MX2014003589A - Composiciones de oxido de magnesio para la purificacion de agua y sus aplicaciones. - Google Patents

Composiciones de oxido de magnesio para la purificacion de agua y sus aplicaciones.

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Abstract

En la presente se proporciona una composición, para la purificación de agua, que contiene un componente óxido de magnesio y un aglomerante. En ciertas modalidades, el aglomerante se selecciona del grupo que consiste en un aglomerante polimérico, silicato de aluminio y calcio, y combinaciones de éstos. En ciertas modalidades, el aglomerante polimérico se selecciona del grupo que consiste en poli metacrilato de metilo, polietileno, y combinaciones de éstos; y está presente en la composición en una cantidad desde aproximadamente 12% hasta aproximadamente 20% en peso. En otras modalidades, el aglomerante contiene silicato de aluminio y calcio en una cantidad desde aproximadamente 1% hasta aproximadamente 15% en peso.

Description

COMPOSICIONES DE ÓXIDO DE MAGNESIO PARA LA PURIFICACIÓN DE AGUA Y SUS APLICACIONES CAMPO TÉCNICO La presente divulgación se refiere a composiciones de óxido de magnesio y al menos un polímero, métodos para purificación de agua utilizando tales composiciones, y métodos para prepara las mismas.
ANTECEDENTE La contaminación de agua potable y acceso inadecuado al agua potable purificada apta para el consumo humano es un problema alarmante en todo el mundo. La contaminación de agua potable con iones inorgánicos y metales pesados, tal como la contaminación por arsénico y contaminación por fluoruro, es especialmente dañina. Las contaminaciones por arsénico y fluoruro, que por lo regular son de origen geológico, son principalmente prevalentes con aguas subterráneas. La contaminación por arsénico a través de agua potable puede provocar cáncer de piel, pulmones, vejiga urinaria y riñon, así como otras enfermedades de la piel. Los reglamentes aplicables actuales de la Agencia de Protección Ambiental de EUA establecen los límites máximos de arsénica en 10 partes por billón (ppb) en el agua potable, aunque en comparación con el resto de los Estados Unidos, los estados del oeste tiene más sistemas con niveles de arsénico mayores a los de esta norma. La alta concentración de fluoruro en el agua subterránea más allá del límite permisible de 1.5 partes por millón (ppm) es un problema toxicológico agudo. La ingesta prolongada de altas cantidades de fluoruro puede conducir a fluorosis dental o esquelética.
Algunos medios para purificación deben ser empleados para eliminar arsénico y controlar el nivel de fluoruro en el agua potable antes de su consumo. El problema se agrava por la presencia de minerales, incluidos carbonatos , los cuales interfirieren con muchos esquemas y sistemas de purificación. En particular con el agua obtenida de áreas con evidencia geológica de actividad volcánica, son típicos altos niveles de arsénico y alto contenido mineral , como carbonatos .
Ha habido un número de sistemas utilizados para eliminar arsénico y otros metales pesados del agua, incluyendo principalmente la osmosis inversa, purificación por columna y precipitación de hidróxido. Muchos de estos procesos proporcionan resultados aceptables solo dentro de los parámetros estrechos y restrictivos. Además, muchos, si no la mayoría de estos procesos son costosos y comparativamente ineficientes.
Tradicionalmente, se utiliza óxido de magnesio (MgO) para la purificación de agua ya que MgO ha demostrado ser muy eficaz en la adsorción de iones de arsénico y fluoruro cuando estos iones se ponen en contacto con la superficie de MgO". Además, MgO también es abundante en la naturaleza, haciéndolo más fácilmente disponible a precios accesibles. Aunque el MgO es eficaz para la eliminación de arsénico y fluoruro del agua, su tendencia para formar pastas o suspensión, debido a la formación de hidróxido de magnesio cuando entra en contacto con agua, es uno de los principales inconvenientes en las aplicaciones para purificación de agua.
Por consiguiente, cuando se utiliza MgO para purificar el agua en un sistema o un medio para purificación, la velocidad de flujo del agua purificada disminuye lentamente y se detiene eventualmente requiriendo que el MgO se elimine del sistema.
Por lo tanto, hay una necesidad de desarrollar una tecnología para purificación de agua que proporcione eliminación eficaz de arsénico y fluoruro del agua, mientras evita uno o más de los inconvenientes antes mencionados .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN En la presente se proporciona una composición para la purificación de agua que contiene un componente óxido de magnesio y un aglomerante. En ciertas modalidades, el aglomerante se selecciona del grupo que consiste en un aglomerante polimérico, silicato de aluminio y calcio, y combinaciones de estos. En ciertas modalidades, el aglomerante polimérico se selecciona del grupo que consiste en polimetacrilato de metilo, polietileno y combinaciones de estos, y está presente en la composición en una cantidad desde aproximadamente 12% hasta aproximadamente 20% en peso. En otras modalidades, el aglomerante contiene silicato de aluminio y calcio en una cantidad desde aproximadamente 1% hasta aproximadamente 15% en peso.
En ciertas modalidades preferidas, el componente óxido de magnesio incluye gO, un regulador de pH, y un material purificador de agua adicional. En ciertas modalidades, el regulador de pH puede incluir CaC03, y el material purificador de agua adicional se puede seleccionar del grupo que consiste en Fe203, MgAl204 y combinaciones de estos.
