujo de fluido, tal como para dirigir el flujo de fluido. Por ejemplo, algunas modalidades pueden no incluir una línea de pegamento asociada con una región interior de una cavidad de membrana. Una o más de tales membranas sin líneas de pegamento se pueden enrollar de manera helicoidal dentro de un módulo de membrana de osmosis forzada de acuerdo con una o más modalidades. En algunas modalidades, el pegamento o adhesivo se puede aún utilizar a lo largo de los bordes de una cavidad de membrana para sellar el bolsillo, asegurar los caequillos extremos y/o conectar la membrana con una estructura de soporte.

Un módulo de membrana enrollada de manera helicoidal de acuerdo con una o más modalidades se puede utilizar en la osmosis de presión retardada. La osmosis de presión retardada puede relacionarse generalmente con la derivación de energía osmótica o energía de gradiente de salinidad de una diferencia de concentración de sal entre dos soluciones, tal como una solución de drenaje concentrada y un fluido de trabajo diluido. En algunos ejemplos, el agua de mar puede ser una primera solución y el agua dulce o agua casi desionizada puede ser una segunda solución. En algunas modalidades, uno o más módulos de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal se pueden incluir en un recipiente de presión para facilitar la osmosis de presión retardada. Uno o más aspectos de diseño del módulo de membrana de osmosis forzada, tal como una o más características o parámetros relacionados a las membranas, caequillos extremos, separadores o trayectorias de flujo, se pueden modificar para el uso en la ósmosis de presión retardada. Dentro de la ósmosis de presión retardada, una solución de drenaje se puede introducir en una cámara de presión en un primer lado de una membrana, por ejemplo a lo largo de una primera trayectoria de flujo de fluido de un módulo de membrana enrollada de manera helicoidal. En algunas modalidades, por lo menos una porción de la solución de drenaje se puede presurizar con base en una diferencia de presión osmótica entre la solución de drenaje y un fluido de trabajo diluido. El fluido de trabajo diluido se puede introducir en un segundo lado de la membrana, por ejemplo a lo largo de una segunda trayectoria de flujo de fluido del módulo de membrana enrollada de manera helicoidal. El fluido de trabajo diluido puede moverse generalmente a través de la membrana vía ósmosis, aumentando así el volumen en el lado de la solución de drenaje presurizada de la membrana. Mientras se compensa la presión, una turbina se puede hacer girar para generar electricidad. Una solución de drenaje diluida resultante entonces se puede procesar, tal como separarse, para la reutilización. En algunas modalidades, una fuente de calor de baja temperatura, tal como calor residual industrial, se puede utilizar en o facilita un sistema o proceso de osmosis de presión retardada.

En una modalidad no limitante, un sistema de osmosis de presión retardada que incorpora uno o más módulos de membrana enrollada de manera helicoidal puede ser un motor de calor osmótico, tal como el descrito en la Publicación de WIPO No. WO2008/060435 de McGinnis y colaboradores, que es incorporada por este medio en la presente por referencia en su totalidad para todos los propósitos. Un motor de calor osmótico puede convertir la energía térmica en trabajo mecánico usando una membrana semipermeable para convertir la presión osmótica en corriente eléctrica. Una solución de drenaje concentrada de amoniaco-dióxido de carbono puede crear altas presiones osmóticas que generan el flujo de agua a través de una membrana semipermeable contra un gradiente de presión hidráulica. La descompresión del volumen creciente de solución de drenaje en una turbina puede producir corriente eléctrica. El proceso se puede mantener en operación de estado constante a través de la separación de la solución de drenaje diluida en una solución de drenaje concentrada nuevamente y un fluido de trabajo de agua desionizada, ambas para la reutilización anterior en el motor de calor osmótico.

En algunas modalidades, un módulo de osmosis forzada se puede operar a presiones de hasta aproximadamente 137.8 bar. Algunas modalidades no limitantes de osmosis forzada pueden implicar presiones de entre aproximadamente 1.3 bar a aproximadamente 3.4 bar. Las condiciones de operación ejemplares no limitantes para un módulo de osmosis forzada pueden incluir una solución de drenaje de aproximadamente 5 moles sin presión hidráulica ejercida en ella distinta de aproximadamente 1.3 bar a aproximadamente 2.7 bar necesaria para realizar el flujo cruzado a través del canal de flujo de solución de drenaje, que es diluida a una concentración de aproximadamente casi 1.5 molar por el flujo de transmembrana de agua de la solución de alimentación a través de la membrana semipermeable. La solución de alimentación en este caso por ejemplo sería una alimentación de agua de mar (aproximadamente casi 0.5 concentración molar) que no se presuriza hidráulicamente a una presión distinta a aproximadamente 1.3 bar a aproximadamente 2.7 bar para inducir su flujo cruzado a través del canal de flujo de alimentación.

