MX2013003271A

MX2013003271A - Procesos y sistemas de membrana accionada osmoticamente y metodos para la recuperacion de soluto extraido.

Info

Publication number: MX2013003271A
Application number: MX2013003271A
Authority: MX
Inventors: Robert Mcginns
Original assignee: Oasys Water Inc
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2013-09-02
Also published as: EP2618917A4; AU2011305488B2; JP2013537850A; MX368886B; CN103221118A; JP5943924B2; CA2811925A1; AU2011305488A1; KR20130101520A; WO2012040335A3; IL225359A0; IL225359A; CL2017001631A1; SG189035A1; EA201390426A1; KR101924531B1; EP2618917A2; WO2012040335A2; AU2011305488A2; BR112013006569A2

Abstract

La invención describe procesos y sistemas de membrana accionada osmóticamente para la recuperación de solutos extraídos en los procesos de membrana accionada osmóticamente. Procesos de membrana accionada osmótlcamente involucran la extracción de un solvente de una primera solución para concentrar soluto al usar una segunda solución concentrada para extraer el solvente de la primera solución a través de una membrana semi-permeable. La recuperación de soluto extraído también puede incluir el uso de recuperación de soluto multi-etapas usando columnas de destilación y/o membranas, donde la recuperación se puede asistir por una bomba de calor.

Description

PROCESOS Y SISTEMAS DE MEMBRANA ACCIONADA OSMOTICAMENTE Y METODOS PARA LA RECUPERACION DE SOLUTO EXTRAIDO CAMPO DE LA INVENCION Generalmente, la invención se refiere a procesos de membrana accionada osmóticamente y más particularmente para establecer técnicas de recuperación de soluto para procesos de membrana accionada osmóticamente.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION En general, los procesos de membrana accionada osmóticamente involucran dos soluciones separadas por una membrana semipermeable. Una solución puede ser, por ejemplo, agua de mar, mientras que la otra solución es una solución concentrada que genera un gradiente de concentración entre el agua de mar y la solución concentrada. Este gradiente extrae agua del agua de mar a través de la membrana, que selectivamente permite el paso del agua, pero no de sales, en la solución concentrada. Gradualmente, el agua que ingresa a la solución concentrada diluye la solución. Entonces, los solutos deben ser removidos de la solución diluida para generar agua potable. Tradicionalmente, se obtiene el agua potable, por ejemplo, mediante destilación; sin embargo, los solutos típicamente no se recuperan y ni se reciclan.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION La invención generalmente describe sistemas y métodos de membrana accionada osmóticamente, por ejemplo, osmosis directa (FO), osmosis retardada de presión (PRO), dilución osmótica (OD) , concentración osmótica directa (DOC) y lo similar, y a sistemas y métodos para la recuperación de soluto extraído en los sistemas/procesos de membrana accionada osmóticamente.

En un aspecto, la invención describe un proceso de membrana accionada osmóticamente en la forma de un proceso de separación de osmosis directa. El proceso incluye los pasos de introducir una primera solución en un primer lado de una membrana semipermeable, detectar al menos una característica de la primera solución, seleccionar una relación molar para una solución extraída concentrada que comprende amoníaco y dióxido de carbono basado en al menos una característica detectada, introducir la solución extraída concentrada que comprende amoníaco y dióxido de carbono en la relación molar seleccionada en un segundo lado de la membrana semipermeable para mantener un gradiente de concentración osmótico deseado a través de la membrana semipermeable, promover el flujo de al menos una porción de la primera solución a través de la membrana semipermeable para formar una segunda solución en el primer lado de la membrana semipermeable y una solución extraída diluida en el segundo lado de la membrana semipermeable, introducir al menos una porción de la solución extraída diluida a una operación de separación para recuperar solutos extraídos y una corriente de solvente, reintroducir los solutos extraídos hacia el segundo lado de la membrana semipermeable para mantener la relación molar seleccionada de amoníaco a dióxido de carbono en la solución extraída concentrada, y colectar la corriente de solvente.

En varias modalidades, la operación de separación incluye el uso de un absorbedor configurado para condensar los solutos extraídos en la solución extraída concentrada.. La corriente de solvente, solución extraída diluida, o solución extraída concentrada puede utilizarse como un absorbente en el absorbedor. Puede utilizarse enfriamiento con . el absorbedor. En algunas modalidades, el proceso puede incluir además el paso de comprimir una corriente de gas resultante de la separación de los solutos extraídos de la solución extraída diluida usando un compresor de gas o un eductor de vapor activado por la presión hidráulica en una corriente líguida absorbente para promover la reabsorción de solutos extraídos en la solución extraída concentrada. El proceso puede incluir además el paso de aplicar presión sobre la primera solución para mejorar o producir flujo a través de la membrana semipermeable en la solución extraída concentrada. El proceso puede incluir además el paso de seleccionar una solución extraída concentrada que tiene un soluto extraído caracterizado por una capacidad de tener su remoción de la solución o introducción en la solución mejorada por el uso de un catalizador, caracterizado por una capacidad de tener su remoción de la solución o introducción en solución mejorada por un agente físico o químico reutilizable o caracterizado por una capacidad de tener su remoción de la solución o introducción en solución mejorada por un campo de energía eléctrica, campo de energía magnética u otro cambio de ambiente tal que la susceptibilidad del soluto extraído a la separación se incrementa para mejorar la remoción de soluto extraído y re-uso.

En modalidades adicionales, el proceso puede incluir además el paso de detectar un cambio volumétrico con respecto a por lo menos una de la primera solución y la concentración de la solución extraída y la modificación de un canal de flujo que relaciona a la membrana semipermeable en respuesta al cambio detectado para mantener una característica de flujo deseado. En otras modalidades, el proceso puede incluir además el paso de mejorar la remoción de soluto extraído o absorción utilizando un catalizador, reactivo, consumible, material reusable, campo de energía eléctrica o campo de energía magnética. En aún . otras modalidades, el procesó puede incluir además el paso de reducir la energía de proceso al utilizar por lo menos uno de recompresión mecánica de vapor, recompresión térmica de vapor, destilación al vacío, destilación de gas de barrido, pervaporación y/o una bomba de calor de ciclo cerrado. El proceso puede incluir además el paso de utilizar dióxido de carbono para precipitar los solutos extraídos y usar amoníaco para reabsorber el precipitado para osmosis retardada de presión. El proceso puede incluir además el paso de introducir una suspensión sembrada para la primera solución. En al menos una modalidad, el proceso puede incluir además el paso de usar una super-saturación de sales en la primera solución durante una primera operación y desaturación de sales durante una segunda operación antes de regresar a la primera operación para resaturación.

En otro aspecto, la invención se refiere a un sistema para extracción osmótica de un solvente de una primera solución. El sistema incluye una primera cámara que tiene una entrada fluidamente conectada a una fuente de la primera solución, una segunda cámara que tiene una entrada fluidamente conectada a una fuente de una solución extraída concentrada que comprende de amoníaco y dióxido de carbono en una relación molar de al menos 1 a 1, un sistema de membrana semipermeable que separa la primera cámara de la segunda cámara, un sistema de separación fluidamente conectado corriente abajo de la segunda cámara y configurado para recibir una solución extraída diluida de la segunda cámara y recuperar los solutos extraídos y una corriente de solvente, y un sistema de reciclaje que tiene un absorbedor configurado para facilitar la reintroducción de los solutos extraídos a la segunda cámara para mantener la relación molar de amoniaco a dióxido de carbono en la solución extraída concentrada. En una modalidad, el sistema de separación incluye una columna de destilación.

En algunas modalidades, el absorbedor puede incluir una columna empacada. En al menos una modalidad, el absorbedor incluye un contactor de membrana. El contactor de membrana puede ser construido y dispuesto para facilitar el flujo paralelo de un absorbente enfriado y flujo de serie de gases de solutos extraídos en el contactor de membrana. En algunas modalidades, la columna de destilación puede incluir un aparato de destilación de membrana. En algunas modalidades, el sistema de reciclaje puede incluir además una operación de compresión corriente abajo del absorbedor para mejorar la condensación de gases de soluto extraído. En al menos una modalidad, la operación de compresión incluye un compresor de gas, un eductor de vapor, o un eductor de corriente líquida. La operación de separación puede incluir adicionalmente un bucle de secuestro de carbono para absorber y desorber solutos extraídos, el bucle de secuestro de carbono configurado para completar la absorción de gases de soluto extraído e incrementar su presión para promover su absorción en la solución extraída concentrada.

En algunas modalidades, el sistema de membrana semipermeable puede incluir un módulo de membrana sumergido en la primera solución, donde la solución extraída concentrada fluye a través de un interior del módulo de membrana. En al menos una modalidad, el sistema de membrana semipermeable tiene un primer canal de flujo asociado con la primera solución de donde se extrae solvente, el primer canal de flujo que tiene una geometría ahusada o una configuración de espaciadores de flujo tal que un volumen efectivo del primer canal de flujo disminuye a lo largo de una longitud del primer canal de flujo, y un segundo canal de flujo asociado con la solución extraída concentrada en, que el solvente se extrae de la primera solución, el segundo canal de flujo que tiene una geometría de expansión o una configuración de espaciadores de flujo tal que un volumen efectivo del segundo canal de flujo aumenta a lo largo de una longitud del segundo canal de flujo. En algunas modalidades, el sistema de membranas semipermeables incluye un arreglo de módulo de membrana piramidal para acomodar una disminución en un volumen de la primera solución y un aumento en un volumen de la solución extraída concentrada, el arreglo de módulo de membrana piramidal configurado tal que en un arreglo de contraflujo existen algunos módulos de membrana en una dirección de una entrada de solución extraída y una salida de solución de alimentación, y más módulos de membrana en una dirección de una entrada de solución de alimentación y una salida de solución extraída.

Además, el sistema puede incluir una descarga líquida cero corriente abajo u otra operación de corriente de descarga reducida que tiene una entrada configurada para recibir la solución concentrada. El sistema puede incluir además un vacío o sistema de limpieza con aire/extracción configurado para ayudar en la recuperación de solutos extraídos. El sistema además puede incluir un sistema de pervaporación configurado para recuperar los solutos extraídos. En algunas modalidades, el sistema de pervaporación puede tener una membrana que es selectiva para gases de soluto extraído en relación con el vapor de agua. El sistema además puede incluir un sistema de destilación de membrana para recuperar los solutos extraídos. En al menos algunos modalidades, las membranas pueden usarse para la separación de solutos extraídos y de intercambio de calor en un módulo. En algunas modalidades, los solutos extraídos recuperados pueden suministrarse a una o más operaciones adicionales corriente abajo.

En otro aspecto, la invención describe un método para generación osmótica de energía. El método puede incluir los pasos de realizar una operación de separación de membrana para formar una primera solución, precipitar los solutos extraídos desde la primera solución, separar los solutos extraídos precipitados para formar una segunda solución, promover la producción de gases de la segunda solución, separar los gases con una técnica tal como absorción diferencial basada en cinética, y usar al menos un gas separado para redisolver los solutos precipitados para formar una tercera solución para su reutilizar en el paso de la separación de membrana.

En otro aspecto de la invención, un proceso de separación de osmosis directa puede incluir introducir una primera solución en un primer lado de una membrana semipermeable, introducir una solución extraída concentrada en un segundo lado de la membrana semipermeable para mantener un gradiente de concentración osmótica deseado a través de la membrana semipermeable, promover el flujo de al menos una porción de la primera solución a través de la membrana semipermeable para formar una segunda solución en el primer lado de la membrana semipermeable y una solución extraída diluida en el segundo lado de la membrana semipermeable, introducir al menos una porción de la solución extraída diluida a una operación de separación para recuperar solutos diluidos y una corriente de solvente, reintroducir los solutos extraídos al segundo lado de la membrana semipermeable para mantener una relación molar deseada en la solución extraída concentrada, y colectar la corriente de solvente. En una o más modalidades, los solutos extraídos recuperados de la operación de separación se ponen en contacto con una solución de absorción.

En otro aspecto de la invención, un aparato para extracción osmótica de un solvente de una primera solución puede incluir una primera cámara que tiene una entrada fluidamente conectada a una fuente de una primera solución, una segunda cámara que tiene una entrada fluidamente conectada a una fuente de una solución extraída concentrada, una membrana semipermeable que separa la primera cámara de la segunda cámara, y un sistema de separación fluidamente conectado corriente abajo de la segunda cámara y configurado para recibir una solución extraída diluida de la segunda cámara y recuperar los solutos extraídos y una corriente de solvente. El aparato también puede incluir un sistema de recuperación que incluye un absorbedor configurado para facilitar la reintroducción de los solutos extraídos a la segunda cámara para mantener una concentración deseada de solutos en la solución extraída concentrada.

En varias modalidades, al menos uno del sistema de separación y el sistema de recuperación puede incluir un dispositivo de membrana. El dispositivo de membrana puede ser construido y dispuesto para transportar soluto(s) extraído(s) recuperado ( s ) en contacto con una solución de absorción. El dispositivo de membrana puede ser construido y dispuesto para recuperar solutos extraídos de la solución extraída diluida. En algunas modalidades, al menos uno de los sistemas de separación y recuperación puede incluir una membrana líquida suspendida. La operación de separación puede incluir una operación de recuperación de soluto multi-etapas utilizando, por ejemplo, destilación de columna o membrana. En el caso de la recuperación de soluto multi-etapas, los sistemas pueden ser construidos y dispuestos tal que corrientes de material y energía ambos flujo en serie. En al menos una modalidad, la operación de recuperación de soluto multi-etapas puede incluir al menos una bomba de calor.

En otro aspecto, un método para separar el soluto y el solvente de producto de una solución extraída usando una pluralidad de columnas de destilación puede incluir la introducción de solución extraída a cada una de por lo menos una primera columna de destilación y por lo menos una segunda columna de destilación, aplicar energía térmica de una fuente de energía térmica a la primera columna de destilación para vaporizar al menos una porción de la solución extraída en la primera columna de destilación, dirigir la porción vaporizada de la solución extraída de la primera columna de destilación a la segunda columna de destilación como una corriente de energía tal que la porción vaporizada de la solución extraída de la primera columna de destilación actúa como una fuente de energía térmica para la segunda columna de destilación para vaporizar al menos una porción de la solución extraída en la segunda columna de destilación, y fluir la solución extraída y las corrientes de energía en serie dentro de por lo menos la primera y segunda columnas de destilación, con lo cual se separan los solutos de solución extraída y el solvente del producto contenido en la solución extraída en por lo menos la primera y segunda columnas de destilación. En algunas modalidades, el método puede incluir asistir a por lo menos una de la primera y segunda columnas de destilación con una bomba de calor.

En otro aspecto, la invención se refiere a un aparato (y método relacionado) para la recuperación de solutos de solución extraída de una solución extraída diluida. El aparato incluye un sistema de membrana accionada osmóticamente que tiene una fuente de solución extraída diluida que incluye solutos térmicamente removibles y un sistema de separación en comunicación fluida con el sistema de membrana accionada osmóticamente. El sistema de separación incluye al menos un contactor de membrana que tiene un primer lado y un segundo lado, en donde el primer lado está en comunicación fluida con la fuente de solución extraída diluida. En una o más modalidades, el sistema de separación incluye además una fuente de energía térmica en comunicación con la solución extraída diluida para vaporizar por lo menos una porción de solutos extraídos de la solución extraída diluida y una fuente de solución de absorción en comunicación fluida con el segundo lado del contactor de membrana. Por lo menos una porción de solutos extraídos vaporizados pasa del primer lado al segundo lado del contactor de membrana y son absorbidos por la solución de absorción.