En ciertas modalidades preferidas, las composiciones que se proporcionan en la presente divulgación están en la forma de gránulos porosos que tienen un diámetro de desde aproximadamente 0.2 hasta aproximadamente 1 rara, y un área de superficie desde aproximadamente 10 m2/g hasta aproximadamente 200 m2/g.
La presente divulgación también proporciona un método para purificación de agua utilizando composiciones para la purificación de agua descritas en la presente. Todavía otro aspecto de la presente divulgación es un aparato configurado para purificar agua que contiene las composiciones que se describen en la presente.
DESCRIPCIÓN DETALLADA La presente divulgación proporciona una composición para purificar agua que comprende un componente óxido de magnesio y un aglomerante. En ciertas modalidades, el componente óxido de magnesio incluye óxido de magnesio, un regulador de pH, y un material purificador de agua adicional. En ciertas modalidades, el aglomerante puede ser un polímero orgánico, un aglomerante inorgánico, o una combinación de ambos. Los solicitantes han encontrado que tales composiciones eliminan eficazmente arsénico y fluoruro del agua, sin provocar alguna disminución en la velocidad de flujo del agua purificada a través de procedimientos de filtración tradicionales .
Aunque no se desea estar ligado por la teoría, en ciertas modalidades se piensa que el óxido de magnesio reacciona con agua para formar Mg(OH)2. El Mg(OH)2 resultante es un fuerte adsorbente de arsénico y fluoruro. El complejo que consiste en arsénico adsorbido en Mg(OH)2 puede ser eliminado posteriormente del agua por medios tradicionales, incluida la filtración, sedimentación, desnatado, agitación por vórtice, centrifugación, separación magnética, u otros sistemas de separación bien conocidos. Sin embargo, la eliminación del complejo arsénico-Mg (OH) 2 es difícil por los medios comunes debido a la tendencia de formar pastas o suspensión en agua.
Los solicitantes han encontrado sorprendentemente que cuando el componente óxido de magnesio se une a un aglomerante, los problemas anteriormente asociados con el uso de óxido de magnesio en un sistema para purificación de agua son obvios. Si bien no se desea estar ligado a la teoría, los solicitantes piensan que el aglomerante permite la selección de los parámetros optimizando la adsorción de arsénico y fluoruro, mientras al mismo tiempo evita la formación de una pasta o suspensión una vez que MgO se pone en contacto con agua. Por ejemplo, en ciertas modalidades el aglomerante permite la formación de gránulos con grandes áreas de superficie que aumentan la velocidad de adsorción de arsénico y fluoruro. Otros parámetros que afectan la velocidad de adsorción incluyen el número de sitios activos presentes en los gránulos, como puede ser esquinas y bordes, la presencia y tipo de poros, y los tipos de planos superficiales expuestos al arsénico y fluoruro.
Los solicitantes han encontrado sorprendentemente que cuando el componente óxido de magnesio se combina con un aglomerante en una cantidad eficaz para eliminar arsénico y fluoruro del agua pre-tratada en un medio o sistema para purificación, la utilización de tales composiciones en el medio o sistema da como resultado en una velocidad de flujo adecuada del agua que es mayor que la velocidad de flujo en un medio o sistema semejante en el cual no está presente el aglomerante. Los solicitantes han encontrado sorprendentemente que el aglomerante se adhiere al componente óxido de magnesio para reducir la formación de una pasta o suspensión, el cual mantiene la velocidad de flujo deseada del agua a través del sistema para purificación de agua relevante. Un aglomerante optimizado proporcionará la porosidad y fuerza de unión necesaria para mantener la estructura del componente óxido de magnesio en el lugar, más que formar una pasta o suspensión, manteniendo con ello la velocidad de flujo deseada del agua y propiedades de adsorción. Por consiguiente, la presencia del aglomerante elimina el problema asociado con composiciones y métodos anteriores en los cuales el medio o sistema queda obstruido.
EL AGLOMERANTE En una modalidad de la presente divulgación, el aglomerante comprende un aglomerante polimérico. En ciertas modalidades preferidas, el aglomerante orgánico se selecciona del grupo que consiste en metacrilatos, polietileno, acrilatos, polipropileno y combinaciones de estos. En ciertas modalidades preferidas, el aglomerante polimérico se selecciona del grupo que consiste en polimetacrilato de metilo, polietileno y combinaciones de estos. Otros ejemplos de aglomerantes poliméricos adecuados son fácilmente evidentes y conocidos por los expertos en la técnica. En ciertas modalidades, el aglomerante polimérico está presente en una cantidad desde aproximadamente 10% hasta aproximadamente 20% en peso, preferentemente 12% hasta aproximadamente 18% en peso, y más preferentemente desde alrededor de 14% hasta alrededor de 16% en peso.
Las composiciones inventivas incluyendo el aglomerante polimérico se pueden preparar disolviendo el aglomerante en un disolvente orgánico y adicionándolo al componente óxido de magnesio. Los ejemplos de disolventes orgánicos adecuados incluyen, y no se limitan disolventes aromáticos, como tolueno, benceno, xilenos mixtos y disolventes alifáticos como hexanos, octanos, parafinas, aceites minerales, cetonas como acetona, ésteres como acetato de etilo, amidas como N-metil-2-pirrolidona ( MP) , y combinaciones de estos. En ciertas modalidades preferidas, el disolvente orgánico incluye xileno. Otros ejemplos de disolventes orgánicos adecuados son fácilmente evidentes y conocidos por los expertos en la técnica. Los métodos para preparar tales composiciones se discuten más adelante en detalle.