En algunas modalidades, un módulo de osmosis de presión reducida se puede operar a presiones de hasta aproximadamente 137.8 bar. Algunas modalidades no limitantes de osmosis de presión retardada pueden implicar presiones de entre aproximadamente 68.9 bar y aproximadamente 137.8 bar. En operación, las condiciones ejemplares no limitantes para un módulo de osmosis de presión retardada puede incluir una concentración de solución de drenaje de aproximadamente 5 molar que se diluye a aproximadamente 3 molar, bajo una presión hidráulica de aproximadamente casi 100 atmósferas. La solución de alimentación en este caso por ejemplo sería un fluido de trabajo de agua desionizada bajo solamente la presión hidráulica (aproximadamente 1.3 bar a aproximadamente 2.7 bar) necesaria para inducir su flujo a través del canal de flujo de alimentación.

La figura 1 presenta un módulo de membrana de osmosis forzada enrollada helicoidal 100 de acuerdo con una o más modalidades no limitantes. El módulo 100 incluye una pluralidad de membranas de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal. Cada extremo del módulo 100 incluye una cámara 120, 130. La cámara 120 incluye las entradas 124, 126 mientras que la cámara 130 incluye las salidas 134, 136. Cada extremo de las membranas 110 se encapsulan en las cápsulas 140.

El módulo 100 se puede dimensionar con cualquier dimensión deseada. Por ejemplo, la dimensión se puede basar en varios factores que incluyen los requisitos de caudal y espacio de presencia. Los módulos se pueden ampliar generalmente hacia arriba o hacia abajo para ajustar las especificaciones de una aplicación particular. En algunas modalidades no limitantes, las dimensiones físicas del módulo 100 pueden ser de entre aproximadamente 0.5 metros y aproximadamente 2 metros de longitud. En una modalidad específica, el módulo 100 puede ser de aproximadamente 1 metro de longitud. En algunas modalidades no limitantes, el módulo 100 puede ser de entre aproximadamente 2.5 cm y aproximadamente 127 cm. En algunas modalidades específicas, el módulo 100 puede ser de aproximadamente 5.08, aproximadamente 10.16, aproximadamente 20.32 ó aproximadamente 40.64 cm de diámetro.

La figura 2 presenta un diagrama esquemático de una sola membrana de osmosis forzada 210 desenrollada o antes de enrollarse de manera helicoidal. Una pluralidad de tales membranas 210 puede comprender las membranas 110 de la figura 1. Un casquillo extremo 250 se coloca en cada extremo de la membrana de osmosis forzada 210. En algunas modalidades no limitantes, un casquillo extremo se puede diseñar de acuerdo con el casquillo extremo 350 presentado en la figura 3. El casquillo extremo 350 puede incluir una fila de puertos 370, separados por los espacios 380 entre los mismos. En algunas modalidades, los puertos 370 pueden ser tubos planos. Una estructura o colector de unión 360 puede facilitar el sellado del casquillo extremo 350 en el lado de la membrana 210. Las dimensiones de los puertos 370, espacios 380 y colector 360 pueden ser de cualquier medida deseada y se pueden optimizar por separado.