En varias modalidades, la solución de absorción es también la fuente de energía térmica, por ejemplo, en forma de vapor. El sistema de separación también puede incluir un condensador en comunicación con la solución de absorción conforme sale por lo menos un contactor de membrana, una bomba de calor en comunicación con el contactor de membrana, y/o re-hervidor en comunicación con la bomba de calor y una fuente de agua descargada por el contactor de membrana. En una o varias modalidades, el contactor de membrana es una membrana selectiva que substancialmente inhibe la transferencia de vapor de agua, pero facilita la transferencia de solutos extraídos vaporizados. En una modalidad, la membrana selectiva puede ser una membrana liquida suspendida.

En otro aspecto, la invención se refiere a un aparato para la recuperación de solutos de solución extraída de un sistema de membrana accionada osmóticamente. El aparato incluye un módulo de membrana configurado para recibir una solución extraída diluida del sistema de membrana accionada osmóticamente y un módulo de bomba de calor en comunicación fluida con el módulo de membrana para proporcionar (o ayudar a) una fuente de energía térmica para el módulo de membrana. El módulo de membrana puede incluir por lo menos un sistema de membrana, que puede disponerse en un alojamiento. En una o más modalidades, al menos un sistema de membrana incluye por lo menos un sistema de membrana para extraer solutos fuera de la solución extraída diluida (es decir, una membrana de extracción) y por lo menos un sistema de membrana para poner los solutos de solución extraída en contacto con una solución de absorción (es decir, una membrana de absorción). En una modalidad, el sistema de membrana es un sistema de recuperación de soluto multi-etapas , donde se utilizan múltiples módulos de membrana con flujos de material y energía en serie o en paralelo para adaptarse a una aplicación particular. Los sistemas de membrana pueden incluir una membrana selectiva tal como, por ejemplo, una membrana líquida suspendida. En una o más modalidades, el módulo de bomba de calor incluye una bomba de calor en comunicación fluida con una fuente de solutos extraídos vaporizados descargados por el módulo de membrana y un rehervidor en comunicación fluida con una fuente de agua descargada por el módulo de membrana.

En otro aspecto, la invención se refiere a un aparato para la recuperación de solutos de solución extraída en un sistema de membrana accionada osmóticamente que utiliza la recuperación de soluto multi-etapas con múltiples columnas de destilación y/o módulos de membrana. En una modalidad, el aparato incluye una primera columna de destilación (o módulo de membrana), bomba de calor y una segunda columna de destilación (o módulo de membrana). La primera columna de destilación incluye una primera entrada acoplada a una primera fuente de solución extraída diluida (por ejemplo, el sistema de membrana accionada osmóticamente) para introducir una porción de solución extraída diluida en un primer extremo de la primera columna de destilación; un primer medio de transferencia de calor acoplado a la primera columna de destilación en un segundo extremo, donde el primer medio de transferencia de calor tiene una entrada acoplada a una primera fuente de energía térmica y una salida acoplada a la primera columna de destilación para dirigir la energía térmica a la primera columna de destilación para causar gue los solutos de solución extraída diluida en la primera columna de destilación se vaporicen; una primera salida para eliminar los solutos de solución extraída diluida vaporizada de la primera columna de destilación; y una segunda salida para eliminar un producto de fondos de la primera columna de destilación. Por otra parte, la primera fuente de energía térmica puede ser introducida directamente a la primera columna de destilación. La bomba de calor se acopla a la primera salida de la primera columna de destilación. La segunda columna de destilación incluye una primera entrada acoplada a una segunda fuente de solución extraída diluida para introducir una porción de la solución extraída diluida en un primer extremo de la segunda columna de destilación; un segundo medio de transferencia de calor acoplado a la segunda columna de destilación en un segundo extremo, donde el segundo medio de transferencia de calor tiene una entrada acoplada a la bomba de calor para recibir los solutos de solución extraída diluida vaporizada para el uso como una segunda fuente de energía térmica, una primera salida acoplada a la segunda columna de destilación para dirigir la segunda fuente de energía térmica a la segunda columna de destilación para causar que los solutos de solución extraída diluida en la segunda columna de destilación se vaporicen, y una segunda salida configurada para regresar los solutos de solución extraída diluida vaporizada de la primera columna de destilación condensados dentro del segundo medio de transferencia de calor hacia el sistema de membrana accionada osmóticamente; una primera salida para eliminar los solutos de solución extraída diluida vaporizada de la segunda columna de destilación; y una segunda salida para eliminar un producto de fondos de la segunda columna de destilación.

En varias modalidades, el aparato incluye una segunda bomba de calor acoplada a la primera salida de la segunda columna de destilación y por lo menos la tercera columna de destilación. La tercera columna de destilación incluye una primera entrada acoplada a una tercera fuente de solución extraída diluida (por ejemplo, el sistema de membrana accionada osmóticamente) para introducir una porción de la solución extraída diluida en un primer extremo de la tercera columna de destilación; un tercer medio de transferencia de calor acoplado a la tercera columna de destilación en un segundo extremo, donde el tercer medio de transferencia de calor tiene una entrada acoplada a la segunda bomba de calor para recibir los solutos de solución extraída diluida vaporizada para su uso como una tercera fuente de energía térmica para el uso con la tercera columna de destilación, una primera salida acoplada a la tercera columna de destilación para dirigir la tercera fuente de energía térmica hacia la tercera columna de destilación para causar que los solutos de solución extraída diluida en la tercera cámara de destilación se vaporicen, y una segunda salida configurada para regresar los solutos de solución extraída vaporizada de la segunda columna de destilación condensados dentro del tercer medio de transferencia de calor hacia el sistema de membrana accionada osmóticamente; una primera salida para eliminar los solutos de solución extraída vaporizada de la tercera columna de destilación; y una segunda salida para eliminar un producto de fondo de la tercera columna de destilación. En una o más modalidades, la primera salida de la tercera columna de destilación está configurada para regresar los solutos de solución extraída diluida vaporizada de la tercera columna de destilación hacia el sistema de membrana accionada osmóticamente. En una modalidad, la primera y segunda columnas de destilación están configuradas para operación en paralelo y la primera y segunda fuentes de solución extraída diluida son el sistema de membrana accionada osmóticamente. En otra modalidad, la primera y segunda columnas de destilación están configuradas para la operación en serie y la segunda fuente de solución extraída diluida es el producto de fondos de la primera columna de destilación.

En otro aspecto, la invención se refiere a un aparato para la recuperación de solutos extraídos de un proceso de membrana accionada osmóticamente. El aparato incluye un sistema de membrana accionada osmóticamente que incluye una fuente de solución extraída diluida que tiene solutos removibles térmicamente y un módulo de separación en comunicación fluida con el sistema de membrana accionada osmóticamente. El módulo de separación incluye al menos uno de un dispositivo de membrana o un aparato de destilación en comunicación fluida con la fuente de la solución extraída diluida y al menos una bomba de calor acoplada a por lo menos uno de un dispositivo de membrana o un aparato de destilación. La bomba de calor está configurada para proporcionar una fuente de energía térmica (o auxiliar a una fuente existente de energía térmica) a por lo menos uno de un dispositivo de membrana o un aparato de destilación para vaporizar los solutos removibles térmicamente.

En varias modalidades, el dispositivo de membrana incluye al menos un contactor de membrana configurado para al menos uno de poner los solutos extraídos vaporizados en contacto con una solución de absorción o recuperación de solutos extraídos de la solución extraída diluida. En una o más modalidades, el contactor de membrana es una membrana líquida suspendida. En una o más modalidades, el aparato de destilación incluye un aparato de recuperación de soluto multi-etapas, por ejemplo, columna¦ multi-etapas y/o aparato de destilación de membrana. En una modalidad, el aparato de recuperación multi-etapas se construye y se arregla tal que el material y corrientes de energía fluyen en serie, por ejemplo, a través de una primera columna de destilación y una segunda columna de destilación.

En otro aspecto, la invención se refiere a un método de recuperación de solutos extraídos de un sistema de membrana accionada osmóticamente. El método incluye los pasos de proporcionar una fuente de solución extraída diluida del sistema de membrana accionada osmóticamente, donde la solución extraída diluida comprende solutos removibles térmicamente, introducir al menos una porción de la solución extraída diluida a un sistema de separación, introducir una fuente de energía térmica al sistema de separación, vaporizar los solutos de solución extraída diluida fuera de la solución extraída diluida, recuperar los solutos de solución extraída diluida vaporizada, y reciclar los solutos de solución extraída desde el sistema de separación hacia el sistema de membrana accionada osmóticamente.

En una o más modalidades, el paso de vaporización de los solutos de solución extraída diluida incluye la exposición de los solutos de solución extraída diluida hacia la fuente de energía térmica a través de un contactor de membrana para recuperar los solutos de la solución extraída diluida. El paso de recuperación de los solutos de solución extraída vaporizada puede incluir la exposición de los solutos de solución extraída vaporizada a una solución de absorción a través de un contactor de membrana. En aún otras modalidades, el paso de vaporización de los solutos de solución extraída diluida incluye exponer la solución extraída diluida a un proceso de recuperación de soluto multi-etapas , por ejemplo, la destilación de columna multi-etapas . En una modalidad, la solución extraída diluida y la fuente de flujo de energía térmica en serie a través del proceso de recuperación de soluto multi-etapas, por ejemplo, a través de por lo menos una primera columna de destilación (o módulo de membrana) y una segunda columna de destilación (o módulo de membrana). Adicionalmente, el paso de vaporización de los solutos de solución extraída diluida incluye ayudar a la fuente de energía térmica con una bomba de calor.

Estos y otros objetos, junto con ventajas y características de la presente invención descritos aquí, serán evidentes a través de la referencia a la siguiente descripción y las figuras acompañantes. Además, debe entenderse que las características de las distintas modalidades descritas aquí no son mutuamente excluyentes y pueden existir en diferentes combinaciones y permutaciones.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS En las figuras, como los caracteres de referencia generalmente se refieren a las mismas partes a través de los diferentes puntos de vista. También, las figuras no son necesariamente a escala, énfasis en su lugar generalmente de ser colocados en ilustración en los principios de la invención y no pretenden ser una definición de los límites de la invención. Para propósitos de claridad, no todos los componentes pueden ser etiquetados como en cada dibujo. En la siguiente descripción, se describen varias modalidades de la presente invención con referencia a las figuras siguientes, en que: La Figura 1 es una representación esquemática de un sistema/proceso de membrana accionada osmóticamente que utiliza un sistema de recuperación de soluto de acuerdo con una o más modalidades de la invención; La Figura 2 es una representación esquemática de un sistema/proceso de membrana accionada osmóticamente de acuerdo con una o más modalidades de la invención; La Figura 3 es una representación esquemática de un sistema/proceso de membrana accionada osmóticamente alternativo de acuerdo con una o más modalidades de la invención; La Figura 4 es una representación esquemática de otro sistema/proceso de membrana accionada osmóticamente alternativo de acuerdo con una o más modalidades de la invención; La Figura 5 es una representación esquemática de otro sistema/proceso de membrana accionada osmóticamente alternativo de acuerdo con una o más modalidades de la invención; La Figura 6 es una representación esquemática de una porción de un sistema de recuperación de soluto extraído usando un contactor de membrana para facilitar la absorción de vapores de solución extraída de acuerdo con una o más modalidades de la invención; La Figura 7 es una representación esquemática de una porción de un sistema de recuperación de soluto extraído usando un contactor de membrana para facilitar la recuperación de los solutos extraídos de acuerdo con una o más modalidades de la invención; La Figura 8 es una representación esquemática de una porción de un sistema de recuperación de soluto extraído, donde las funciones de extracción y absorción de la solución extraída diluida se integran en un único módulo; La Figura 9 es una representación esquemática de una porción de un sistema de recuperación de soluto extraído usando destilación de membrana integrada con una bomba de calor de ciclo cerrado de acuerdo con una o más modalidades de la invención; La Figura 10 es una representación esquemática de una porción de un sistema de recuperación de soluto extraído usando destilación de membrana integrado con una bomba de calor de ciclo abierto de acuerdo con una o más modalidades de la invención; La Figura 11 es una representación esquemática de una membrana selectiva para uso en un sistema de recuperación de soluto extraído de acuerdo con una o más modalidades de la invención; La Figura 12 es una representación esquemática de una porción de un sistema de recuperación de soluto extraído usando una membrana selectiva para extracción simultánea y absorción de solutos extraídos de acuerdo con una o más modalidades de la invención; La Figura 13 es una representación esquemática de una porción de un sistema de recuperación de soluto extraído de acuerdo con una o más modalidades de la invención; La Figura 14 es una representación esquemática de una porción de un sistema de recuperación de soluto usando la recuperación de soluto multi-etapas de acuerdo con una o más modalidades de la invención; La Figura 15 es una representación esquemática de una porción de un sistema de recuperación de soluto usando recuperación de soluto multi-etapa asistida por bomba de calor de acuerdo con una o más modalidades de la invención; La Figura 16 es una representación esquemática de una porción de un sistema de recuperación de soluto extraído usando destilación de columna y una bomba de calor de acuerdo con una o más modalidades de la invención; La Figura 17 es una representación esquemática de una porción de un sistema de recuperación de soluto extraído usando destilación de columna y una bomba de calor de acuerdo con una o más modalidades de la invención; y La Figura 18 es una representación esquemática de una porción de un sistema de recuperación de soluto extraído usando un eductor de acuerdo con una o más modalidades de la invención.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION Varias modalidades de la invención pueden utilizarse en cualquier proceso de membrana accionada osmóticamente, tal como FO, PRO, OD, DOC, etc. Un proceso de membrana accionada osmóticamente para la extracción de un solvente de la solución puede implicar generalmente la exposición de la solución a una primera superficie de una membrana de osmosis directa. En algunas modalidades, la primera solución (conocida como un proceso o solución de alimentación) puede ser agua de mar, agua salobre, agua residual, agua contaminada, una corriente de proceso u otra solución acuosa. En al menos una modalidad, el solvente es agua; sin embargo, otras modalidades pueden utilizar solventes no acuosos. Una segunda solución (conocida como una solución extraída) con una concentración elevada de soluto(s) en relación a la de la primera solución puede estar expuesta a una segunda superficie opuesta de la membrana de osmosis directa. Solvente, por ejemplo agua, entonces se pueden extraer de la primera solución a través de la membrana de osmosis directa y en la segunda solución generando una solución enriquecida con solvente via osmosis directa.

Osmosis directa generalmente utiliza propiedades de transferencia de fluidos que involucran el movimiento del solvente desde una solución menos concentrada a una solución más concentrada. Presión osmótica generalmente promueve el transporte del solvente a través de una membrana de osmosis directa de alimentación para extraer soluciones. La solución enriquecida con solvente, también referida como una solución extraída diluida, puede ser colectada en una primera salida y se somete a un proceso de separación posterior. En algunas modalidades no limitantes, agua purificada se puede producir como un producto de la solución enriquecida con solvente. Una segunda corriente de producto, es decir, una solución de proceso concentrada o disminuida, se puede colectar en una segunda salida para descarga o tratamiento adicional. La solución de proceso concentrada puede contener uno o más compuestos ob etivo que puede ser deseable para concentrarse o de lo contrario aislarse para su uso corriente abajo.