En otra modalidad de la presente divulgación, el aglomerante incluye un aglomerante silicato de aluminio' y calcio. Otros aglomerantes inorgánicos adecuados incluyen, más no se limitan a, silicatos de aluminio como sodio, magnesio y, silicatos de bario y aluminio. Los solicitantes han encontrado que en tales modalidades, la necesidad de un disolvente orgánico en la preparación de la composición inventiva es obvia debido a que el aglomerante silicato de aluminio se dispersa de manera uniforme en una solución acuosa que contiene el componente óxido de magnesio. Los métodos para la preparación de tales composiciones se discuten con detalle más adelante. En ciertas modalidades, el aglomerante silicato de calcio y aluminio está presente en una cantidad desde aproximadamente 1% hasta aproximadamente 15% en peso, preferentemente desde alrededor de 1% hasta aproximadamente 10% en peso, y más preferentemente desde aproximadamente 1% hasta aproximadamente 5% en peso, e incluso más preferentemente alrededor de 2% hasta aproximadamente 4% en peso.
EL COMPONENTE ÓXIDO DE MAGNESIO Como ya se discutió, el componente óxido de magnesio comprende MgO el cual reacciona con agua para formar Mg(OH)2, un fuerte adsorbente para arsénico y fluoruro. En modalidades que incluyen un aglomerante polimérico, el componente óxido de magnesio está presente en la composición inventiva en una cantidad desde aproximadamente 80% hasta aproximadamente 90% en peso, preferentemente desde alrededor de 82% hasta alrededor de 88% en peso, e incluso más preferentemente alrededor de 84% hasta alrededor de 86% en peso.
En modalidades que incluyen un aglomerante silicato de calcio y aluminio, el componente óxido de magnesio está presente en una cantidad desde aproximadamente 85% hasta aproximadamente 99% en peso, preferentemente 87% hasta aproximadamente 95% en peso, y más preferentemente desde alrededor de 89% hasta aproximadamente 91% en peso.
En ciertas modalidades, el componente óxido de magnesio incluye MgO, un regulador de pH, y un material purificador de agua adicional. El MgO se puede obtener de cualquier fuente disponible en el comercio. En una modalidad, el componente óxido de magnesio consiste prácticamente de MgO. En ciertas modalidades que incluyen un aglomerante polimérico, el componente óxido de magnesio contiene MgO en una cantidad desde aproximadamente 40% hasta aproximadamente 100% en peso, preferentemente desde alrededor de 40% hasta aproximadamente 60% en peso, y más preferentemente desde alrededor de 45% hasta aproximadamente 50% en peso. En ciertas modalidades que incluyen un aglomerante silicato de calcio y aluminio, el componente óxido de magnesio contiene MgO en una cantidad desde aproximadamente 10% hasta aproximadamente 40% en peso, preferentemente desde alrededor de 15% hasta aproximadamente 35% en peso, y más preferentemente desde alrededor de 20% hasta aproximadamente 30% en peso.
EL REGULADOR DE pH En ciertas modalidades, el componente óxido de magnesio incluye un regulador de pH. Un regulador de pH de acuerdo con la presente divulgación es un compuesto que cambia el pH del agua cuando se adiciona, para proporcionar agua que tenga un pH que sea adecuado para consumo humano, como puede ser un pH menor que aproximadamente 8. Por consiguiente, en ciertas modalidades el regulador de pH disminuye el pH del agua cuando se adiciona. En ciertas modalidades preferidas, el regulador de pH es CaC03. Aunque la presencia de CaC03 normalmente provoca la conversión de Mg(OH)2 a MgC03, los solicitantes han encontrado sorprendentemente que cuando se utiliza CaC03 en la presente divulgación, no afecta adversamente la adsorción de arsénico o fluoruro por el componente óxido de magnesio.
En ciertas modalidades, el regulador de pH puede incluir zeolitas naturales. Los ejemplos de tales zeolitas están escritos en A. Filippidis & N. Kantiranis, Experimental Neutralization oí Lake and Stream waters from N. Greece using Domestic HEU-type Rich Natural Zeolitic Material, Desalination 213 (2007) 47-55, el contenido del cual se incorpora en la presente para referencia. Otros ejemplos de reguladores de pH adecuados son fácilmente evidentes y conocidos por los expertos en la técnica.
En ciertas modalidades, el regulador de pH está presente en una cantidad desde aproximadamente 5% hasta aproximadamente 25% en peso, preferentemente desde alrededor de 7% hasta aproximadamente 20% en peso, y más preferentemente alrededor de 9% hasta aproximadamente 15% en peso. En ciertas modalidades que incluyen un aglomerante polimérico, el componente óxido de magnesio contiene CaC03 en una cantidad desde aproximadamente 8% en peso hasta aproximadamente 20% en peso, y preferentemente desde alrededor de 9% hasta aproximadamente 10% en peso. En ciertas modalidades que incluyen un aglomerante silicato de calcio y aluminio, el componente óxido de magnesio contiene CaC03 en una cantidad desde aproximadamente 7% en peso hasta aproximadamente 10% en peso, y preferentemente desde alrededor de 8% hasta aproximadamente 9% en peso.