Una vista lateral de un casquillo extremo 450 se presenta en la figura 4. El colector 460 puede facilitar generalmente la unión del casquillo extremo 450 a una cavidad de membrana. En operación, un primer líquido puede fluir a través del casquillo extremo 450 solamente a través de las aberturas 475 de los tubos planos 470. Un segundo fluido puede fluir dentro del espacio 480 alrededor de los tubos planos 470. La figura 5 detalla una sección transversal de un casquillo extremo 550 en donde el tubo plano 570 se interconecta con el colector 560. El colector 560 se puede sellar a una cavidad de membrana. Una porción interna del colector 560 puede estar en comunicación fluida con las aberturas de los tubos 570 y con una región interior de la cavidad de membrana, mientras que una porción externa del colector 560 puede estar en comunicación fluida con el espacio 580 alrededor de los tubos 570 y con una región exterior de la cavidad de membrana. Así, la primera y segunda entradas de fluido se pueden aislar entre sí para evitar la mezcla según lo ilustrado en la figura 6. La figura 6 ilustra un extremo de un módulo de membrana de osmosis forzada enrollada helicoidal. Los tubos 670 del casquillo extremo 650 definen las aberturas 675 y las regiones exteriores 680. Un primer líquido puede entrar en el módulo 600 en la primera entrada 624 que está en comunicación fluida con las aberturas 675. Un segundo líquido puede entrar en el módulo 600 en la segunda entrada 626 en comunicación fluida con las regiones exteriores 680. El depósito 640 puede facilitar el aislamiento de fluido de la primera y segunda entradas 624, 626. Las trayectorias de flujo de fluido definidas por las regiones interiores y exteriores de la cavidad de membrana también se pueden aislar de manera fluida, además del transporte de transmembrana deseado para la separación osmótica según lo ilustrado en la figura 7. La figura 7 ilustra una cavidad de membrana con una primera trayectoria de flujo de fluido de la solución A a lo largo de su región exterior y una segunda trayectoria de flujo de fluido de la solución B a lo largo de su región interior.

De acuerdo con una o más modalidades, una membrana de hoja plana se puede utilizar en la producción de un módulo de membrana de osmosis forzada enrollada helicoidal. En algunas modalidades no limitantes, una membrana de osmosis forzada de hoja plana se puede doblar sobre si misma, tal como sustancialmente en la mitad. Un primer borde de una hoja de membrana se puede doblar a un segundo borde paralelo de la hoja de membrana. En el caso de una membrana de osmosis forzada asimétrica, la hoja se puede doblar tal que una capa de soporte de las caras laterales una la capa de soporte de la otra, y la capa de rechazo de cada cara lateral hacia fuera. Una cavidad o compartimiento se puede formar generalmente fuera de la membrana doblada. En otra modalidad, las capas activas pueden ser opuestas entre sí en la región interior de la cavidad de membrana. También son posibles otras configuraciones de las capas de refuerzo y activas. Un borde naturalmente sellado del compartimiento se forma vía la operación de plegamiento. Un borde opuesto y paralelo al borde sellado naturalmente se puede sellar por cualquier técnica comúnmente conocida incluyendo el uso de pegamento, epoxi, adhesivo o fricción. Los dos extremos de la membrana doblada también se pueden sellar sustancialmente, según lo descrito más adelante, mientras se proporcionan las entradas y salidas aisladas de manera fluida. En otras modalidades, dos o más hojas de membrana se pueden unir para formar un compartimiento de membrana, en lugar de doblar una sola hoja.

De acuerdo con una o más modalidades, un casquillo extremo se puede colocar en cada uno de los dos bordes extremos de la hoja de membrana doblada (los bordes que están normalmente en cualquier extremo de un alojamiento enrollado helicoidal) para alcanzar el flujo separado de las soluciones; de alimentación y drenaje a través del módulo. Los lados longitudinales del casquillo extremo se pueden sellar generalmente. El lado longitudinal que estará en el centro del conjunto helicoidal durante el rodamiento se puede fijar opcionalmente a la barra u otro soporte estructural interno para el enrollamiento de la hoja. Cualquier técnica conocida se puede utilizar para unir herméticamente un casquillo extremo a cada uno de los bordes extremos de la hoja delantera doblada de la membrana de osmosis. Uno o más separadores de turbulencia se pueden incluir dentro de la cavidad de membrana.

La hoja delantera doblada modificada resultante de la membrana de osmosis, que incluye los casquillos extremos, se puede enrollar en un espiral. En este punto, la membrana enrollada puede tener los tubos planos de los casquillos extremos que sobresalen de cualquier extremo del conjunto de membrana enrollada. Estos extremos pueden entonces depositarse. En algunas modalidades, cada extremo se puede sumergir en epoxi u otra forma de sellador. En una modalidad no limitante, aproximadamente la mitad de la longitud de los tubos se puede sellar de este modo. Los extremos de los selladores de epoxi se pueden entonces cortar después de encapsularse para permitir el flujo de fluido en las aberturas de los tubos. En algunas modalidades no limitantes, aproximadamente una cuarta parte de la longitud de los tubos puede permanecer sellada.