Figura 1 representa un sistema/proceso de membrana accionada osmóticamente 10 utilizando un sistema de recuperación de soluto extraído 22 de acuerdo con una o más modalidades de la invención. Como se muestra en la figura 1, el sistema/proceso 10 incluye un módulo de osmosis directa 12, tal como aquellos descritos en la Patente de E.U.A. Nos. 6,391,205 y 7,560,029; y publicación de PCT Nos. WO2009/155596 y 02011/ 053794 ; las descripciones de los cuales se incorporan aquí para referencia en su totalidad. El módulo 12 está en comunicación fluida con una fuente de solución de alimentación o corriente 14 y una fuente de solución extraída o corriente 16. La fuente de solución extraída 16 puede incluir, por ejemplo, una corriente salina, tal como agua de mar, u otra solución como se describe aquí que puede actuar como un agente osmótico para desecar la fuente de alimentación 14 por osmosis a través de una membrana de osmosis directa dentro del módulo 12. Del módulo 12 sale una corriente de solución concentrada 18 de la corriente de alimentación 14 que pueden procesarse adicionalmente . Del módulo 12 también sale una solución extraída diluida 20 que puede procesarse adicionalmente vía el sistema de recuperación 22, como se describe aquí, donde se pueden recuperar solutos extraídos y solvente objetivo. De acuerdo con una o más modalidades de la invención, los solutos extraídos se recuperan para su reutilización. Varios sistemas/procesos de membrana activada osmóticamente se describen con respecto a las figuras 2-5.

Figuras 2 y 3 representan procesos de membrana accionada osmóticamente utilizando osmosis directa de acuerdo con una o más modalidades de la invención. Como se muestra en la figura 2, una solución 14, por ejemplo, agua de mar, agua salobre, agua residual, agua contaminada u otra solución, denominada como la primera solución, se introduce o se dispone en una primera cámara 9. La primera cámara 9 está en comunicación fluida con una membrana semipermeable 12, como se ilustra por la flecha A. Una segunda solución que tiene una concentración mayor que la primera solución se introduce o se dispone en una segunda cámara 11. La solución de concentración superior permite que el solvente, por ejemplo, agua, desde la primera solución en la primera cámara 9 a osmosis a través de la membrana semipermeable 12 en la segunda solución más concentrada localizada dentro de la segunda cámara 11, como se ilustra por la flecha B. Que ha perdido gran parte de su solvente, la primera solución restante en la primera cámara 9 se concentra en el soluto. El soluto puede ser desechado como se ilustra por la flecha C si se considera un producto de desecho. Alternativamente, el soluto puede ser un compuesto objetivo y se puede colectar para procesamiento adicional o uso corriente abajo como un producto deseado. La segunda solución enriquecida con solvente resultante en la segunda cámara 11 es entonces introducida, como se ilustra por la flecha D, en una tercera cámara 13. En la tercera cámara 13, solutos en la segunda solución enriquecida con solvente pueden separarse fuera y reciclarse de vuelta en la segunda cámara 11, como se ilustra por flecha E, para mantener la concentración de la segunda solución. La tercera cámara 13 y la operación de reciclaje (flecha E) son opcionales en una o más modalidades de la invención. La segunda solución enriquecida con solvente restante en la tercera cámara 13 entonces se puede introducir, como se ilustra por la flecha F, en una cuarta cámara 15. En la cuarta cámara 15 puede calentarse la segunda solución enriquecida con solvente restante para eliminar cualquiera de los solutos restantes para producir una corriente de solvente, como se ilustra por la flecha G. En algunas modalidades, tal como aquellos relacionados con el tratamiento de agua residual, la corriente de solvente puede ser agua purificada. En la cuarta cámara 15, el calor puede eliminar cualquiera de los solutos restantes al dividirlos en sus gases constituyentes, los gases pueden ser regresados a la segunda cámara 11, como se ilustra por la flecha H, para mantener el gradiente de concentración de la segunda solución en la cámara 11 y actúa como reactivo.

Las membranas de osmosis directa pueden generalmente ser semipermeables, por ejemplo, permitiendo el paso de solvente tal como agua, pero excluyendo los solutos disueltos aquí, tal como cloruro de sodio, carbonato de amonio, bicarbonato de amonio, carbamato de amonio, otras sales, azúcares, fármacos u otros compuestos. Muchos tipos de membranas semipermeables son adecuados para este propósito siempre que sean capaces de permitir el paso de solvente (por ejemplo, agua), mientras que bloquea el paso de los solutos y no reacciona con los solutos en la solución. La membrana puede tener una variedad de configuraciones, incluyendo películas delgadas, membranas de fibra hueca, membranas de herida en espiral, monofilamentos y tubos de disco. Existen numerosas membranas semipermeables disponibles comercialmente bien conocidas, que se caracterizan por tener poros suficientemente pequeños para permitir que el agua pase mientras descarta moléculas de soluto tal como cloruro de sodio y sus especies iónicas moleculares tal como cloruro. Dichas membranas semipermeables pueden hacerse de materiales orgánicos o inorgánicos. En algunas modalidades, membranas hechas de materiales tal como acetato de celulosa, nitrato de celulosa, polisulfona, fluoruro de polivinilideno, copolímeros de poliamida y acrilonitrilo pueden usarse. Otras membranas pueden ser membranas minerales o membranas cerámicas hechas de materiales tal como Zr02 y Ti02.

Generalmente, el material seleccionado para su uso como la membrana semipermeable debe ser capaz de soportar varias condiciones de proceso a las cuales la membrana puede estar sometida. Por ejemplo, puede ser deseable que la membrana sea capaz de soportar temperaturas elevadas, tal como aquellas asociadas con la esterilización u otros procesos de alta temperatura. En algunas modalidades, un módulo de membrana de osmosis directa puede ser operado a una temperatura en el intervalo de aproximadamente 0 grados Celsius a aproximadamente 100 grados Celsius. En algunas modalidades no limitantes, temperaturas de proceso pueden variar de aproximadamente 40 grados Celsius a aproximadamente 50 grados Celsius. Asimismo, puede ser deseable para la membrana ser capaz de mantener la integridad bajo diferentes condiciones de pH. Por ejemplo, una o más soluciones en el ambiente de la membrana, tal como la solución extraída, pueden ser más o menos ácidas o básicas. En algunas modalidades no limitantes, un módulo de membrana de osmosis directa puede ser operado en 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 utilizadas no necesitan ser hechas de uno de estos materiales y pueden ser compuestas de diversos materiales. En al 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 ser generalmente 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 respaldo, generalmente puede ser inactiva.

De acuerdo con una o más modalidades, al menos una membrana de osmosis directa puede colocarse dentro de un alojamiento o carcasa. El alojamiento puede ser generalmente dimensionado y formado para acomodar las membranas colocadas aqui . Por ejemplo, el alojamiento puede ser substancialmente cilindrico si aloja membranas de osmosis directa de herida en espiral. El alojamiento del módulo puede contener entradas para proporcionar alimentación y soluciones extraídas hacia el módulo así como salidas para separación de corrientes de producto desde el módulo. En algunas modalidades, el alojamiento puede proporcionar por lo menos un reservorio o cámara para mantener o almacenar un fluido que se introduce o se separa del módulo. En al menos una modalidad, el alojamiento puede ser aislado.

De acuerdo con una o más modalidades, solutos extraídos pueden ser recuperados para su reutilización. Solutos pueden ser limpiados de la solución extraída diluida para producir agua de producto sustancialmente libre de solutos. Solutos gaseosos entonces se pueden condensar o absorber para formar una solución extraída concentrada. Un absorbedor puede usar solución extraída diluida como un absorbente. En otras modalidades, agua de producto puede utilizarse como un absorbente, para todos o una porción de la absorción de las corrientes de gas de un sistema de reciclaje de soluto.

De acuerdo con una o más modalidades, una porción de la solución extraída diluida puede usarse para absorber gases de soluto extraído de, por ejemplo, una columna de destilación. En al menos una modalidad, tanto el enfriamiento y mezclado con un absorbente pueden ocurrir en una columna de absorción o módulo de membrana, como se explica aquí. El mezclado de los gases con una porción de la solución extraída diluida que actúa como absorbente (para luego convertirse en la solución extraída concentrada) puede ocurrir en un recipiente. El recipiente puede generalmente dimensionarse para proporcionar un área suficientemente grande para facilitar la interacción entre el absorbente y los gases. En algunas modalidades, una columna empacada puede usarse como un absorbedor. En una o más modalidades, una columna de destilación lavada y una columna de absorción pueden utilizarse conjuntamente. Puede ocurrir calentamiento en la columna de destilación, mientras que el enfriamiento y el contacto con la solución extraída diluida pueden ocurrir en la columna de absorción. En una modalidad, aproximadamente 25% de la corriente de solución extraída diluida puede ser dirigida a un absorbedor para servir como un fluido absorbente, con el restante aproximadamente 75% de la corriente diluida dirigida al separador como su corriente de alimentación. El equilibrio entre estas dos corrientes dictará la concentración de la solución extraída re-concentrada regresada al sistema de membrana, así como el tamaño del absorbedor y/o separador así como la cantidad de calor necesaria en el separador y enfriamiento necesario antes, después y/o dentro del absorbedor o etapas del absorbedor .

De acuerdo con una o más modalidades, puede ser deseable usar ba as temperaturas para extracción de solutos en vista de fuentes de calor a bajas temperaturas que tienen bajo costo y pocos o ningún uso alternativo. Cuanto menor sea la temperatura de extracción, sin embargo, cuanto menor sea su presión, y condensación de presión baja y absorción tiene cinéticas más lentas, en algunos casos hace la absorción de ciertos compuestos, tal como el dióxido de carbono, bastante difícil. Varios métodos pueden utilizarse para absorber gases restantes después de que los solutos han sido extraídos, y una porción (normalmente entre aproximadamente 60-80%) de estos han sido condensada, con los gases restantes que tienen una baja tendencia a continuar para absorber en un marco a corto plazo.

En algunas modalidades, la corriente de vapor restante puede ser comprimida para aumentar su presión y asi aumentar las cinéticas de absorción. Puede utilizarse un compresor. En otras modalidades, un chorro de vapor puede usarse en el que una pequeña porción de vapor puede ser mezclada con vapores para aumentar la presión a una presión intermedia entre las dos corrientes. Aún otras modalidades, una solución de absorción puede ser presurizada e introducida en un chorro eductor para entrar y comprimir el vapor del soluto (véase, por ejemplo, figuras 16-18).

En una o más modalidades, un absorbedor con flujo de series de vapores y flujo paralelo o series de absorbente puede usarse en varias configuraciones, usando contactores de membrana, empacado dentro de una columna, o equipo similar. (Véase, por ejemplo, figuras 6-18). En una modalidad, flujo de series de vapor puede acoplarse con flujo paralelo de absorbente que ha sido enfriado, tal que enfriamiento no necesita tener lugar dentro del dispositivo de absorción. En otras modalidades, el enfriamiento puede tener lugar en el dispositivo. Un área de intercambio de calor, así como un área de interface de masa puede estar en un solo dispositivo. Absorbente puede usarse para formar una mezcla gue puede dirigirse para unir una corriente de solución extraída concentrada. Absorbentes pueden incluir la solución extraída diluida, agua de producto, agua con amoníaco agregado, amoníaco líquido y dióxido de carbono no volátil secuestrado que entonces puede salir en el agua de producto o ser removido o destruido.

De acuerdo con una o más modalidades, un bucle de desorción/ absorción de dióxido de carbono puede implementarse tal que una solución se utiliza como el absorbente a una baja presión para absorber dióxido de carbono. La solución entonces puede ser presurizada en forma líquida, y calentada para desorber el dióxido de carbono en una presión más alta, permitiendo que el dióxido de carbono ser absorbido en un condensador o de otra manera descrita anteriormente. De esta manera, algunas modalidades pueden asemejarse a un sistema de secuestro de dióxido de carbono. En algunas modalidades, la solución de absorción puede incluir amoníaco en el agua. En otras modalidades, la solución de absorción puede incluir un soluto no volátil que puede formar complejo con el dióxido de carbono y entonces puede ser inducida a liberarlo, tal que el soluto se recicla en el sistema de absorción. En algunas modalidades, puede utilizarse calor. Catalizadores y/o reactivos pueden utilizarse en algunas modalidades. El uso de un catalizador o reactivo en uno o más procesos, o en un condensador, puede aumentar las cinéticas de condensación de soluto extraído o reabsorción .

De acuerdo con una o más modalidades, solución extraída diluida puede ser dirigida a separador (véase, por ejemplo, figura 7), donde el calor de baja temperatura causa que los solutos extraídos se evaporen dejando un agua de producto substancialmente sin dichos solutos. Un intercambiador de calor puede utilizarse para condensar una porción de los vapores. En al menos una modalidad, aproximadamente 70% de los vapores puede condensarse. Un sistema absorbedor (véase, por ejemplo, figura 6) puede utilizarse para introducir una porción de los vapores restantes para absorber en una corriente de solución extraída diluida. En al menos una modalidad, un segundo sistema absorbedor puede utilizar una solución de amoníaco concentrado para absorber los vapores de soluto extraído restantes. Corrientes líquidas que salen del condensador, y el primero y segundo amortiguadores, pueden ser mezclados y utilizados como todo o parte de la solución extraída concentrada .

Como se mencionó anteriormente, un proceso de separación de acuerdo con una o más modalidades puede comenzar con la primera solución contenida en el primer contenedor 12. La primera solución puede ser una solución acuosa o no acuosa que está siendo tratada, ya sea para propósito de recuperación de agua purificada, para la eliminación de solutos indeseables, o para la concentración y recuperación de solutos deseados. Incluidos entre solutos indeseables son sales solubles precipitables químicamente no deseadas tal como cloruro de sodio (NaCl). Ejemplos típicos de la primera solución incluyen soluciones acuosas tal como agua de mar, salmuera y otras soluciones salinas, agua salobre, agua mineralizada, aguas residuales industriales y corrientes de producto asociados con aplicaciones de alta pureza, tal como aquellas asociadas con las industrias alimentaria y farmacéutica. En general, puede utilizarse cualquier tipo de solvente compatible con la solución extraída, por ejemplo, cualquier solventes capaz de disolver los solutos extraídos. La primera solución puede ser filtrada y pre-tratada de acuerdo con técnicas conocidas para eliminar desechos sólidos y químicos, contaminantes biológicos, y de otra manera prevenir ensuciar la membrana, antes de la separación osmótica y luego se suministra a la primera cámara 9, como se indica por la flecha 10.

Adicionalmente, la primera solución puede ser cualquier solución que contiene solvente y uno o más solutos para los cuales la separación, purificación u otro tratamiento se desea. En algunas modalidades, la primera solución puede ser agua no potable tal como agua de mar, agua salada, agua salobre, agua gris y algo de agua industrial. Se puede desear producir agua purificada o potable de tal que una corriente para uso corriente abajo. Una corriente de proceso a tratarse 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, selenio, plata y zinc. En algunos ejemplos, la primera solución puede ser salmuera, tal como agua salada o agua de mar, agua residual u otra agua contaminada. En otras modalidades, la primera solución puede ser una corriente de proceso que contiene uno o más solutos, tal como especies objetivo, que es deseable concentrar, aislar o recuperar. Dichas corrientes pueden ser de un proceso industrial tal como una aplicación de grado farmacéutico o alimenticio. Especies objetivo pueden incluir farmacéuticos, sales, enzimas, proteínas, catalizadores, microorganismos, compuestos orgánicos, compuestos inorgánicos, precursores químicos, productos químicos, coloides, productos alimenticios o contaminantes. La primera solución puede ser suministrada a un sistema de tratamiento de membrana de osmosis directa de una operación de unidad corriente arriba tal como la planta industrial, o cualquier otra fuente tal como el océano.