Por consiguiente, la presente divulgación proporciona en una modalidad una composición para la purificación de agua que contiene desde aproximadamente 80% hasta aproximadamente 88% en peso de un componente óxido de magnesio y un aglomerante polimérico en una cantidad desde aproximadamente 12% hasta aproximadamente 20% en peso de la composición. En ciertas modalidades, el componente óxido de magnesio contiene CaC03 en una cantidad desde aproximadamente 9% hasta aproximadamente 20% en peso del componente óxido de magnesio. En ciertas modalidades preferidas, el componente óxido de magnesio contiene aproximadamente 9% en peso de carbonato de calcio por peso del componente óxido de magnesio.
En otra modalidad, la presente divulgación proporciona una composición para la purificación de agua que. contiene aproximadamente 90% en peso de un componente óxido de magnesio y aproximadamente 2% en peso de un aglomerante de calcio y aluminio. En ciertas modalidades preferidas, el componente óxido de magnesio contiene CaC03 en una cantidad de aproximadamente 7% en peso del componente óxido de magnesio.
OTRO MATERIAL PURIFICADOR DE AGUA En ciertas modalidades, el componente óxido de magnesio en la composición contiene al menos un material purificador de agua que puede hacer que el agua quede libre de contaminantes, como iones inorgánicos y/o metales pesados . Los contaminantes que pueden ser eliminados mediante el material purificador de agua adicional incluyen, más o se limitan a, cobre, uranio, manganeso, mercurio, níquel, cromo, selenio, cadmio, hierro, zinc, cobalto, plomo, aluminio, bario, bismuto, antimonio, cromato, nitrato, sílice, perclorato, fosfato, cloruro, fluoruro y cianuro. En ciertas modalidades preferidas, el material purificador de agua adicional contiene óxido férrico (Fe203) , dióxido de titanio (Ti02) , óxido de magnesio y aluminio (espinela, MgAl204) , o combinaciones de estos.
En ciertas modalidades que incluyen un aglomerante polimérico, el componente óxido de magnesio contiene Fe2C>3 en una cantidad desde aproximadamente 30% hasta aproximadamente 50% en peso, preferentemente 35% hasta aproximadamente 45% en peso, y más preferentemente desde alrededor de 39% hasta aproximadamente 41% en peso. En ciertas modalidades incluyendo un aglomerante silicato de calcio y aluminio, el componente óxido de magnesio contiene Fe2C>3 en una cantidad desde aproximadamente 60% hasta aproximadamente 70% en peso. En ciertas modalidades, el componente óxido de magnesio de la composición inventiva contiene MgAl204 en una cantidad desde aproximadamente 1% hasta aproximadamente 5% en peso, y preferentemente desde alrededor de 1% hasta aproximadamente 2% en peso.
TAMAÑO DE PARTÍCULA DE MgO El tamaño de MgO o los otros ingredientes presentes en la composición del presente tema varía dependiendo de condiciones de reacción presente en el sistema o método para purificación. La velocidad de las reacciones químicas que implican sustancias sólidas depende de parámetros como puede ser área de superficie, número de sitios activos como esquinas o bordes, y la presencia y tipo de poros que incluyen tipo de planos superficiales expuestos al reactivo. Por consiguiente, el tamaño de MgO o los otros ingredientes de la composición es tal que facilita la adsorción y eliminación eficaz de iones arsénico (III) y/o (V) y fluoruro del agua. En ciertas modalidades, MgO de un tamaño de partícula adecuado se puede preparar por una rápida descomposición térmica, pulverización de plasma, combustión, o cualquier otro proceso que dé lugar a polvos con área de superficie alta. Los procesos adecuados de descomposición térmica rápida, pulverización de plasma y combustión son fácilmente evidentes y conocidos para los expertos en la técnica. Tales procesos de descomposición térmica incluyen aquellos que describen en P.P. Fedorov et al., Preparation of MgO Nanoparticles, Inorganic Materials, 2007, Vol. 43, No. 5, pp. 502-504, el contenido del cual se incorpora en la presente para referencia. Los procesos de pulverización de plasma adecuados incluyen aquellos descritos en L. Marcinauska, Deposition of Alumina Coatings from Nanopowders by Plasma Spraying, Materials Science, 2010, Vol . 16, No. 1, el contenido de la cual se incorpora en la presente para referencia. Los procesos de combustión adecuados inlcuyen los descritos en B. Nagappa and G.T. Chandrappa, Mesoporous Nanocrystalline Magnesium Oxide for Environmental Remediation, Microporous and Mesoporous Materials, 2007, Vol. 106, Emisiones 1-3, pp. 2212-218, el contenido del cual se incorpora en la presente para referencia. A mayor área de superficie de una partícula, mayor el número de sitios activos disponibles para la adsorción de arsénico y fluoruro, como puede ser las esquinas y los bordes . El área de superficie más grande también proporciona poros debido al gran número de defectos por ausencia de oxígeno.
En ciertas modalidades, el componente óxido de magnesio de la composición para la purificación de agua contiene MgO con un diámetro en el intervalo de submicrones. En ciertas modalidades preferidas, el MgO tiene un diámetro de desde aproximadamente 200 nm hasta ¦aproximadamente 1.0 mm, más preferentemente desde alrededor de 200 nm hasta aproximadamente 800 nm, más preferentemente desde alrededor de 200 nm hasta aproximadamente 400 nm, e incluso más preferentemente desde alrededor de 200 nm hasta aproximadamente 300 nm.