Cada extremo del conjunto de membrana se puede entonces montar o sellar dentro de un alojamiento exterior. Durante la operación, la solución de alimentación tal como salmuera o agua de mar se puede dirigir al espacio entre el bloque de epoxi y el enrollado de hoja principal, que fluye alrededor de los puertos en el alojamiento y a lo largo del lado de agua de mar de la membrana. Asimismo, la solución de drenaje se puede dirigir a los extremos abiertos de los puertos, que fluye al alojamiento de membrana y a lo largo del lado de solución de drenaje de la membrana. Esta configuración puede permitir una dinámica de fluido similar en ambos lados de la membrana osmótica.

Un sistema, tal como una desalación u otro sistema de tratamiento, puede incluir una pluralidad de módulos de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal.

Una pluralidad de módulos de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal se puede colocar en forma de una serie. Un sistema puede incluir una pluralidad de entradas y salidas. Una fuente de la primera y segunda soluciones se puede conectar de manera fluida con los módulos de membrana tal como una fuente de una solución de alimentación y una fuente dé una solución de drenaje. En algunas modalidades, un sistema de separación, tal como un sistema de destilación, se puede conectar de manera fluida con una salida del módulo de membrana. El sistema de separación puede tratar una solución de drenaje diluida producida por el proceso de osmosis forzada para producir la corriente de agua potable o de otro producto así como para recuperar la solución de drenaje. La solución de drenaje entonces se puede reciclar nuevamente a una entrada de los módulos de membrana de osmosis forzada mientras que el agua de producto se puede suministrar a un punto de uso. Las columnas de destilación, tal como las descritas en la Publicación de la WIPO No. WO 2007/146094 de McGinnis y colaboradores, que se incorpora por este medio en la presente por referencia en su totalidad para todos los propósitos, se pueden implementar de acuerdo con varias modalidades.

De acuerdo con una o más modalidades, los dispositivos, sistemas y métodos pueden implicar generalmente un controlador para ajusfar o regular por lo menos un parámetro de operación del dispositivo o componente del sistema, tal como, pero sin limitarse a, válvulas y bombas de impulsión, así como el ajuste de una propiedad o característica de una o más corrientes de flujo de fluido a través del módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal. Un controlador puede estar en comunicación electrónica con por lo menos un sensor configurado para detectar por lo menos un parámetro operacional del sistema, tal como una concentración, caudal, nivel de pH o temperatura. El controlador se puede configurar generalmente para generar una señal de control para ajustar uno o más parámetros operacionales en respuesta a una señal generada por un sensor. Por ejemplo, el controlador se puede configurar para recibir una representación de una condición, característica, o estado de cualquier corriente, componente o subsistema de un dispositivo de separación de osmosis forzada. El controlador comúnmente incluye un algoritmo que facilita la generación de por lo menos una señal de salida que se basa comúnmente en una o más de cualquiera de una representación y un valor objeto o deseado tal como un punto de ajuste. De acuerdo con uno o más aspectos particulares, el controlador se puede configurar para recibir una representación de cualquier característica medida de cualquier corriente, y genera una señal de control, impulsión o salida a cualquiera de los componentes de sistema, reducir cualquier desviación de la característica medida de un valor objeto.

Ahora describiendo algunas modalidades ilustrativas de la invención, debe ser evidente para los expertos en la técnica que lo anterior es simplemente ilustrativo y no limitante, ya que se presentó a modo de ejemplo solamente. Numerosas modificaciones y otras modalidades están dentro del alcance de un experto en la técnica y se contemplan como incluidas dentro del alcance de la invención. Particularmente, aunque muchos de los ejemplos presentados en la presente impliquen combinaciones específicas de acciones de método o elementos de sistema, debe ser entendido que esas acciones y elementos se pueden combinar de otras maneras para lograr los mismos objetivos.

Se debe apreciar que las modalidades de los dispositivos, sistemas y métodos discutidos en la presente no están limitadas en aplicación por los detalles de construcción y configuración de los componentes establecidos en la siguiente descripción o ilustradas en los dibujos anexos. Los dispositivos, sistemas y métodos son capaces de implementarse en otras modalidades y de practicarse o realizarse de varias maneras. Los ejemplos de implementaciones específicas se proporcionan en la presente para propósitos ilustrativos solamente y no se piensan para ser limitantes. Particularmente, las acciones, elementos y características discutidos con respecto a cualquiera de una o más modalidades no se piensan para ser excluidos de una función similar en ninguna otra modalidad.