Como la primera solución, la segunda solución puede ser una solución acuosa, es decir, el solvente es agua. En otras modalidades, soluciones no-acuosas tal como solventes orgánicos pueden usarse para la segunda solución. La segunda solución puede ser una solución extraída gue contiene una mayor concentración de soluto en relación con la primera solución. La solución extraída generalmente puede ser capaz de generar la presión osmótica dentro de un sistema de membrana accionada osmóticamente. La presión osmótica puede ser utilizada para una variedad de propósitos, incluyendo la desalinización, tratamiento de agua, concentración de soluto, generación de energía y otras aplicaciones. Puede usarse una amplia variedad de soluciones extraídas. En algunas modalidades, la solución extraída puede incluir uno o más solutos removióles. En al menos algunas modalidades, pueden utilizarse solutos removibles térmicamente ( termolíticos ) . Por ejemplo, la solución extraída puede componerse de una solución salina termolítica. En algunas modalidades, una solución extraída de dióxido de carbono y amoniaco puede utilizarse, tal como agüellas descritas en Patente de E.U.A. No. 7,560,029. En una modalidad, la segunda solución puede ser una solución concentrada de amoníaco y dióxido de carbono .

De acuerdo con una o más modalidades, la relación de amoníaco a dióxido de carbono sustancialmente debe permitir la completa absorción de los gases de solución extraída dentro del fluido de absorción, es decir, una porción de la solución extraída diluida como se describe anteriormente, basada en la mayor concentración de la solución extraída en el sistema. La concentración, volumen y velocidad de flujo de la solución extraída generalmente deben igualar la concentración, volumen y velocidad de flujo de la solución de alimentación, tal que se mantiene la diferencia deseada de la presión osmótica entre las dos soluciones a través del sistema de membrana y el intervalo de recuperación de agua de alimentación. Esto puede ser calculado de acuerdo con una o más modalidades teniendo en consideración ambos fenómenos de polarización de la concentración interna y externa en la membrana y en su superficie. En una modalidad de desalinización no limitante, un caudal de entrada de solución extraída concentrada puede utilizarse la cual es aproximadamente 33% del caudal de agua de alimentación de solución salina, usualmente en el intervalo de aproximadamente 25% a 75% para un sistema de desalinización de agua de mar. Una alimentación de salinidad inferior puede requerir velocidades de entrada de solución extraída de aproximadamente 5% a 25% del flujo del agua de alimentación. La velocidad de salida de solución extraída diluida típicamente puede ser de aproximadamente 50% a 100% de la velocidad de entrada de agua de alimentación, y aproximadamente tres a cuatro veces el volumen de la descarga de salmuera.

De acuerdo con una o más modalidades, la relación de amoníaco a dióxido de carbono generalmente debe corresponder a las concentraciones de la solución extraída y las temperaturas usadas en el proceso de recuperación y remoción de soluto extraído. Si las relaciones no son suficientemente altas, no será posible absorber completamente los gases de soluto extraído en sales para su reutilización en la solución concentrada, y si la relación es demasiado alta, existirá un exceso de amoníaco en la solución extraída que no se condensará apropiadamente en un intervalo de temperatura deseado, tal como el necesario para el uso del calor residual para activar el proceso. Por ejemplo, en algunas modalidades, una columna de destilación puede remover gases a aproximadamente 50°C y una columna de absorción puede operar a aproximadamente 20°C. La relación de amoníaco a dióxido de carbono se debe considerar adicionalmente para prevenir el paso de amoníaco en la solución alimentada a través de la membrana. Si la relación es demasiado alta, esto puede causar que amoniaco no ionizado esté presente en concentraciones más altas en la solución extraída (normalmente amonio primariamente) que son necesarias o convenientes. Otros parámetros, tal como el tipo de agua de alimentación, presión osmótica deseada, flujo deseado, tipo de membrana y concentración de solución extraída puede afectar la relación molar de la solución extraída preferida. La relación de amoníaco a dióxido de carbono puede ser monitoreada y controlada en un proceso de membrana accionada osmóticamente. En al menos una modalidad, la solución extraída puede comprender amoníaco y dióxido de carbono en una relación molar superior de 1 a 1. En algunas modalidades no limitantes, la relación para una solución extraída a aproximadamente 50°C, y con la molaridad de la solución extraída especificada como la molaridad del dióxido de carbono dentro de esta solución, puede ser por lo menos de aproximadamente 1.1 a 1 hasta 1 molar de solución extraída, aproximadamente 1.2 a 1 hasta 1.5 molar de solución extraída, aproximadamente 1.3 a 1 hasta 3 molar de solución extraída, aproximadamente 1.4 a 1 hasta 4 molar de solución extraída, aproximadamente 1.5 a 1 hasta 4.5 molar de solución extraída, aproximadamente 1.6 a 1 hasta 5 molar de solución extraída, aproximadamente 1.7 a 1 hasta 5.5 molar de solución extraída, aproximadamente 1.8 a 1 hasta 7 molar de solución extraída, aproximadamente 2.0 a 1 hasta 8 molar de solución extraída y aproximadamente 2.2 a 1 hasta 10 molar de solución extraída.

Experimentos indican que estas son aproximadamente las relaciones mínimas necesarias para la solubilidad estable de soluciones de estas concentraciones en esta temperatura aproximada. A temperaturas más bajas, relaciones más altas de amoníaco a dióxido de carbono son necesarias para las mismas concentraciones. A temperaturas más altas, relaciones más bajas pueden ser requeridas, pero alguna presuri zación de la solución también puede ser necesaria para evitar la descomposición de los solutos en gases. Relaciones mayores de 1 a 1, incluso a concentraciones totales de menos de 2 molar incrementan mayormente la estabilidad de las soluciones y evitan la evolución del gas de dióxido de carbono y en general la división termolítica de las soluciones extraídas en respuesta a incluso cantidades moderadas de calor y/o reducción de presión. La solución extraída generalmente tiene una concentración de soluto mayor que la de la solución de alimentación. Esto puede lograrse utilizando solutos que son suficientemente solubles para producir una solución que tiene una concentración más alta que la de la solución alimentada. Una o más características de la solución extraída pueden ajustarse con base en la corriente de proceso suministrada al sistema de separación para el tratamiento. Por ejemplo, el volumen, caudal o concentración de solutos en la solución alimentada puede afectar uno o más parámetros seleccionados para la solución extraída. Requerimientos que pertenecen a corrientes de descarga asociadas con el sistema también pueden afectar a uno o más parámetros operacionales . Otros parámetros operacionales también pueden variarse basado en una aplicación destinada del sistema de separación de osmosis directa. Preferiblemente, el soluto dentro de la segunda solución debe ser fácilmente removible de la solución a través de un proceso de separación, en donde dicho proceso de separación separa el soluto en al menos una especie que más fácilmente se disuelve en el solvente de la solución, es decir, la especie soluble, y una especie que no fácilmente se disuelve en el solvente, es decir, la especie menos soluble, y el soluto no debe poseer ningún riesgo para la salud si quedan trazas en el solvente resultante. La existencia de las especies solubles y menos de solubles de solutos permite que las soluciones sean ajustadas o manipuladas según sea necesario. Por lo general, las especies de solutos solubles y menos llegar a un punto en la solución en la que, bajo la temperatura de condición particular, presión, pH, etc., ni especies de soluto se aumentan o disminuyen con respecto al otro, es decir, la relación de las especies solubles a insolubles de soluto es estática. Esto se conoce como equilibrio. Dadas las condiciones particulares de la solución, las especies de soluto no necesitan estar presentes en una a una relación en el equilibrio. Mediante la adición de un químico, referido aqui como un reactivo, el equilibrio entre las especies de solutos puede ser cambiado. Utilizando un primer reactivo, el equilibrio de la solución puede ser cambiado para incrementar la cantidad de especie soluble de soluto. Además, usando un segundo reactivo, el equilibrio de la solución puede ser cambiado para aumentar la cantidad de las especies de soluto menos soluble. Después de la adición de los reactivos, la relación de especies de solutos puede estabilizar a un nuevo nivel en el que se ve favorecido por las condiciones de la solución. Al manipular el equilibrio a favor de las especies solubles de soluto, una segunda solución con una concentración cerca de la saturación puede lograrse, un estado en el que el solvente de soluciones no puede disolver nada del soluto.

Solutos preferidos para la segunda solución (extraída) pueden ser gases de amoníaco y dióxido de carbono y sus productos, carbonato de amonio, bicarbonato de amonio y carbamato de amonio. Amoníaco y dióxido de carbono, cuando se disuelven en agua en una relación molar de aproximadamente 1, forman una solución compuesta principalmente de bicarbonato de amonio y en menor medida el carbonato de amonio de productos relacionados y carbamato de amonio. El equilibrio en esta solución favorece a las especies menos solubles de soluto, bicarbonato de amonio, sobre las especies solubles de soluto, carbamato de amonio y en un menor grado carbonato de amonio. Al regular de pH una solución compuesta principalmente de bicarbonato de amonio con un exceso de amoníaco para que la relación molar de amoniaco a dióxido de carbono sea mayor que 1 cambiará el equilibrio de la solución hacia las especies más solubles del soluto, carbamato de amonio. El amoníaco es más soluble en agua y se adsorbe preferiblemente por la solución. Debido a que el carbamato de amonio es absorbido más fácilmente por el solvente de la segunda solución, su concentración puede incrementarse hasta el punto donde el solvente no puede adsorber más del soluto, es decir, la saturación. En algunas modalidades no limitantes, la concentración de solutos dentro de esta segunda solución alcanzada por esta manipulación es mayor que aproximadamente 2 molal, más de aproximadamente 6 molal, o aproximadamente 6 molal a aproximadamente 12 molal.

Amoníaco puede ser un primer reactivo preferido para carbamato de amonio ya que es uno de los elementos químicos que resulta cuando el carbamato de amonio soluto se descompone, de otra manera es referido como un elemento constituyente. En general, es preferido que el reactivo para el solvente sea un elemento constituyente del soluto, como cualquier reactivo en exceso puede removerse fácilmente de la solución cuando se remueve el solvente y, en una modalidad preferida, el elemento constituyente puede reciclarse como el primer reactivo. Sin embargo, otros reactivos que pueden manipular el equilibrio de las especies de solutos en solución se contemplan tanto que el reactivo se remueve fácilmente de la solución y el reactivo no posee riesgo para la salud si elementos de traza del reactivo permanecen dentro del solvente final.

De acuerdo con una o más modalidades, una solución extraída generalmente debe crear presión osmótica y ser removible, tal como para la regeneración y reciclaje. En algunas modalidades, una solución extraída puede caracterizarse por una capacidad de experimentar un cambio de fase catalizada en el cual un soluto extraído se cambia a un gas o sólido que puede ser precipitado de una solución acuosa utilizando un catalizador. En algunas modalidades, el mecanismo puede ser acoplado con algunos otros medios, tal como calentamiento, enfriamiento, adición de un reactivo, o introducción de un campo eléctrico o magnético. En otras modalidades, un químico puede introducirse para reaccionar con un soluto reversiblemente o irreversiblemente para reducir su concentración, cambiar sus características de rechazo por la membrana, o en otras maneras de hacerlo más fácil de remover. En al menos una modalidad, la introducción de un campo eléctrico puede provocar un cambio en el soluto extraído, tal como un cambio de fase, cambio en el grado de ionización u otros cambios eléctricamente inducidos que hacen más fácil de remover el soluto. En algunas modalidades, paso y/o rechazo de soluto puede ser manipulado, tal como al ajustar un nivel de pH, ajustar la naturaleza iónica de un soluto, modificar el tamaño físico de un soluto o promover otro cambio que provoca que el soluto extraído pase fácilmente a través de una membrana donde previamente ha sido rechazado. Por ejemplo, unas especies iónicas pueden volverse no iónicas, o unas especies grandes pueden hacerse relativamente más pequeñas. En algunas modalidades, técnicas de separación no usan calentamiento, tal como electrodiálisis (ED), enfriamiento, vacío o presurización pueden implementarse . En al menos una modalidad, un gradiente eléctrico se puede implementar de acuerdo con una o más técnicas de separación conocidas. En algunas modalidades, algunas técnicas de separación, tal como ED, pueden utilizarse para reducir especies que se separan tal como para disminuir requerimientos eléctricos. En al menos una modalidad, se puede manipular la solubilidad de especies orgánicas, tal como por el cambio de temperatura, presión, pH u otra característica de la solución. En al menos algunas modalidades, la separación de intercambio iónica podría irnplementarse, tal como técnicas de intercambio iónico de recarga de sodio, o intercambio iónico recargado de ácido y base para reciclar solutos extraídos, incluyendo, por ejemplo, sales de amonio.

De acuerdo con una o más modalidades, soluciones extraídas descritas pueden usarse en cualquier proceso de membrana accionada osmóticamente, por ejemplo, aplicaciones que involucran osmosis retardada de presión, osmosis directa u osmosis directa asistida de presión. En algunas modalidades, soluciones extraídas descritas pueden emplearse en un motor de calor osmótico, tal como se describe en publicación PCT No. W02008/060435, la descripción de la cual se incorpora para referencia aquí en su totalidad. Un motor de calor osmótico puede convertir la energía térmica en trabajo mecánico usando una membrana semipermeable para convertir la presión osmótica en energía eléctrica. Una solución extraída de dióxido de carbono-amoníaco concentrada puede crear altas presiones osmóticas que generan el flujo de agua a través de una membrana semipermeable contra un gradiente de presión hidráulica. Despresuri zación del volumen de solución extraída incrementada en una turbina puede producir energía eléctrica. El proceso puede mantenerse en operación del estado estacionario a través de la separación de la solución extraída diluida en una solución extraída re-concentrada y fluido de trabajo de agua desionizada, para su re-uso en el motor de calor osmótico. En algunas modalidades que involucran el uso de soluciones extraídas descritas en un motor de calor osmótico, la eficiencia puede mejorarse por precipitar el soluto extraído. En al menos una modalidad, soluciones extraídas descritas pueden usarse en sistemas y métodos para la red de almacenamiento de energía en que el uso de gradientes de salinidad que involucran gradientes de presión osmótica o diferencias entre dos soluciones pueden utilizarse para producir la presión hidráulica en una solución concentrada, lo que permite la generación de energía. De acuerdo con una o más modalidades que involucran columnas de destilación, tal como las columnas de destilación multi-etapas descritas en Publicación de PCT No. W02007/1146094 , la descripción de la cual se incorpora aquí para referencia en su totalidad; solución extraída diluida puede utilizarse como un fluido de absorción en un intercambiador de calor o absorbedor para transferencia de calor para cada etapa. De acuerdo con una o más modalidades, soluciones extraídas descritas también pueden usarse en varias aplicaciones de concentración de osmosis directa ( DOC ) .