Los solicitantes han encontrado que la capacidad de adsorción máxima de la composición se puede optimizar alterando el área de superficie de la composición. La composición de la presente divulgación puede ser formulada en diversas formas incluidas la forma en polvo y gránulos. En ciertas modalidades preferidas, la composición es en la forma de gránulos. Por consiguiente, en ciertas modalidades preferidas el área de superficie de los gránulos formados a partir del componente óxido de magnesio y aglomerante está en el intervalo de desde aproximadamente 10 m2/g hasta aproximadamente 200 m2/g, más preferentemente desde alrededor de 100 m2/g hasta aproximadamente 200 m2/g, e incluso más preferentemente desde alrededor de 150 m2/g hasta aproximadamente 200 m2/g.
Por consiguiente, en ciertas modalidades preferidas la presente divulgación proporciona una composición para la purificación de agua que contiene aproximadamente 85% en peso de un componente óxido de magnesio y aproximadamente 15% en peso de polimetacrilato de metilo. El componente óxido de magnesio contiene aproximadamente 50% en peso de MgO, aproximadamente 41% en peso de Fe203, y aproximadamente 9% en peso de CaC03. En tales modalidades, la composición es en la forma de gránulos teniendo un diámetro promedio en el intervalo de desde aproximadamente 0.4 mm hasta aproximadamente 0.8 mm.
En otra modalidad preferida, la presente divulgación proporciona una composición para la purificación de agua que contiene aproximadamente 85% en peso de un componente óxido de magnesio y aproximadamente 15% en peso de polimetacrilato de metilo. El componente óxido de magnesio contiene aproximadamente 50% en peso de MgO, aproximadamente 40% en peso de Fe203, aproximadamente 1% en peso de MgAl204, y aproximadamente 9% en peso de CaC03. En tales modalidades, la composición es en la forma de gránulos que tienen un diámetro promedio en el intervalo de desde aproximadamente 0.4 mm hasta aproximadamente 0.8 mm .
En otra modalidad preferida, la presente divulgación proporciona una composición para la purificación de agua conteniendo aproximadamente 90% en peso de un componente óxido de magnesio y aproximadamente 2% en peso de un silicato de calcio y aluminio. El componente óxido de magnesio contiene aproximadamente 30% en peso de MgO, aproximadamente 60% en peso de Fe203, aproximadamente 1% en peso de MgAl204,- y aproximadamente 7% en peso de CaCC>3. En tales modalidades, la composición es en la forma de gránulos teniendo un diámetro promedio en el intervalo de desde aproximadamente 0.2 mm hasta aproximadamente 1.0 mm, preferentemente desde alrededor de 0.3 mm hasta aproximadamente 0.7 mm, y más preferentemente alrededor de 0.4 mm .
MÉTODOS DE PREPARACIÓN En ciertas modalidades que incluyen un aglomerante polimérico, las composiciones para la purificación de agua inventivas pueden prepararse mezclando juntos un componente óxido de magnesio y un aglomerante polimérico, en donde el componente óxido de magnesio está presente en una cantidad desde aproximadamente 80% hasta aproximadamente 88% en peso y el aglomerante polimérico está presente en una cantidad desde aproximadamente 12% hasta aproximadamente 20% en peso. El componente óxido de magnesio se prepara mezclando desde aproximadamente 90% hasta aproximadamente 92% en peso de MgO y desde aproximadamente 8% hasta aproximadamente 10% en peso de carbonato de calcio para formar un componente óxido de magnesio. En ciertas modalidades, el componente óxido de magnesio se prepara mezclando desde aproximadamente 40% hasta aproximadamente 50% en peso de MgO, desde aproximadamente 30% hasta aproximadamente 40% en peso de Fe203, y desde aproximadamente 20% hasta aproximadamente 10% en peso de CaC03. El aglomerante polimérico se prepara disolviendo una cantidad predeterminada de polímero en un disolvente orgánico (como puede ser, por ejemplo, xileno) . El polímero incluye al menos un polímero seleccionado de polimetacrilato de metilo, polietileno, o combinación de estos. Posteriormente, la composición, la cual es en forma de una suspensión, se forma en estructuras tipo escama por secado en un horno a una temperatura de desde aproximadamente 160°C hasta aproximadamente 200°C, preferentemente 170°C hasta aproximadamente 190°C, y más preferentemente alrededor de 180°C durante aproximadamente 30 minutos hasta aproximadamente 60 minutos, más preferentemente alrededor de 45 minutos, a presión ambiente. Las escamas pueden ser convertidas en gránulos que tienen un diámetro promedio de desde aproximadamente 0.4 mm hasta aproximadamente 0.8 mm, por ejemplo, mediante el proceso de molienda mecánica, o cualquier otro proceso apropiado que sería más fácilmente evidente para un experto en la técnica. Los gránulos así preparados pueden entonces ser llenados en cartuchos de filtro para acomodar una cantidad requerida de la composición para eliminar iones de arsénico y fluoruro. Los ejemplos de tales filtros incluyen, más no se limitan a cartuchos cilindricos que tienen una longitud de aproximadamente 80 mm y un diámetro de aproximadamente 90 mm acomodando desde aproximadamente 250 hasta aproximadamente 260 gramos de material granulado . Tales cartuchos son adecuados para filtrar aproximadamente 1,500 L de agua. La cantidad de la composición utilizada en el filtro depende del nivel de contaminante del agua que está siendo purificada. Por ejemplo, aproximadamente 50 g de material granulado se puede utilizar para filtrar agua adecuadamente conteniendo aproximadamente 50 ppb de arsénico.