Los expertos en la técnica deben apreciar que los parámetros y configuraciones descritos en la presente son ejemplares y que los parámetros y/o configuraciones reales dependerán del uso específico en el cual se usan los sistemas y técnicas de la invención. Los expertos en la técnica deben también reconocer o poder comprobar, usando solamente la experimentación rutinaria, los equivalentes a las modalidades específicas de la invención. Por lo tanto, debe entenderse que las modalidades descritas en la presente están presentadas a modo de ejemplo solamente y que, dentro del alcance de las reivindicaciones anexas y equivalentes de las mismas; la invención se puede practicar de otra manera a la descrita específicamente.

Por otra parte, debe también apreciarse que la invención está dirigida a cada característica, sistema, subsistema, o técnica descrita en la presente y cualquier combinación de dos o más características, sistemas, subsistemas, o técnicas descritas en la presente y cualquier combinación de dos o más características, sistemas, subsistemas, y/o métodos, si tales características, sistemas, subsistemas, y técnicas no son mutuamente opuestos, se consideran dentro del alcance de la invención según lo incorporado a las reivindicaciones. Además, las acciones, elementos, y características discutidos solamente con respecto a una modalidad no se piensan para excluirse de una función similar en otras modalidades.

La fraseología y terminología usadas en la presente son para propósitos de descripción y no se deben considerar como limitantes. Según lo utilizado en la presente, el término "pluralidad" se refiere a dos o más artículos o componentes. Los términos "comprende", "incluye", "lleva", "tiene", "contiene", e "implica" si están en la descripción escrita o reivindicaciones y similares, son términos indefinidos, es decir, significa "incluye pero sin limitarse". Así, el uso de tales términos significa que comprende los artículos enumerados después de lo anterior, y los equivalentes de los mismos, así como artículos adicionales. Solamente las frases transitorias "consiste de" y "consiste esencialmente de", son frases transitorias definidas o parcialmente definidas, respectivamente, con respecto a las reivindicaciones. El uso de los términos ordinales tal como "primero", "segundo", "tercero", y similares en las reivindicaciones para modificar un elemento de la reivindicación, por sí mismo no implica ninguna prioridad, precedente, u orden de un elemento de la reivindicación sobre otro u orden temporal en el cual las acciones de un método se realizan, pero se utiliza simplemente como etiquetas para distinguir un elemento de la reivindicación que tiene cierto nombre de otro elemento que tiene un mismo nombre (pero para el uso del término ordinal) para distinguir los elementos de la reivindicación.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un módulo de membrana de osmosis forzada enrollada helicoidal, que comprende: un módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal que define una cavidad de membrana que tiene una región interior y una región exterior, el módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal tiene un primer y segundo extremos; una región de distribución en el primer extremo que comprende una primera entrada en comunicación fluida con la región interior de la cavidad de membrana y una segunda entrada en comunicación fluida con la región exterior de la cavidad de membrana; y una región de recolección en el segundo extremo que comprende una primera salida en comunicación fluida con la región interior de la cavidad de membrana y una segunda salida en comunicación fluida con la región exterior de la cavidad de membrana.

2. El módulo de la reivindicación 1, en donde la primera entrada se aisla de manera fluida de la segunda entrada.

3. El módulo de la reivindicación 2, en donde la primera salida se aisla de manera fluida de la segunda salida.

4. El módulo de la reivindicación 1, en donde la región de distribución comprende un casquillo extremo.

5. El módulo de la reivindicación 4, en donde el casquillo extremo se construye y configura para aislar de manera fluida la primera y segunda entradas.

6. El módulo de la reivindicación 5, en donde el casquillo extremo comprende por lo menos un tubo que tiene una abertura conectada de manera fluida con la región interior de la cavidad de membrana y una región exterior en comunicación fluida con la región exterior de la cavidad de membrana.

7. El módulo de la reivindicación 6, en donde la primera entrada de fluido está conectada con la abertura de por lo menos un tubo.

8. El módulo de la reivindicación 6, en donde la segunda entrada está en comunicación fluida con la región exterior de por lo menos un tubo.

9. El módulo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde por lo menos una porción de uno del primer y segundo extremos del módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal es encapsulada.

10. El módulo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde por lo menos una porción de uno del primer y segundo extremos del módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal se monta en una placa.

11. El módulo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que adicionalmente comprende por lo menos un separador colocado a lo largo de una trayectoria de flujo de fluido definida por la región interior de la cavidad de membrana desde la primera entrada a la primera salida.

12. El módulo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que adicionalmente comprende por lo menos un separador colocado a lo largo de una trayectoria de flujo de fluido definida por la región exterior de la cavidad de membrana desde la segunda entrada a la segunda salida.