Haciendo referencia a las figuras 2-3, de acuerdo con una o más modalidades, el proceso de membrana accionada osmóticamente puede empezar poniendo la primera solución y la segunda solución en contacto con el primero y segundo lados de la membrana semipermeable 12, respectivamente. Aunque la primera y segunda soluciones pueden permanecer estancadas, es preferible que la primera y segunda soluciones sean introducidas por flujo cruzado, es decir, que fluya paralelo a la superficie de la membrana semipermeable 12. Esto aumenta la cantidad de área superficial de la membrana semipermeable 12 una cantidad determinada de las soluciones entra en contacto con, con lo cual incrementa la eficiencia de la osmosis directa. Ya que la segunda solución en la segunda cámara 11 tiene una concentración de soluto mayor que la primera solución en la primera cámara 9, el solvente en la primera solución se difunde a la segunda solución por osmosis directa. En algunas modalidades, la diferencia en la concentración entre las dos soluciones es tan grande que solvente pasa a través de la membrana semipermeable 12 sin la adición de presión a la primera solución. En general, este proceso puede resultar en la eliminación de aproximadamente 50% a aproximadamente 99.9% del solvente contenido dentro de la primera solución. Durante el proceso de separación, la primera solución se vuelve más concentrada conforme pierde solvente y la segunda solución se vuelve más diluida conforme adquiere solvente. A pesar de este suceso, el gradiente de concentración entre las dos soluciones sigue siendo significativo. La solución agotada en el primer lado de la membrana, y la solución diluida en el segundo lado de la membrana puede cada una ser procesada adicionalmente para la recuperación de uno o más productos deseados. Por ejemplo, la solución agotada en el primer lado de la membrana puede contener solutos gue son especies objetivo cuya concentración y recuperación se desea. Por otra parte, la solución agotada en el primer lado de la membrana puede desecharse como residuo. Además, la solución diluida en el segundo lado de la membrana puede ser rica en solvente que puede ser un producto deseado.

La descarga 18, es decir, la primera solución concentrada, tiene una mayor concentración de solutos. Asi, los solutos en exceso pueden removerse la primera solución concentrada antes de regresar la primera solución a su fuente o recirculación de la primera solución a través del método presente. Esto puede hacerse, por ejemplo, al poner en contacto la primera solución concentrada con un evaporador solar, un mecanismo de filtración de tamiz simple, hidrociclón o una masa de precipitación o punto de nucleación para precipitar el soluto. Este soluto precipitado puede procesarse adicionalmente para que sea conveniente para el consumidor o para propósitos industriales.

Habiendo extraído el solvente de la primera solución en la segunda solución por osmosis directa, formando así una segunda solución enriquecida con solvente, entonces puede ser deseable eliminar los solutos de la segunda solución enriquecida con solvente para aislar el solvente. En algunas modalidades no limitantes, esto se puede lograr al precipitar los solutos fuera de la solución, descomponiendo los solutos en sus gases constituyentes que se vaporizan fuera de solución, destilando el solvente fuera de la solución o absorción de los solutos sobre una superficie. En al menos una modalidad, remover una porción de los solutos por precipitación disminuye la cantidad de energía necesaria para calentar la solución para descomponer los solutos restantes, y la descomposición resulta en la eliminación completa de los solutos. Pasos de precipitación y descomposición potencial se describen con referencia a la tercera y cuarta cámara 13 y 15, respectivamente.

La segunda solución enriquecida con solvente en la segunda cámara 11 puede ser retirada a una tercera cámara 13, como se muestra por la flecha D. La segunda solución enriquecida con solvente puede tratarse entonces para remover una porción de los solutos de la solución enriquecida con solvente por precipitación. Un segundo reactivo puede introducirse para ajustar el equilibrio de las especies de solutos solubles y menos solubles a favor de las especies de solutos menos solubles. Como con el primer reactivo, cualquier químico capaz de ajustar el equilibrio es conveniente, siempre y cuando sea fácilmente eliminado de la segunda solución enriquecida con solvente y no posea ningún riesgo para la salud. Preferiblemente el reactivo es un elemento constituyente del soluto, y en el caso del carbamato de amonio de soluto preferido es gas de dióxido de carbono. En algunas modalidades no limitantes, cuando la segunda solución enriquecida con solvente se difunde con dióxido de carbono, la relación de amoníaco a dióxido de carbono en solución puede reducirse a alrededor de entre 1 y 1.5 y el equilibrio en la segunda solución enriquecida con solvente cambia de nuevo hacia las especies menos solubles de soluto, bicarbonato de amonio. Las especies menos solubles de soluto entonces pueden precipitar fuera de la solución. La precipitación del bicarbonato de amonio puede resultar en una reducción sustancial en la concentración de solutos dentro de la segunda solución enriquecida con solvente a aproximadamente 2 a 3 molar. Preferiblemente, la temperatura de la segunda solución enriquecida con solvente la tercera cámara 13 se reduce a aproximadamente 18 a 25°C, preferiblemente aproximadamente 20 a 25°C para ayudar a la precipitación del soluto. Entonces puede filtrarse el soluto precipitado de la solución.

En algunas modalidades, el soluto precipitado puede filtrarse dentro de la tercera cámara 13; sin embargo, en la modalidad mostrada en la figura 3, la solución está dirigida a una cámara de filtración 17, como se muestra por flecha I. Usando métodos bien conocidos, tal como un hidrociclón, un tanque de sedimentación, filtración de columna, o una filtración de tamiz simple, el soluto precipitado puede eliminarse de la solución enriquecida con solvente. Por ejemplo, el precipitado puede permitir sedimentar la solución por gravedad en cuyo tiempo la solución restante puede entonces ser desviada. La segunda solución enriquecida con solvente restante puede ser transferida de la cámara de filtro 17 a una cuarta cámara 15, como se muestra por la flecha F, donde después se calienta para descomponer ios solutos en sus gases constituyentes. En una modalidad, estos gases constituyentes pueden ser amoniaco y dióxido de carbono. La energía requerida para el proceso de separación es el calor necesario para elevar la temperatura de la so.lución a una temperatura que resulta en la eliminación completa del soluto carbamato de amonio. Calor adicional es necesario también para compensar la ineficiencia de la transferencia de calor de las entalpias de vaporización y la solución de los solutos reciclados dentro del proceso.

Específicamente, el calentamiento causa que los solutos restantes en la segunda solución enriquecida con solvente para descomponer en sus gases constituyentes, que dejan la solución. En algunas modalidades, un flujo de aire o vacío puede mantenerse sobre la segunda solución enriquecida con solvente mientras se calienta con el fin de mejorar la eficiencia y/o bajar la temperatura en la cual los gases de descomposición vaporizan fuera de la solución. Al generar el flujo de aire en la cuarta cámara puede ser posible quitar todos los solutos a una temperatura más baja que la utilizada normalmente. Esta descomposición puede resultar en un producto de solvente, tal como un producto de agua potable, que puede ser tratado adicionalmente para uso final. En general, un producto de agua potable debe tener un pH de aproximadamente 7, y ajustes de pH adicionales y/o adiciones de constituyentes deseables, tal como sales y/o desinfectantes residuales, puede ser necesario para hacer el agua adecuada para su propósito destinado.

La segunda solución enriquecida con solvente puede calentarse usando una combinación de fuentes de calor externas 19 y calor bombeado a través de un intercambiador de calor 38 de la introducción exotérmica de gases y solutos (flechas J y ) . La fuente de calor externa 19 puede ser suministrada por cualquier fuente térmica que incluida la energía solar y geotérmica. Las fuentes pueden ser similares a aquellas de la destilación. En algunas modalidades, las fuentes pueden ser principalmente de ambientes de cogeneración, haciendo uso del calor residual de procesos de generación de energía o industriales. Además, puede mantenerse la eficiencia del proceso utilizando un intercambiador de calor 38 para capturar el calor liberado durante los pasos anteriores en el presente método de desalinización . Como se muestra por las flechas J y K en la figura 3, el calor liberado de las reacciones químicas dentro de la segunda y tercera cámaras 11, 13 puede ser bombeado al intercambiador de calor 38 que luego bombea este calor a la cuarta cámara 15 para ayudar en el calentamiento de la segunda solución enriquecida con solvente, como se muestra por la flecha L. En una modalidad alternativa, se genera calor adicional al permitir que los gases constituyentes liberados para condensar en el exterior de la cámara 15 en que la segunda solución enriquecida con solvente se calienta, por lo tanto, transfiere la energía de esta reacción exotérmica a la cuarta cámara 15. El condensado, que en una modalidad es el carbamato de amonio, entonces puede ser reciclado a la segunda solución en la segunda cámara 11.

También es preferible reciclar los solutos y constituyentes de soluto removidos de la segunda solución para limitar el impacto ambiental y el costo del presente método de separación de osmosis directa. El soluto precipitado descartado de una cámara de filtración puede ser reciclado a la segunda cámara 11, donde puede disolver en la segunda solución y asi mantener la alta concentración de la segunda solución, como se muestra por la flecha E. Adicionalmente, los gases constituyentes removidos de la segunda solución enriquecida con solvente en la cuarta cámara 15 pueden ser reciclados de vuelta a la segunda y tercera cámaras 11, 13 como se muestra por las flechas H y M, respectivamente, donde actúan como reactivos. En una modalidad, el soluto es carbamato de amonio, que se descompone en sus gases constituyentes: amoníaco y dióxido de carbono. Estos gases son entonces reciclados a la segunda cámara 11, como se muestra por la flecha H. Ya que el amoníaco es más soluble que el dióxido de carbono, el amoníaco es preferiblemente adsorbido por la segunda solución y actúa como un reactivo al ajustar el equilibrio de las especies de solutos a favor del carbamato de amonio. El dióxido de carbono restante se retira de la segunda cámara 11, como se muestra por la flecha M y se transfiere a la tercera cámara 13, donde actúa como un reactivo y altera el equilibrio de la segunda solución en favor de bicarbonato de amonio. Ya que algunas modalidades contemplan reciclar los gases constituyentes derivados de la descomposición de los solutos, puede ser necesario precipitar menos cantidades óptimas de los solutos para asegurar que suficient-e gas sea reciclado para mantener la eficiencia del proceso actual. Por lo general, la remoción de aproximadamente la mitad de los solutos de la solución por precipitación debe asegurar que se generarán cantidades suficientes de los gases constituyentes para mantener el proceso presente. El proceso descrito aquí puede realizarse continuamente, o por lotes, para aislar mejor los solutos del solvente durante todo el proceso.

Una modalidad no limitante de un aparato para conducir el presente método se muestra en la figura 4. El aparato tiene una primera cámara 9 que tiene una entrada 21 y una salida 23. La entrada 21 para la primera cámara 9 está en comunicación con una fuente para la primera solución, tal como un tanque de retención para una solución que tiene pre-tratamiento experimentado o que se introduce de una operación corriente arriba, o a una fuente natural para la primera solución, tal como el mar, un lago, un arroyo u otros cuerpos de agua y canales. La entrada 21 para la primera cámara 9 puede incorporar una bomba a fin de succionar la primera solución de su fuente y/o un tamiz o filtro para eliminar particulados. También puede opcionalmente incluir dispositivos de calentamiento o enfriamiento a fin de ajustar la temperatura de la primera solución. Del mismo modo, la salida 23 para la primera cámara 9 puede incorporar una bomba para extraer la primera solución de la primera cámara 9. La salida 23 puede utilizarse para recircular la primera solución directamente a la fuente para la primera solución, aunque preferiblemente, la primera solución será bombeada en o a través de un dispositivo de precipitación antes de ser regresada a la fuente de la primera solución. Dicho dispositivo de precipitación puede incluir un lecho de evaporación solar, un mecanismo de filtración de tamiz simple, un hidrociclón, es una masa de precipitación u otra operación de punto de nucleación u otros tipos conocidos para aquellos de experiencia en la técnica. La primera cámara 9 se separa de una segunda cámara 11 por una membrana semipermeable 12.

La segunda cámara 11 tiene una entrada 25 y la primera y segunda salidas 27, 29. La entrada 25 proporciona una fuente para la segunda solución y puede incorporar una bomba asi como un dispositivo de calentamiento. La primera salida 27 para la segunda cámara 11 está en comunicación con una tercera cámara 13 y proporciona un conducto para transferir la segunda solución enriquecida con solvente a la tercera cámara 13. Esta primera salida 27 para la segunda cámara 11 puede incorporar una bomba para separar la segunda solución enriquecida con agua de la segunda cámara 11. En otra modalidad de la presente invención, la primera salida 27 de la segunda cámara 11 puede incorporar un dispositivo de enfriamiento para enfriar la segunda solución enriquecida con solvente como se ha discutido anteriormente. La segunda salida 29 para la segunda cámara 11 proporciona un conducto para cualquier gas restante cuando los gases de la cuarta cámara 15 se introducen en la segunda solución a través de la entrada 25, que en una modalidad podría ser principalmente gas de dióxido de carbono, como amoníaco se pretende preferencialmente que se absorba en esta solución, para ser transferido a la tercera cámara 13.

En algunas modalidades, la tercera cámara 13 es donde una porción del soluto se precipita fuera de la segunda solución enriquecida con solvente. La tercera cámara 13, además de las entradas para conectar a las salidas 27, 29, tienen una salida 31 en comunicación con un dispositivo de filtración 17 para separar el precipitado de la segunda solución enriquecida con solvente. El dispositivo de filtración 17 es cualquiera de los tipos descritos anteriormente, y en una modalidad es un tanque de sedimentación. El dispositivo de filtración 17 tiene dos salidas 33, 35. La primera salida 33 puede utilizarse para eliminar el soluto precipitado o regresarlo a la segunda cámara 11 a través de la segunda entrada de cámara 25, y la segunda salida 35 puede utilizarse para transferir la segunda solución enriquecida con solvente restante a la cuarta cámara 15. En una modalidad alterna, el dispositivo de filtración 17 puede ser incorporado en la tercera cámara 13, en cuyo caso la tercera cámara 13 tendrá una salida adicional, una entrada para transferir la segunda solución enriquecida con solvente restante a la cuarta cámara 15 y otra salida para disponer del soluto precipitado, o en una modalidad alternativa, regresar el soluto precipitado a la segunda cámara 11 a través de la segunda entrada de cámara 25.

La cuarta cámara 15 puede incorporar un dispositivo de calentamiento para calentar la segunda solución enriquecida con solvente restante. La cuarta cámara 15 también incorpora una primera salida 37, que puede incorporar un vacio, ventilador u otro dispositivo para generar flujo de aire para ventilar los gases constituyentes. Preferiblemente, la primera salida 37 de la cuarta cámara 15 está en comunicación con la entrada 25 para la segunda cámara 11 para reciclar los gases constituyentes como el segundo soluto. La segunda salida 39 actúa como un conducto para separar el producto de solvente final, tal como agua potable o purificada.

Cualquiera de los materiales puede utilizarse para construir los varios dispositivos de contención y/o almacenamiento (cámaras, recipientes y receptáculos), conductos, tuberías y equipos relacionados, mientras resisten el peso de las soluciones, y sean no reactivos con cualquiera de los solutos dentro de las soluciones. Materiales típicos son materiales no corrosivos, materiales no reactivos tales como acero inoxidable, plástico, cloruro de polivinilo (PVC), fibra de vidrio y así sucesivamente. Los recipientes pueden tomar cualquier configuración adecuada, pero son normalmente tanques cilindricos, tanques contorneados o ajustados, y así sucesivamente. Los receptáculos son típicamente torres de agua, tanques cilindricos, tanques contorneados o ajustados y así sucesivamente. Como se discute anteriormente, es importante tener en cuenta que las cámaras se muestran como unidades separadas, pero la invención no se limita a esta configuración, y en su caso, cualquiér número de cámaras puede estar contenido dentro de un solo recipiente, por ejemplo, repartido en dos cámaras separadas por la membrana semipermeable 12.