En ciertas modalidades que incluyen un aglomerante silicato de calcio y aluminio, las composiciones para la purificación de agua inventivas pueden prepararse mezclando un componente óxido de magnesio con un aglomerante silicato de calcio y aluminio, en donde el componente óxido de magnesio está presente en una cantidad desde aproximadamente 90% y el componente silicato de calcio y aluminio está presente en una cantidad desde aproximadamente 1% hasta aproximadamente 5% en peso. El componente óxido de magnesio contiene desde aproximadamente 20% hasta aproximadamente 30% en peso de MgO, desde aproximadamente 60% hasta aproximadamente 70% en peso de Fe2Ü3, desde aproximadamente 8% hasta aproximadamente 10% en peso de CaCC>3. En algunas otras modalidades, el componente óxido de magnesio también contiene aproximadamente 1% hasta aproximadamente 2% en peso de MgAl204. El silicato de calcio y aluminio se dispersa en agua y se adiciona al componente óxido de magnesio. La composición resultante se forma posteriormente en una estructura tipo escamas y gránulos como ya se describió.
En ciertas modalidades, antes de la formación de la estructura tipo escamas, la composición puede ser mezclada con una cantidad suficiente de un agente de soplado inorgánico u orgánico en el intervalo desde aproximadamente 1% hasta aproximadamente 10% en peso. En tales modalidades, el agente de soplado se libera calentando los gránulos a una temperatura de desde aproximadamente 180°C hasta aproximadamente 200°C durante aproximadamente 30 hasta aproximadamente 45 minutos. La liberación del agente de soplado da como resultado gránulos que tienen poros suficientes para maximizar el área de superficie del gránulo que entra en contacto con el agua contaminada.
Un agente de soplado es una sustancia que es capaz de producir una estructura a través de mecanismos de espumación, liberación de gas u otros relacionados para crear poros en una matriz, produciendo con ello material celular. Los ejemplos de agentes de soplado adecuados para uso con las composiciones inventivas incluyen, más no se limitan a, hidrocarburos orgánicos, como pentano, isopentano y ciclopentano, C02 líquido, y otros agentes de soplado químicos , como una hidrazina y otros materiales a base de nitrógeno, y bicarbonato de sodio.
Los gránulos así preparados pueden entonces ser llenados en cartuchos de filtro para acomodar una cantidad requerida de la composición para eliminar iones de arsénico y fluoruro.
MÉTODOS QUE UTILIZAN COMPOSICIONES PARA LA PURIFICACIÓN DEL AGUA En otra modalidad, la presente divulgación proporciona un método para tratar agua, dicho método consiste en poner en contacto un volumen pre-determinado de agua contaminada con una cantidad pre-determinada de la composición de la presente materia.
En todavía otra modalidad, la divulgación proporciona un dispositivo para purificación de agua o un aparato configurado para purificar agua, que comprende una composición de acuerdo con la presente divulgación. Los aparatos adecuados incluyen, más no se limitan a, un cartucho cilindrico llenado con la composición para la purificación de agua. En ciertas modalidades, el cartucho cilindrico tiene una longitud de desde aproximadamente 80 mm hasta aproximadamente 160 mm, y un diámetro de desde aproximadamente 90 mm hasta aproximadamente 50 mm. En ciertas modalidades, el cartucho cilindrico es de aproximadamente 80 mm de largo con un diámetro de aproximadamente 90 mm y puede ser llenado con aproximadamente 250 g hasta aproximadamente 270 g de la composición para la purificación de agua. En otras modalidades, el cartucho cilindrico es de aproximadamente 100 mm de largo con un diámetro de aproximadamente 80 mm y puede ser llenado con aproximadamente 135 g hasta aproximadamente 140 g del material purificador de agua. En todavía otra modalidad, el cartucho cilindrico es de aproximadamente 160 mm de largo con un diámetro de aproximadamente 50 mm y puede acomodar aproximadamente 135 g hasta aproximadamente 150 g de la composición para la purificación de agua. Tales cartuchos son capaces de eliminar arsénico de muestras de referencia que contienen arsénico en niveles de aproximadamente 350 ppb hasta niveles por debajo de 10 ppb para volúmenes de aproximadamente 1500 L a 1000 L.
En el proceso de la divulgación pueden utilizarse procedimientos de filtración tradicionales, con percolación de la alimentación a través de un lecho de la composición para la purificación de agua siendo generalmente más convenientes y eficaces en una columna de dimensiones adecuadas. Los valores óptimos de parámetros como tamaño de grano y profundidad del lecho de la composición, dimensiones de la columna, velocidades de flujo, y grado de eliminación deseado de arsénico y fluoruro son todos interdependientes , así como dependientes de la naturaleza de la alimentación, y se determinan mejor por métodos experimentales.
EJEMPLOS Los siguientes ejemplos se proporcionan para propósitos de ilustrar la presente divulgación, pero sin limitar el alcance de ésta.