13. El módulo de la reivindicación 11 ó 12, en donde un espesor de por lo menos un separador varía a lo largo de un eje longitudinal del módulo de membrana.

14. El módulo de la reivindicación 1, que adicionalmente comprende un soporte central en cooperación mecánica con el módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal.

15. El módulo de la reivindicación 1, en donde el módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal es asimétrico.

16. El módulo de la reivindicación 15, en donde la región exterior de la cavidad de membrana es definida por una capa de rechazo del módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal.

17. El módulo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el módulo se integra en un sistema de osmosis de presión retardada.

18. Un sistema de tratamiento de agua, que comprende: un módulo de membrana de osmosis forzada enrollada helicoidal, que comprende: un módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal construido y configurado para definir una primera y segunda trayectorias de flujo de fluido aisladas y sustancialmente paralelas a lo largo de un eje longitudinal del módulo; una primera entrada y una primera salida conectadas de manera fluida con la primera trayectoria de flujo de fluido; y una segunda entrada y una segunda salida conectadas de manera fluida con la segunda trayectoria de flujo de fluido.

19. El sistema de la reivindicación 18, que adicionalmente comprende una fuente de una primera solución conectada de manera fluida con la primera entrada, y una fuente de una segunda solución conectada de manera fluida con la segunda entrada.

20. El sistema de la reivindicación 18, en donde la primera y segunda entradas se colocan en un primer extremo del módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal.

21. El sistema de la reivindicación 19, en donde la fuente de la primera solución es una fuente de una solución salina.

22. El sistema de la reivindicación 21, en donde la solución salina comprende agua de mar.

23. El sistema de la reivindicación 19, en donde la fuente de la segunda solución comprende una fuente de una solución de drenaje.

24. El sistema de la reivindicación 23, en donde la solución de drenaje comprende amoníaco y dióxido de carbono en una relación molar mayor de aproximadamente 1 a 1.

25. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que adicionalmente comprende un segundo módulo de membrana de osmosis forzada enrollada helicoidal.

26. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que adicionalmente comprende un sistema de control configurado para controlar por lo menos uno de un caudal de la primera solución en la primera entrada y un caudal de la segunda solución en la segunda entrada.

27. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que adicionalmente comprende un sistema de separación conectado de manera fluida con una de la primera y segunda salidas.

28. El sistema de la reivindicación 27, en donde una salida del sistema de separación está conectada de manera fluida con una de la primera y segunda entradas.

29. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sistema es un sistema de osmosis de presión retardada que adicionalmente comprende una turbina conectada de manera fluida de forma descendente a una de la primera y segunda salidas.

30. Un método para facilitar un proceso de desalación, que comprende: proporcionar un módulo de membrana de osmosis forzada enrollada helicoidal que comprende: un módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal que define una cavidad de membrana que tiene una región interior y una región exterior, el módulo de membrana de osmosis forzada enrollada de manera helicoidal tiene un primer y segundo extremos; una región de distribución en el primer extremo que comprende una primera entrada en comunicación fluida con la región interior de la cavidad de membrana y una segunda entrada en comunicación fluida con la región exterior de la cavidad de membrana; y una región de recolección en el segundo extremo que comprende una primera salida en comunicación fluida con la región interior de la cavidad de membrana y una segunda salida en comunicación fluida con la región exterior de la cavidad de membrana; conectar de manera fluida una fuente de una solución de drenaje con la primera entrada; y conectar una fuente de una solución de salmuera con la segunda entrada.

31. El método de la reivindicación 30, en donde la conexión fluida de una fuente de una solución de drenaje con la primera entrada comprende la conexión fluida de una fuente de una solución de drenaje que comprende amoníaco y dióxido de carbono en una relación molar de más de aproximadamente 1 a 1.

32. El método de la reivindicación 30, que adicionalmente comprende la conexión fluida de la primera salida con una columna de destilación.

33. El método de la reivindicación 32, que adicionalmente comprende la conexión fluida de una salida de la columna de destilación con la primera entrada.

34. El método de la reivindicación 30, en donde la membrana de osmosis forzada enrollada helicoidal del módulo proporcionado se construye y configura para definir la primera y segunda trayectorias de flujo de fluido aisladas y sustancialmente paralelas a lo largo de un eje longitudinal del módulo.

35. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el método es un proceso de osmosis de presión retardada que adicionalmente comprende la conexión fluida de la región de recolección del módulo de membrana con una turbina.