Los dispositivos de calentamiento y enfriamiento pueden ser calentadores eléctricos, unidades de refrigeración, colectores solares e intercambiadores de calor, tales como condensadores de vapor, circuladores y así sucesivamente, tal como son bien conocidos en la técnica, pero preferiblemente intercambiadores de calor. Los dispositivos de calentamiento y enfriamiento, junto con cualquier otro equipo utilizado dentro del proceso que puede tener requerimientos de energía, pueden derivar su energía de cualquier variedad de fuentes utilizadas comúnmente, que incluyen, por ejemplo, vapor residual, energía solar, viento o energía geotérmica y fuentes convencionales.

Con referencia a la figura 5, un proceso de concentración de acuerdo con una o más modalidades se describe. Una primera solución 14 está expuesta a un lado de una membrana de osmosis directa 12. En modalidades donde la primera solución 14 comprende una corriente de residuos a tratar, la primera solución 14 es típicamente acuosa y contiene una solución de éspecies, tales como sales, proteínas, catalizadores, microorganismos, químicos orgánicos e inorgánicos, precursores químicos o productos, coloides u otros constituyentes. En modalidades donde la primera solución 14 contiene especies objetivo deseadas que se concentran y recuperan, la primera solución puede comprender un farmacéutico, sal, enzimas, proteína, catalizador, microorganismo, compuesto orgánico, compuesto inorgánico, precursor químico, producto químico, coloide, producto alimenticio o contaminante. La exposición de la primera solución 14 a un lado de la membrana 12 puede realizarse en muchas configuraciones, dos de las cuales son la inmersión de la membrana 12 en la solución o dirección de la solución más allá de la membrana 12. Esta solución puede introducirse continuamente, en lote, una vez o varias veces, a un recipiente o medios de dirección. Esta corriente de entrada de la primera solución 14 no se muestra en el esquema.

Una segunda solución 16 comprendida por ejemplo, de especies, incluyendo agua, amoniaco y dióxido de carbono, que es capaz de generar una presión osmótica que es mayor que la de la primera solución 14, se expone al lado de la membrana opuesta que expone a la primera solución 14. Esta exposición puede lograrse mediante muchas técnicas, pero puede incluir la inmersión de la membrana, el 12 en la segunda solución (aunque no si la inmersión se utiliza para la primera solución) o la dirección de la segunda solución más allá de la superficie de membrana. La membrana 12 siendo impermeable a todas o algunas de las especies de la primera solución 14, tal como sales, moléculas cargadas y/o grandes, microorganismos y materia particulada, pero permitiendo el paso del solvente, tal como el agua, permite la diferencia de presión osmótica entre la primera y segunda soluciones para inducir un flujo de agua a través de la membrana de la primera a la segunda solución. Este flujo puede permitirse para significantemente, parcialmente, o ampliamente no diluir la segunda solución 16 y/o concentración de la primera solución 14. Algunos, ninguno, pocos o una de las especies de selección o de objetivo de la primera solución también pueden esperar pasar a través de la membrana 12, dependiendo del tipo de membrana y/o la intención del uso del proceso.

Una porción de la segunda solución enriquecida con solvente se dirige (como corriente 20) a una operación de separación de soluto extraído 22, tal como una columna de destilación, operación de destilación de membrana u operación de pervaporación, la cual causa que los solutos en la segunda solución enriquecida con solvente, por ejemplo solutos de amoníaco y dióxido de carbono, que incluyen especies de sales de amonio, sean removidas con la adición de calor a la operación de separación de soluto extraído 22 y/o aplicar una diferencia de presión a los gases arriba y/o producido por la operación de separación de soluto extraído. De acuerdo con una o más modalidades, un método de separación de membrana, tal como pervaporación, puede permitir la separación de los gases de la solución extraída de la solución extraída diluida con importantes restricciones en el flujo de vapor de agua que puede aumentar la eficacia del proceso de separación. Materiales de pervaporación pueden incluir polímeros naturales o sintéticos tal como poliuretano o caucho natural, o membranas líquidas suspendidas que actúan como membranas selectivas pasivas o activas para amoniaco y dióxido de carbono en comparación con vapor de agua. En algunas modalidades, una pervaporación o método de separación de membrana similar puede utilizarse en lugar de o en combinación con una columna de destilación. En al menos una modalidad, también puede implementarse una columna de absorbedor. En otra modalidad, se comprimen los gases de corriente 26 para elevar la temperatura en la cual pueden ser reabsorbidos en la solución extraída completamente o cerca completamente. De acuerdo con una o más modalidades, un absorbedor puede utilizarse con enfriamiento antes o durante la reabsorción de solutos extraídos. En al menos algunas modalidades, una porción de la corriente extraída diluida puede ser dividida hacia el absorbedor como un flujo absorbente-.

La operación de separación de soluto extraído produce una corriente de solvente, corriente designada 32, que se reduce en concentración de las especies de la corriente 20, ya sea parcialmente, sustancialmente o completamente, y una corriente de gas, designada corriente 26, que contiene las especies removidas de la corriente 20. Corriente 26 se dirige a una operación 41 designada para reconstituir la segunda solución 16, que se usará para aumentar, remplazar o mantener las características de la segunda solución 16, tal como volumen o concentración. Esta operación puede incluir disolver las especies en agua, una porción de la segunda solución, precipitación y mezclado con la segunda solución o algún otro método, tal que las especies removidas en la operación 22 se reintroducen a la segunda solución. Esta reintroducción se muestra como la corriente discontinua 45. Componentes rechazados de la solución 14 pueden removerse de la solución 14, periódicamente o continuamente, como se remueve el agua de esta solución. Esta operación puede incluir sedimentación, separación de hidrociclón, precipitación, gradiente de fuerza (tal como eléctrica o magnética), vaciado u otra operación unitaria. Esta corriente de componentes removidos de la solución 14 se muestra como corriente 18. En algunas modalidades, la corriente 18 puede ser una corriente del producto deseado o puede ser desechado como residuo. Por estas técnicas, la presión osmótica se utiliza para remover el solvente de una solución por flujo activado osmóticamente a través de una membrana semipermeable, por ejemplo que separa un solvente de un compuesto farmacéutico, producto alimenticio, u otras especies deseadas en solución, o el tratamiento de una corriente de proceso por la remoción de solutos indeseados para producir una corriente de producto purificado. Corriente 18 puede ser tratada adicionalmente para remover cualquiera de los solutos extraídos de la segunda solución 16 que han migrado a través de la membrana en la primera solución 14. Este tratamiento puede incluir destilación, remoción de aire, pervaporation, cloración de punto de interrupción, intercambio iónico u otros medios. Los solutos extraídos removidos de la corriente 18 pueden re-introducirse a la segunda solución 16 a través del mezclado con la corriente 45 o por otros medios.

Figuras 6-18 representan una variedad de sistemas de recuperación de soluto extraído 22, como se introduce anteriormente, que puede utilizarse con los sistemas de membrana accionada osmóticamente también descritos aquí. De acuerdo con una o más modalidades, el sistema de recuperación 22 puede incluir el uso de un contactor de membrana, por ejemplo como se describe con respecto a las figuras 6-10. Usando una membrana para el intercambio de masa y energía entre las corrientes líquida y gaseosa generalmente realiza las funciones de la destilación de columna en un dispositivo de membrana. Un beneficio de este método es que el volumen de líquido y gas fluye y las velocidades son ampliamente independientes, desde el momento en que inundaciones, arrastre, espumado, y lo similar no ocurra. En el raro caso donde el líquido penetra la membrana porosa en la corriente de gas, esto no ocurre substancialmente . Adicionalmente, las diferencias de densidad no se usan para causar que las dos corrientes interactúen, como se hace con columnas de destilación convencionales. En cambio, se utiliza presión para causar que las corrientes de líquido y gas fluyan, como se hace en tuberías con líquido o gas solamente. Por esta razón, los dispositivos de destilación basados en membrana no necesitan colocarse verticalmente, conforme sea necesario para columnas de destilación convencionales. Así, arreglos de membrana horizontal compactos tal como módulos paralelos en trenes, por ejemplo, pueden utilizarse para servir a la función de columnas de destilación convencionales altas de diámetro grande. Esto permite la reducción significante en los requerimientos de tamaño y altura.

Además, el mezclado de las fases gaseosas y líquidas convencionalmente proporcionadas por el empacado dentro de una columna de destilación ahora puede ser provisto por área de membrana. Una corriente de líquido puede fluir en un lado de la membrana y la corriente de gas en el otro lado con el intercambio de gas libre entre las dos fases a través de los poros en la membrana. El recubrimiento de los poros es posible si no inhiben la transferencia de gas a un grado que no se compensa por los beneficios proporcionados por el recubrimiento. La membrana puede ser diseñada para ser seca o húmeda. En el diseño de la membrana seca, los poros de la membrana y el material de la membrana pueden ser tal que la tensión superficial evita que el agua penetre a través_ de los poros en la corriente de gas. En el diseño húmedo, el agua puede llenar los poros pero no puede fluir más allá de estos poros en la corriente de gas en cantidades significantes. En cualquier caso, el intercambio de gas es substancialmente desinhibido .

Un beneficio adicional del uso de los contactores de membrana descritos para la destilación es que ningún metal es necesario, el cual conduce a la excelente longevidad de contactores en comparación con aleaciones, que pueden ser muy costosos y corroen con el tiempo. Por ejemplo, la presencia de algunas miles ppm de NaCl en una corriente que hierve a 100°C puede requerir titanio o aleaciones Hastelloy® (tal como aquellos disponibles de Haynes International, Inc. de Kokomo, Indiana), pero podría servir fácilmente con un módulo de contactor de polímero (por ejemplo, polieterotercetona). Un beneficio adicional de usar los contactores de membrana descritos para la recuperación de solución extraída es que las temperaturas necesarias para dicha recuperación se encuentran dentro de las tolerancias de temperatura de polímeros que pueden utilizarse en dichos contactores. Un beneficio adicional es que HETPs (longitud de trayectoria de flujo por etapa de equilibrio teórico) pueden ser muy pequeños en comparación con el empacado convencional, que conduce a arreglos de contactor menos costosos y compactos para la misma función como una columna mucho más grande. Otro beneficio es que caudales de líquido mucho más grandes son posibles en los contactores de membrana descritos, sin causar dificultades tal como arrastre, conduce a un uso más efectivo del área de membrana, conceptualmente equivalente a los diámetros de columna que se refieren a las velocidades de carga de líquido. Otro beneficio es que columnas convencionales necesitan altura adicional arriba y abajo del empacado para permitir la separación de las fases de líquido y gas entre sí, que no es necesaria en los contactores de membrana descritos, conforme las dos fases nunca se mezclan en el mismo canal y entonces no necesitan ser desenganchadas.

Figura 6 representa una modalidad de un sistema de recuperación de soluto extraído 22 que utiliza un dispositivo de membrana 24 para traer solutos extraídos vaporizados 26 de la operación de recuperación de soluto extraído en contacto con una solución de absorción 28. En algunas modalidades, el dispositivo de membrana 24 puede ser un contactor de membrana. Como se muestra en la figura 6, los solutos extraídos vaporizados 26 en un primer lado del contactor de membrana 24 (como se representa por la flecha 27), mientras que la solución de absorción 28 pasa en el segundo lado del contactor de membrana 24 (como se representa por la flecha 29). Los solutos extraídos vaporizados son capaces de pasar a través del contactor de membrana 24 (como se representa por la flecha 25) y ser absorbidos por la solución de absorción 28. En una o más modalidades, la solución de absorción 28 es una solución extraída diluida o concentrada, donde se reabsorben los solutos extraídos vaporizados para crear una fuente más concentrada de solución extraída para uso/re-uso en el sistema/proceso de membrana accionada osmóticamente.

En al menos una modalidad, un sistema de recuperación de soluto extraído 122 puede incluir el uso de un separador, como se muestra en la figura 7, para eliminar sustancialmente todos los solutos extraídos de una solución extraída diluida. Como se muestra en la figura 7, la solución extraída diluida 120 (de, por ejemplo, un sistema de membrana accionada osmóticamente) pasa a un lado de un contactor de membrana 124, mientras una fuente de vapor 130 (es decir, la energía térmica) se introduce en el segundo lado del contactor membrana 124. La solución extraída diluida 120 absorbe el calor del vapor 130 y los solutos extraídos son removidos de esta. Específicamente, el calor del vapor 130 pasa a través del contactor de membrana 124 (flecha 131), calentando la solución extraída diluida 120 y vaporizando los solutos extraídos aquí. Los solutos extraídos vaporizados 126 pasa a través del contactor de membrana 124 (flecha 127) y son absorbidos por el vapor 130, resultando en una solución extraída concentrada 116 (en forma de vapor substancialmente ) dejando el sistema 122. La recuperación de los solutos extraídos de la solución extraída diluida 120 resulta en una fuente de agua 132 que sale del sistema 122.

Adicionalmente o alternativamente, un condensador puede entonces utilizarse para condensar todos o una porción de los vapores (véase, por ejemplo, figura 9). Un segundo dispositivo de membrana entonces puede utilizarse con el vapor restante en el primer lado del contactor de membrana 124 y un absorbedor en el segundo lado del mismo. En algunas modalidades, la destilación con o sin solución de absorción adicional puede estar presente en el segundo lado, tal que vapores pueden condensarse al pasar a través del dispositivo de membrana. En algunas modalidades, puede colocarse un condensador corriente arriba del dispositivo de membrana. En otras modalidades, las distintas corrientes pueden ponerse en contacto sin una operación unitaria intermedia. Además, un absorbedor de membrana puede condensar completamente vapores de un separador u otra operación de recuperación de soluto extraído. En otras modalidades, el absorbedor de membrana puede usarse después de un condensador para reabsorción completa de solutos en una solución extraída más concentrada. Esto puede ser particularmente útil para reducir el tamaño del sistema de recuperación de soluto. Esto también puede ser particularmente útil en temperaturas y presiones bajas.

Membranas para su uso en las varias modalidades de los sistemas de recuperación de soluto pueden hacerse de esencialmente cualquier material adecuado para su propósito destinado, incluyendo, por ejemplo, politetrafluoroetileno (PTFE), fluoruro de polivinilideno (PVDF), polieteretercetona (PEEK) y polipropileno (PP). De acuerdo con varias modalidades, la membrana puede ser porosa o densa. Los poros en una membrana porosa se pueden dimensionar de modo que el líquido (por ejemplo, agua) no pase través, pero los gases pasen a través. La membrana puede estar en la forma de fibras huecas o una hoja plana. En el caso de fibras huecas, otras fibras destinadas para la transferencia de calor pueden ser mezcladas con estas fibras para mejorar la capacidad de enfriar un sistema de membrana y condensar los gases. Por ejemplo, algunas fibras pueden ser impermeables, pero permiten calentamiento o enfriamiento de la solución extraída a través de transferencia de calor en la pared de fibra, mientras que otras fibras pueden ser selectivas y usadas para separar y reciclar el soluto extraído. Puede variarse el porcentaje de cada tipo, la orientación longitudinal o vertical de varias fibras puede variar, y en algunas modalidades las fibras pueden ser organizadas en zonas. Dichos arreglos pueden facilitar la reducción de los requerimientos de energía en aplicaciones tales como aquellas que involucran un motor de calor osmótico. En algunas modalidades, tal como aquellas que implican aplicaciones a escala relativamente pequeña, se puede implernentar una configuración móvil plegable con mecánica integrada. En configuraciones de hoja plana, características de enfriamiento pueden integrarse en un alojamiento. En cualquier configuración de membrana, el enfriamiento puede usarse entre las etapas de membrana. Adicionalmente , las membranas pueden ser recubiertas o sin recubrimiento para adaptarse a una aplicación particular y pueden ser asimétricas o simétricas. En algunas modalidades, fibra hueca, embobinado espiral o placa y módulos de membrana de marco que contienen las membranas pueden utilizarse.