Ejemplos 1-3. Preparación de gránulos que contienen el aglomerante de PMMA Las Composiciones ejemplares 1-3 fueron preparadas utilizando las cantidades y proporciones descritas en la Tabla 1 siguiente. El polimetacrilato de metilo (PMMA) se disolvió completamente en xileno dando como resultado un medio viscoso por calentamiento de la solución a una temperatura de aproximadamente 60°C hasta aproximadamente 65°C. Para un peso fijo de MgO, se utilizaron diversas proporciones de aglomerante que abarcaron desde 10 por ciento hasta 20 por ciento en peso para estimar la proporción óptima del aglomerante. El MgO se mezcló con la solución de PMMA/xileno para formar una pasta. La pasta se secó a aproximadamente 175°C hasta aproximadamente 180°C durante alrededor de 45 min a presión ambiente para eliminar xileno de la suspensión de MgO/PMMA. Esto dio como resultado una estructura no uniforme tipo escamas. Las escamas resultantes de diversos tamaños fueron convertidas en un polvo grueso por trituración mecánica, utilizando un mezclador normal, dando lugar a un medio de estructura granulada que tiene un diámetro promedio desde aproximadamente 0.4 mm hasta aproximadamente 0.8 mm. La composición granulada además fue mezclada con Fe203 y carbonato de calcio según las proporciones antes especificadas. La Tabla 1 siguiente indica la estructura de la carga de la composición de la mezcla para 100 gramos de medio.
Tabla 1. Estructura de la carga de la composición de la mezcla para 100 g de medio.
Ejemplos 4-9. Preparación de gránulos que contienen un aglomerante silicato de calcio y aluminio.
En ciertas modalidades que contienen un aglomerante silicato de calcio y aluminio, las composiciones para la purificación de agua inventivas se preparan mezclando un componente óxido de magnesio con un aglomerante silicato de calcio y aluminio.
En una de tales modalidades, el componente óxido de magnesio contiene desde aproximadamente 20% hasta aproximadamente 30% en peso de MgO, desde aproximadamente 60% hasta aproximadamente 70% en peso de Fe2C>3, y desde aproximadamente 8% hasta aproximadamente 10% en peso de CaC03. En algunas otras modalidades, el componente óxido de magnesio también contiene desde aproximadamente 1% hasta aproximadamente 2% en peso de MgAl204.
La Composición ejemplar 4 se preparó mezclando 20 gramos de MgO, 70 gramos de Fe203, y 10 gramos de CaC03. Otros 3 gramos de silicato de calcio y aluminio se adicionó a la mezcla. Toda la composición se cargó en un tambor de granulación y se adicionó agua en intervalos de aproximadamente 5 minutos para crear una suspensión uniforme. Después de obtener la uniformidad requerida, la suspensión se pasó a través de un tamiz de diámetro conocido y se secó a temperatura ambiente. Los gránulos secos se sometieron a una temperatura alta de aproximadamente 200°C para eliminar compuestos orgánicos volátiles .
La Composición ejemplar 5 se preparó por el mismo proceso como la Composición ejemplar 4, excepto que se adicionó a la mezcla 15 gramos de silicato de calcio y aluminio.
La Composición ejemplar 6 se preparó por el mismo proceso como la Composición ejemplar 4, excepto que se adicionó a la mezcla 10 gramos de silicato de calcio y aluminio .
La Composición ejemplar 7 se preparó por el mismo proceso como la Composición ejemplar 4, excepto que se adicionó a la mezcla 5 gramos de silicato de calcio y aluminio .
La Composición ejemplar 8 se preparó por el mismo proceso como la Composición ejemplar 4, excepto que se adicionó a la mezcla 2 gramos de silicato de calcio y aluminio .
La Composición ejemplar 9 se preparó por el mismo proceso como la Composición ejemplar 4, excepto que se adicionó a la mezcla 1 gramo de silicato de calcio y aluminio .
Ejemplo 10. Análisis de la velocidad de flujo del agua contaminada y eficiencias de la eliminación de As y F de las Composiciones ejemplares 1-9.
El análisis de la velocidad de flujo del agua contaminada y la eficiencia de la eliminación de arsénico y fluoruro de las Composiciones ejemplares 1-9 se llevó a cabo como sigue.
Experimentos de isotermas de adsorción: Los experimentos en lotes de las isoterma de adsorción: se llevaron a cabo utilizando muestras de referencia de agua con una adición conocida de 50 ppb de As (III) y 500 ppb de As (V) de acuerdo con el método de preparación de la solución parón de referencia NSF53, utilizando agua destilada a 25 ± 2°C. 300 mL de las muestras de referencia anteriores se adicionaron en botellas de polietileno y se adicionaron diferentes dosis de medios adsorbentes (composición de la mezcla) . Por ejemplo, en la serie de experimentos, las dosis de adsorbente utilizadas para el estudio de la isoterma fueron 0.1 g/L a 1.0 g/L. Estas botellas, con cantidades conocidas de dosis de adsorbente, luego se cargaron en un agitador mecánico y operado a una velocidad de agitación de 200 rpm a 250 rpm durante 4 a 8 horas. Después de que concluyó la agitación, las muestras se dejaron reposar durante 5 minutos, y luego se filtraron. El filtrado se utilizó para la cuantificación de arsénico.