En algunas modalidades, fibra hueca, embobinado espiral o placa y módulos de membrana de marco que contienen membranas porosas recubiertas o sin recubrimiento pueden utilizarse para la destilación de soluciones extraídas térmicamente separables utilizadas en procesos de membrana accionada osmóticamente que incluyen, generación de energía y/o almacenamiento de energía- De acuerdo con una o más modalidades, área de intercambio de calor en la forma de fibras, hojas de membranas u otros materiales de transferencia de calor pueden ser integrados en los módulos de membrana, o alternados con estos módulos, para mejorar la capacidad de transferencia de calor, así como masa y para condensar gases de soluto. Las funciones de remoción y absorción pueden ser integradas en un solo módulo o esparcidas entre las múltiples unidades de membrana. Las funciones de extracción y absorción pueden llevarse a cabo a través de una sola membrana. En dichas modalidades, la extracción de la solución extraída diluida por pervaporación o destilación de membrana puede ocurrir en un primer lado, con el lado opuesto del sistema de membrana que recibe los gases en la solución. Esto puede, por ejemplo ser un fluido de absorción tal como una solución extraída concentrada o diluida .

Figura 8 representa un ejemplo de un sistema de recuperación 222 con funciones de extracción y absorción de solución extraída diluida integradas en un solo módulo o dispositivo 224. De acuerdo con una o más modalidades, el módulo de membrana 224 puede diseñarse tal que la remoción de solutos extraídos se lleva a cabo con un sistema de membrana y absorción de gases en una solución extraída para aumentar su concentración para la reutilización se lleva a cabo con un condensador y/o el segundo sistema de membrana. Alternativamente o adicionalmente, la remoción se puede realizar mediante destilación de membrana, pervaporation u otro proceso similar, y la extracción puede efectuarse por un contactor de membrana, proceso de pervaporación u otra técnica similar.

Como se muestra en la figura 8, el sistema de recuperación de soluto 222 incluye un módulo de membrana 224 incluyendo al menos una membrana de absorción 224a y al menos una membrana de extracción 224b. El módulo 224 funciona de manera similar a las membranas descritas con respecto a las figuras 6 y 7. Específicamente, se introduce vapor 230 a un lado de la membrana separadora 224b, mientras que una solución extraída diluida 220 se introduce al otro lado de la membrana separadora 224b. El calor se transfiere a la solución extraída diluida 220 (flecha 231), vaporización de los solutos extraídos, que pasan a través de. la membrana 224b (flecha 227), dejando agua 232 para salir del módulo 224. El vapor 230, ahora incluyendo los solutos extraídos vaporizados 226, es introducido a un lado de la membrana de absorbedor 224a, mientras la solución extraída diluida 220 se introduce al otro lado de la membrana de absorbedor, donde actúa como una solución de absorción, la absorción de los solutos extraídos vaporizados 226 que pasan a través de la membrana 224a (flecha 225), resultando en una solución extraída concentrada 216 que sale del módulo 224. En una modalidad, el módulo 224 incluye una hoja en blanco de material 234, por ejemplo, un aislante, que sirve para mantener la masa y/o el calor de las dos corrientes interactuando uno con otro.

De acuerdo con modalidades adicionales, los sistemas de recuperación de soluto basados en membrana pueden integrarse con bomba de calor, ofreciendo mejoras de eficiencia de energía significantes, como se muestra en la figura 9. En particular, la figura 9 representa un sistema de recuperación de soluto 322 que incluye un módulo de membrana 324 acoplado a una bomba de calor de ciclo cerrado 340 con un re-hervidor 342 y un condensador 344. La operación del módulo de membrana 324 es similar a las descritas anteriormente, en lo que el vapor 330 se introduce en el módulo 324 (en este caso desde el re-hervidor 342) entre dos contactores de membrana 324a, 324b, mientras que la solución extraída diluida 320 se introduce en los lados opuestos de aquellos contactores de membrana 324a, 324b. Puede utilizarse cualquier número y disposición de contactores de membrana para adaptarse a una aplicación particular.

El vapor, que ahora contiene los solutos vaporizados 326, sale del módulo 324 y se dirige al condensador 344, donde al menos una porción del vapor y los solutos extraídos vaporizados 326 se condensan y se descargan como solución extraída concentrada 316. En algunas modalidades, el condensador 344 puede utilizarse con una solución de absorción. La bomba de calor 340, utilizando el calor eliminado en el condensador 344, eleva su temperatura y dirige el mismo hacia el re-hervidor 342 para producir el vapor 330. La bomba de calor 340 puede acoplarse a una fuente de electricidad 346 u otros medios de energía. Agua 332 se descarga por el módulo de membrana 324 después de que los solutos extraídos han sido removidos de la solución extraída diluida 320. Al menos una porción del agua 332 puede utilizarse por el re-hervidor 342 para producir el vapor adicional 330.

Figura 10 representa una modalidad alternativa de un sistema de recuperación de soluto 422 que incluye un módulo de membrana 424 acoplado a una bomba de calor de ciclo abierto 440 y un re-hervidor 442. La operación del sistema 422 es similar a la descrita con respecto a la figura 9. Por ejemplo, se introduce la solución extraída diluida 420 al módulo 424 en un lado de uno o más contactores de membrana 424a, 424b, mientras que el vapor 430 se introduce al módulo 424 del re-hervidor 442 en los lados opuestos de uno o más contactores de membrana 424a, 424b. Otra vez, puede utilizarse cualquier número y disposición de contactores de membrana para adaptarse a una aplicación particular. Los solutos extraídos vaporizados 426 salen del módulo 424 y se dirigen a la bomba de calor 440, donde su temperatura es elevada y dirigida hacia el re-hervidor 442 para producir vapor 430 para la operación de extracción. El re-hervidor 442 descarga una solución extraída concentrada 416 que puede ser reciclada de vuelta hacia un sistema de membrana activada osmóticamente. El módulo 424 también descarga agua 432 que puede utilizarse como es, procesarse adicionalmente y/o tener al menos su porción dirigida hacia el re-hervidor 442.

Figura 11 representa una porción de una membrana selectiva 524, en forma de una membrana liquida suspendida, que substancialmente inhibe el transporte de vapor de agua, pero facilita el transporte de solutos extraídos, con o sin portadores dentro del líquido. De acuerdo con una o más modalidades, el área de material selectivo 536 no puede ser un líquido, sino más bien un gel o un sólido, o comprende la mayoría o la totalidad de la membrana, en lugar de ser contenido dentro de otro material. En general, membranas selectivas pueden usarse para la recuperación de soluto extraído, por ejemplo, una membrana líquida suspendida puede usarse para el reciclaje de la solución extraída, donde el líquido, gel, polímero u otro material puede ser en gran medida impermeable al agua, pero permeable a NH3 y C02. En otras modalidades, puede contener "portadores" que transportan NH3 o C02. Un ejemplo puede ser un líquido no polar que permite la permeacion de C02, pero no agua o vapor de agua y contiene dentro una molécula portadora de NH3.

Figura 12 representa el uso de una membrana selectiva 624 para facilitar la extracción y absorción simultáneo de solutos extraídos de acuerdo con una o más modalidades de la invención. En un lado de la membrana 624, una corriente de solución extraída diluida 620a puede calentarse para dividir termolíticamente, por ejemplo sales de amonio, y aumentar la presión de vapor de NH3 y C02. En el otro lado de la membrana 624, una solución extraída diluida 620b se enfría tal que gases de NH3 y C02 626 son absorbidos dentro de esta y forman sales de amonio. De esta manera, una solución extraída diluida puede dividirse en dos corrientes 620a, 620b, una de las cuales se extrae para convertirse en agua de producto 632, y la otra de las cuales se incrementa en concentración para convertirse en la solución extraída concentrada para su re-uso 616.

De acuerdo con una o más modalidades, un contactor de membrana líquida suspendido, mediado por portador de este tipo puede disminuir sustanci almente la cantidad de energía requerida para reciclar solutos extraídos, conforme el agua no se transfiere como vapor como parte de la separación, salvando la entalpia de vaporización del componente de agua de la función de calor utilizado por destilación convencional. Más ampliamente, este enfoque puede aplicarse al reciclaje de cualquier soluto extraído térmicamente separable de, por ejemplo, FO, DO, DOC, PRO, OGS (almacenamiento de rejilla osmótica) o sistemas de membrana accionada osmóticamente similares, tal que la barrera suspendida puede ser relativamente impermeable al agua y puede transportar los solutos extraídos, o contener portadores para los solutos extraídos, o alguna combinación de los dos.

Figura 13 representa una porción de otra modalidad de un sistema de recuperación de soluto extraído 722 para el uso con un proceso/sistema de membrana accionada osmóticamente 710. Como se muestra, una primera porción de la solución extraída diluida 720a puede ser dirigida desde la cámara 711 del sistema 710 hacia una columna de destilación 750 y una segunda porción de la solución extraída diluida 720b puede ser dirigida desde la cámara 711 hacia un módulo de absorbedor 727. Una corriente 729 que sale de la columna de destilación 750 puede introducirse en el módulo de absorbedor 727, donde se mezcla con una solución extraída diluida 720b para regresar de vuelta hacia la cámara 171 con el fin de reintroducir solutos extraídos hacia el lado extraído de una membrana de osmosis directa 712.

En algunas modalidades, los sistemas de recuperación de soluto utilizan sistemas de recuperación de soluto multi-etapas , por ejemplo, destilación de columna multi-etapas o destilación de membrana. En la destilación de columna de etapas múltiples, dos o más columnas pueden recibir corrientes paralelas de la solución extraída diluida, cada corriente gue es tratada totalmente para producir agua de producto con la concentración deseada de solutos extraídos restantes, por ejemplo, menos de aproximadamente 1 ppm de NH3. El calor puede fluir entre las columnas en serie, sin embargo, el calor consumido por el proceso está dirigido al re-hervidor de la columna con la temperatura más alta y la presión y el vapor de la parte superior de esta columna se condensa parcialmente o totalmente en el lado externo de las superficies de transferencia de calor del re-hervidor de la columna siguiente debajo en la serie de temperatura y presión. Esta condensación puede suministrar el calor necesario para la separación, totalmente o en parte, de la segunda columna, con este siendo repetido para cada columna en la serie, hasta que el calor rechazado del enfriamiento del vapor de la parte superior de la columna con la temperatura y presión más bajas es rechazado a una corriente de enfriamiento. El número de etapas que pueden utilizarse entre una temperatura de la parte superior y fondo se establece generalmente por las diferencias entre las temperaturas de condensación y temperaturas de re-hervidor de columnas próximas entre si en la serie, que se relaciona con la composición de la solución extraída diluida. El delta T deseado del equipo de intercambio de calor es también un factor importante. La descripción anterior es igualmente aplicable a la destilación de membrana de etapas múltiples.

Figura 14 representa un sistema de recuperación de soluto 822 que utiliza un proceso de recuperación de soluto multi-etapas con energía y material que fluye en serie de acuerdo con una o más modalidades de la invención. En particular, la figura 14 representa un proceso de recuperación de soluto multi-etapas que utiliza destilación de columna multi-etapas; sin embargo, la destilación de membrana multi-etapas también está contemplada y considerada dentro del alcance de la invención. Como se muestra en la figura 14, material (por ejemplo, solución extraída diluida 820 de un proceso de membrana accionada osmóticamente) y corrientes de energía (por ejemplo, vapor 830) pueden fluir en serie. La solución extraída diluida 820 se introduce en una primera columna 850a via entrada 801a, como la energía térmica 830 se introduce via una segunda entrada 802a, a temperatura y presión relativamente altas para reducir la concentración de la corriente de alimentación 820. El vapor 830' de la primera columna 850a sale vía salida 803a y puede utilizarse para proporcionar calor a la siguiente columna 750b, que recibe el primer producto de fondos de la columna 820' como su alimentación (vía la salida 804a y entrada 801b), que está en una temperatura y presión bajas. El vapor caliente 830' puede ser introducido a la segunda columna 850b a través de medios de transferencia de calor (por ejemplo, un re-hervidor) 842 y entrada 805, salida 806 y segunda entrada 802b. El vapor condensado se genera como una solución extraída concentrada 816 vía la salida 807, mientras agua 832 se genera desde la última columna 850b vía salida 804b. Esto puede repetirse en cualquier número de columnas hasta que se logra la composición de fondos deseada.

Esto efectivamente puede crear un número de efectos de calor similares a modalidades descritas en Publicación de solicitud de patente de E.U.A. No. 2009/0297431 para McGinnis, la descripción de la cual se incorpora aquí para referencia en su totalidad, donde las alimentaciones del material están en paralelo y las corrientes de energía están en serie. Este método puede utilizarse con contactores de membrana que operan a diferentes presiones, en un arreglo compacto y eficiente. Este método alternativo puede ser preferible para las corrientes de alimentación de concentración más alta y/o fuentes de calor de temperatura más alta.

De acuerdo con modalidades adicionales, el proceso de recuperación de soluto multi-etapas puede ser ayudado por una bomba de calor, que ofrece mejoras de eficiencia de energía significantes en ambientes donde fuentes de calor anteriores, por ejemplo, 20°C arriba de la temperatura ambiente se utilizan. En algunas modalidades, una bomba de calor puede utilizarse cuando la combustión del combustible, fuentes de calor de temperaturas más altas o una turbina de contrapresión se utilizan para proporcionar calor para el proceso de recuperación de soluto extraído.

De acuerdo con una o más modalidades, una bomba de calor, tal como un termocornpresor (también conocido como un chorro eyector), compresor mecánico (también conocido como un soplador), bomba de calor de absorción, bomba de calor de ciclo cerrado, bomba de calor estilo ref igeración u otra unidad análoga puede usarse en una o más de las corrientes de vapor de las columnas (o módulos de membrana) para elevar la temperatura en la cual condensa parcialmente o totalmente. Haciendo esto, pueden reducirse las diferencias de temperatura entre etapas, permitiendo que más etapas dentro de una diferencia dada en temperatura, o un número dado de etapas a presiones superiores inferiores y temperaturas y/o presiones y temperaturas de fondo más altas. Esto puede usarse para aumentar la eficiencia energética en el primer caso, o la eficiencia de capital en el segundo caso, o alguna combinación de los dos.

Figura 15 presenta un esquema de un ejemplo de recuperación de soluto multi-etapa asistida con bomba de calor en la cual se hace el trabajo en una corriente de la parte superior con una bomba de calor de ciclo cerrado o abierto para permitir que las presiones de cada columna (o módulo de membrana) sean más cercanas juntas, lo que permite más etapas y una mayor eficiencia general. Como se muestra en la figura 15, el sistema de recuperación 82.2, que es similar al descrito con respecto a la figura 14, incluye dos o más columnas de destilación 850, donde las corrientes de material (solución extraída diluida 820) se introducen (a través de entradas 801) a las columnas 850 en paralelo. Se introduce una fuente de energía térmica (vapor 830) (vía entrada 802a) hacia la primera columna 850a a una temperatura y presión relativamente más altas para reducir la concentración de la corriente de alimentación 820a. El vapor 830' de la primera columna 850a se dirige a la bomba de calor 840 (a través de salida 803a), donde su temperatura es levantada, y luego remitida a la siguiente columna 850b para reducir la concentración de la segunda corriente de alimentación 820b. En una o más modalidades, el vapor calentado 830' puede ser introducido vía medios de transferencia de calor (por ejemplo, un re-hervidor) 842, como se describe con respecto a la figura 14. El vapor condensado puede ser producido como una solución extraída concentrada 816 o de otra manera reciclada a un sistema de membrana accionada osmóticamente. En cada columna 850 sale agua 832 para uso como es o el procesamiento adicional dependiendo de la calidad del agua 832 generada.

En otra modalidad, bombas de calor del tipo descrito anteriormente puede utilizarse con una sola columna (o módulo de membrana) para aprovechar al máximo las eficiencias térmicas de bomba de calor en la reducción de generación de calor latente, en una implementación eficiente compacta y capital. En al menos una modalidad, una bomba de calor puede utilizarse en el sistema de recuperación de soluto para reducir la energía requerida por el proceso mediante reciclaje de calor latente. Esto puede implementarse en modalidades de la bomba de calor de columna/módulo sencilla.

Técnicas adicionales para reducir delta T necesarias en el sistema de reciclaje y recuperación de soluto pueden implementarse . Por ejemplo, los gases de solución extraída pueden ser comprimidos para permitirles formar la solución concentrada en un delta T inferior. El delta T deseado para cualquier sistema también podría lograrse mediante la integración de bombas de calor de absorción o mecánica.

Figura 16 representa una modalidad de un sistema de recuperación de soluto 922 que utiliza la destilación de columna con una configuración de bomba de calor semi-abierta o senni-cerrada, donde una porción del agua de producto 932 de una columna 950, con o sin un re-hervidor, puede dirigirse total o parcialmente a una válvula reductora 956, bajando su presión, tal que el agua 932 puede ser parcialmente o totalmente vaporizada por la transferencia de calor en un intercambiador de calor 938 de la condensación del vapor de la parte superior 930', con o sin absorbente mezclado. Este vapor 930'' producido por la vaporización del agua de producto entonces puede ser comprimido por medios mecánica o termo-chorro 952 hasta el punto donde puede ser utilizado directamente como una alimentación al fondo de la columna 950 (o uno de los dispositivos de contactor de membrana descritos anteriormente) para la recuperación de solutos extraídos. Por ejemplo, una columna 950 que opera a 230 torr puede producir un vapor de la parte superior 930' que se condensa en un lado de un intercambiador de calor 938 a aproximadamente 35-50°C, causando que agua 932 en el lado opuesto del intercambiador de calor 938, que se ha reducido la presión a aproximadamente 75-90 torr, que se regresa parcialmente al vapor 930". Este vapor 930 "entonces puede ser comprimido y elevado en presión a 230 torr e inyectado directamente en el fondo de la columna o módulo de membrana. Este arreglo puede ser contemplado como una configuración de bomba de calor semi-abierta o semi-cerrada .

Otras combinaciones de bombas de calor térmicas y/o mecánicas pueden emplearse con untamente con múltiples etapas de columna de destilación, ya sea convencional o basado en membrana, así que mejora el equilibrar del deseo de aumentar el número de etapas mientras minimiza los costos de equipo. Éstos pueden incluir, por ejemplo, un termocompresor en una o más columnas, un compresor mecánico en una o más de otras columnas, y otros tipos de bomba de calor en otras columnas, según sea necesario, así como la integración entre las corrientes de calor que pueden beneficiarse de una implementación de la bomba de calor de absorción donde el calor absorbido en una temperatura baja podrá suministrar una menor cantidad de calor a una temperatura más alta. Venta as termodinámicas de sistemas de membrana accionada osmóticamente, regenerados térmicamente sobre los sistemas convencionales, tales como destilación de membrana o recompresión de vapor mecánica, que puede requerir el cambio de fase toda el agua producida, puede realizarse de manera más completa.

Figura 17 representa una modalidad alternativa, similar a la figura 16, donde un termocompresor 954 pueden usarse tal que una porción del agua de producto 932 puede regresarse en el vapor directamente (a través de la caldera 942) y se introduce como una corriente de presión relativamente alta 930 utilizada para mejorar la presión de la corriente de vapor 930' de una o más de las columnas 950, con lo cual aumenta su temperatura de condensación. En una modalidad, el sistema 922 utiliza un intercambiador de calor opcional 938 y válvula 956 dispuestos, similar a lo descrito con respecto a la figura 16, para producir una corriente de vapor 930" para introducción al termocompresor 954. En este caso, puede lograrse una reducción neta en la función del calor especifico, pero puede producirse una cantidad inferior de agua de producto. A modo de ejemplo no limitante, un sistema de 2-3 etapas (una de las etapas de producción de una porción más pequeña de la separación) que requiere 381 MJ/m3 de agua de producto, puede utilizar un termocompresor para reducir esta función a potencialmente tan baja como 200-250 MJ/m3, al permitiendo un diseño de 4-5 etapas.

En otra modalidad alternativa, puede usarse un compresor mecánico, tal que la electricidad o trabajo del eje se utiliza para comprimir el vapor de la parte superior de una o más columnas, lo que aumenta la temperatura a la que esta corriente se condensa, permitiendo que más etapas sean utilizadas. En este caso, no puede requerirse reducción en la cantidad de agua de producto, pero puede ser necesaria energía eléctrica para suplantar una porción del calor necesario. A manera de e emplo no limitante, un sistema de 2-3 etapas que requieren 381 MJ/m3 de agua de producto puede utilizar compresión mecánica para reducir esta función potencialmente tan baja como 150-200 MJ/m3, permitiendo un diseño de 4-5 etapas. Una cantidad adicional de energía eléctrica también puede ser necesaria, quizás tanta como 12.8 kW para un COP (coeficiente de rendimiento, una medida típica de eficiencia de la bomba de calor) de 5. Sustitución adicional de energía eléctrica para la energía térmica es contemplada y considerada en el alcance de la invención.

De acuerdo con una o más modalidades, como se ilustra en la figura 18, destilación de vacío y/o absorción de gas pueden integrarse con los sistemas de membrana accionada osmóticamente descritos. Un eductor 1058, impulsado por una solución de agua de alta presión (como pueden ser ayudado por una bomba 1060), puede utilizarse para extraer un vacio en una columna de destilación 1050. La mezcla de gas-agua que sale del eductor 1058 puede fluir a través de un mezclador estático 1062 para asegurar que los gases se disuelven en el agua. La solución de agua puede entonces fluir a un separador de gas-liquido 1064, donde el gas puede ser capturado y reciclado y una porción de la solución 1066 se recicla para activar el eductor.

Ahora habiendo descrito algunas modalidades ilustrativas de la invención, debe ser evidente para aquellos de experiencia en la técnica que lo anterior es meramente ilustrativo y no limitativo, ha sido presentada a modo de ejemplo solamente. Numerosas modificaciones y otras modalidades están dentro del alcance de la experiencia ordinaria en la técnica y se contempla que caen dentro del alcance de la invención. En particular, aunque muchos de los ejemplos presentados aqui involucran combinaciones especificas de actos de método o elementos del sistema, debe entenderse que estos actos y aquellos elementos pueden combinarse en otras maneras para realizar los mismos obj etivos .

Además, también se debe apreciar que la invención se dirige a cada característica, sistema, subsistema o técnica descrita aquí y cualquier combinación de dos o más características, sistemas y subsistemas, o técnicas descritas aquí y cualquier combinación de dos o más características, sistemas, subsistemas y/o métodos, si dichas características, sistemas, subsistemas y técnicas son no mutuamente incompatibles, se considera que están dentro del alcance de la invención como modalidades en cualquier reivindicación. Además, actos, elementos y características discutidas solamente con respecto a una modalidad no pretenden ser excluidos de un papel similar en otras modalidades.

Además, aquellos de experiencia en la técnica deben apreciar que los parámetros y configuraciones descritos aquí son ejemplares y que parámetros actuales y/o configuraciones dependerán de la aplicación específica en que se utilizan los sistemas y técnicas de la invención. Aquellos de experiencia en la técnica también deben reconocer o ser capaces de determinar, usando no más de experimentación de rutina, equivalentes a las modalidades específicas de la invención. Es, por lo tanto, entendido que las modalidades descritas aquí se presentan a modo de ejemplo solamente, y que, dentro del alcance de cualquiera de las reivindicaciones anexadas y equivalentes a esto; la invención puede ser practicada de otra manera como la descrita específicamente.

Claims

NOVEDAD DE LA INVENCION Habiendo descrito el presente invento, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes: REIVINDICACIONES

1.- Un aparato para la recuperación de solutos de solución extraída de un sistema de membrana accionada osmóticamente el aparato que comprende: una primera columna de destilación que comprende: una primera entrada acoplada a una primera fuente de solución extraída diluida para introducir una porción de solución extraída diluida en un primer extremo de la primera columna de destilación; un primer medio de transferencia de calor acoplado a la primera columna de destilación en un segundo extremo, el primer medio de transferencia de calor que tiene una entrada acoplada a una primera fuente de energía térmica y una salida acoplada a la primera columna de destilación para dirigir la energía térmica a la primera columna de destilación para causar que los solutos de solución extraída diluida en la primera columna de destilación vaporicen; una primera salida para eliminar los solutos de solución extraída diluida vaporizada de la primera columna de destilación; y una segunda salida para eliminar un producto de fondos de la primera columna de destilación; un compresor acoplado a la primera salida de la primera columna de destilación; y una segunda columna de destilación que comprende: una primera entrada acoplada a una fuente de solución concentrada para introducir una porción de la solución concentrada en un primer extremo de la segunda columna de destilación; un segundo medio de transferencia de calor acoplado a la segunda columna de destilación en un segundo extremo, el segundo medio de transferencia de calor que tiene una entrada acoplada al compresor para recibir los solutos de solución extraída diluida vaporizada para el uso como una segunda fuente de energía térmica, una primera salida acoplada a la segunda columna de destilación para dirigir la segunda fuente de energía térmica a la segunda columna de destilación para causar que cualquiera de los solutos extraídos en la segunda columna de destilación se vaporicen, y una segunda salida configurada para regresar los solutos de solución extraída diluida vaporizada de la primera columna de destilación condensados dentro del segundo medio de transferencia de calor hacia el sistema de-membrana accionada osmóticamente; una primera salida para eliminar los solutos extraídos vaporizados de la segunda columna de destilación; y una segunda salida para eliminar un producto de fondos de la segunda columna de destilación.

2.- El aparato de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque comprende adicionalmente : un segundo compresor acoplado a la primera salida de la segunda columna de destilación; y por lo menos una tercera columna de destilación que comprende: una primera entrada acoplada a la tercera fuente de solución extraída diluida para introducir una porción de solución extraída diluida en un primer extremo de la tercera columna de destilación; un tercer medio de transferencia de calor acoplado a la tercera columna de destilación en un segundo extremo, dicho tercer medio de transferencia de calor que tiene una entrada acoplada al segundo compresor para recibir los solutos extraídos vaporizados para su uso como una tercera fuente de energía térmica para el uso con la tercera columna de destilación, una primera salida acoplada a la tercera columna de destilación para dirigir la tercera fuente de energía térmica hacia la tercera columna de destilación para causar que los solutos de solución extraída diluida en la tercera cámara de destilación se vaporicen, y una segunda salida configurada para regresar los solutos extraídos diluida vaporizados de la segunda columna de destilación condensados dentro del tercer medio de transferencia de calor hacia el sistema de membrana accionada osmóticamente; una primera salida para eliminar los solutos de solución extraída vaporizada de la tercera columna de destilación; y una segunda salida para eliminar un producto de fondos de la tercera columna de destilación.

3. - El aparato de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque la primera y segunda columnas de destilación están configuradas para operación en paralelo y la primera fuente de solución extraída diluida y la fuente de solución concentrada son el sistema de membrana accionada osmóticamente. 15.- El aparato de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque la primera y tercera columnas de destilación están configuradas para la operación en serie y la segunda fuente de solución extraída diluida es el producto de fondos de la primera columna de destilación.

4. - Un aparato para la recuperación de solutos extraídos de un proceso de membrana accionada osmóticamente; el aparato que comprende un sistema de membrana accionada osmóticamente que comprende una fuente de solución extraída diluida que comprende solutos removibles térmicamente; y un módulo de separación en comunicación fluida con el sistema de membrana accionada osmóticamente, el módulo de separación que comprende: al menos uno de un dispositivo de membrana o un aparato de destilación en comunicación fluida con la fuente de la solución extraída diluida; y al menos una bomba de calor acoplada a por lo menos uno de un dispositivo de membrana o un aparato de destilación y configurada para proporcionar una fuente de energía térmica a por lo menos uno de un dispositivo de membrana y un aparato de destilación para vaporizar los solutos removibles térmicamente.

5. - El aparato de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque al menos uno de un dispositivo de membrana o un aparato de destilación comprende al menos un contactor de membrana configurado a por lo menos uno de los solutos extraídos vaporizados puestos en contacto con una solución de absorción o solutos extraídos recuperados de la solución extraída diluida.

6. - El aparato de conformidad con " la reivindicación 17, caracterizado porque el contactor de membrana es una membrana líquida suspendida.

7. - El aparato de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque al menos uno de un dispositivo de membrana o un aparato de destilación comprende un aparato de recuperación de soluto multi-etapas.

8. - El aparato de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque el aparato de recuperación de soluto multi-etapas comprende un aparato de destilación de columna multi-etapas.

9.- Un método de recuperación de solutos extraídos de un sistema de membrana accionada osmóticamente, el método que comprende los pasos de: proporcionar una fuente de solución extraída diluida del sistema de membrana accionada osmóticamente, donde la solución extraída diluida comprende solutos removibles térmicamente; introducir al menos una porción de la solución extraída diluida a un sistema de separación; introducir una fuente de energía térmica al sistema de separación; vaporizar los solutos de solución extraída diluida fuera de la solución extraída diluida; recuperar los solutos de solución extraída diluida vaporizada; y reciclar los solutos de solución extraída desde el sistema de separación hacia el sistema de membrana accionada osmóticamente.

10. - El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque el paso de vaporización de los solutos de solución extraída diluida comprende la exposición de los solutos de solución extraída diluida hacia la fuente de energía térmica a través de un contactor de membrana para extraer los solutos de la solución extraída diluida.

11. - El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque el paso de recuperación de los solutos de solución extraída vaporizada comprende la exposición de los solutos de solución extraída vaporizada a una solución de absorción a través de un contactor de membrana.

12. - El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque el paso de vaporización de los solutos de solución extraída diluida comprende exponer la solución extraída diluida a un proceso de recuperación de soluto multi-etapas .

13. - El método de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque la solución extraída diluida y la fuente de flujo de energía térmica en serie a través de por lo menos una primera columna de destilación y una segunda columna de destilación.

14.- El método de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque el paso de vaporización de los solutos de solución extraída diluida comprende ayudar a la fuente de energía térmica con un compresor .