Un procedimiento semejante se utilizó para determinar el tiempo de equilibrio de la isoterma de corto plazo, en donde las botellas se agitaron manualmente durante 15 minutos. El tiempo de equilibrio encontrado fue de 6 horas para las isotermas de largo tiempo .
El estudio de columna de lecho fijo se llevó a cabo utilizando una columna de 60 mm de diámetro y 700 mm de longitud. La columna fue empacada con la Composición ejemplar 4 para una profundidad de aproximadamente 120 mm hasta aproximadamente 150 mm. La columna fue cargada con agua de referencia que llevaba arsénico (preparada de acuerdo con la norma NSF530 con 50 ppb de As (III) y 300 ppb de As (V) y con otros iones competidores) en el modo de flujo descendente con una velocidad de flujo volumétrico de 2 a 2.5 L/hora. La velocidad de flujo actual se optimizó para obtener el tiempo de contacto necesario de esta muestra con el adsorbente. Las muestras se recolectaron en ciertos intervalos de tiempo y fueron analizados para determinar las concentraciones de arsénico residual.
Para evaluar el efecto del tamaño del gránulo, se probaron medios mezcla adsorbente con medias geométricas del tamaño de 0.1 mm a 1.0 mm. Se determinó que la capacidad de adsorción máxima podría lograrse con una media del diámetro de partícula que abarcaba desde aproximadamente 0.4 mm hasta aproximadamente 0.8 mm.
Los resultados para las Composiciones ejemplares 1-3 que contenían un aglomerante orgánico PMMA se presentan en la Tabla 2. Los resultados para Composiciones ejemplares 4-9 que contenían un aglomerante silicato de calcio y aluminio con di ferentes tamaños de gránulo y los porcentaj es de aglomerante se presentan en la Tabla 3 . Los resultados del estudio de la columna de lecho f ij o se presentan en la Tabla 4 .
Tabla 2. velocidad de flujo de agua purificada y eficiencia de la purificación en la composición que contenía el aglomerante polimetacrilato de metilo.
Tabla 3. Velocidad de flujo del agua purificada y eficiencia de la purificación en la composición que contiene el aglomerante silicato de calcio y aluminio.
Tabla 4. Resultados de la prueba en Columna de lecho fijo de 300 L de la muestra a ensayar con la solución de referencia NSF53 Aunque el tema ha sido descrito en considerable detalle con referencia a ciertas modalidades preferidas de éste, otras modalidades son posibles. Como tal, el espíritu y alcance de la invención no debe ser limitado por la descripción de las modalidades preferidas contenidas en la presente.

Claims (19)

REIVINDICACIONES
1. Una composición para la purificación de agua que comprende un componente óxido de magnesio y un aglomerante seleccionado del grupo que consiste en un aglomerante polimérico, silicato de calcio y aluminio, y combinaciones de estos .
2. La composición de la reivindicación 1, en donde el aglomerante es un aglomerante polimérico presente en una cantidad desde aproximadamente 12% hasta aproximadamente 20% en peso, y en donde el aglomerante polimérico se selecciona del grupo que consiste en polimetacrilato de metilo, polietileno, y combinaciones de estos.
3. La composición de la reivindicación 2, en donde el componente óxido de magnesio comprende MgO en una cantidad desde aproximadamente 40% hasta aproximadamente 100% en peso.
4. La composición de la reivindicación 3, en donde el componente óxido de magnesio comprende MgO en una cantidad desde aproximadamente 80% hasta aproximadamente 90% en peso.
5. La composición de la reivindicación 4, en donde el componente óxido de magnesio además contiene un regulador de pH en una cantidad desde aproximadamente 8% hasta aproximadamente 20% en peso.
6. La composición de la reivindicación 5, en donde el regulador de pH contiene CaC03.
7. La composición de la reivindicación 3, en donde dicho componente óxido de magnesio además contiene desde aproximadamente 30% hasta aproximadamente 50% en peso de un material purificador de agua seleccionad del grupo que consiste en Fe203, Ti02, MgAl204, y combinaciones de estos.
8. Una composición para la purificación de agua que contiene: (a) polimetacrilato de metilo; y (b) un componente óxido de magnesio, en donde el polimetacrilato de metilo está presente en una cantidad desde aproximadamente 80% hasta aproximadamente 88% en peso, y en donde el componente óxido de magnesio contiene: (i) desde aproximadamente 40% hasta aproximadamente 60% en peso de MgO; (ii) desde aproximadamente 30% hasta aproximadamente 50% en peso de Fe203; (iii) desde aproximadamente 1% hasta aproximadamente 5% en peso de MgAl204; y (iv) desde aproximadamente 8% hasta aproximadamente 20% en peso de CaC03.
9 . La composición de la reivindicación 1 , en donde el aglomerante es silicato de calcio y aluminio, y en donde el silicato de calcio y aluminio está presente en una cantidad desde aproximadamente 1% hasta aproximadamente 15% en peso.
10 . La composición de la reivindicación 9 , en donde el componente óxido de magnesio contiene óxido de magnesio en una cantidad desde aproximadamente 10% hasta aproximadamente 40% en peso.
11 . La composición de la reivindicación 9 , en donde el componente óxido de magnesio además contiene un regulador de pH en una cantidad desde aproximadamente 7% hasta aproximadamente 10% en peso.
12 . La composición de la reivindicación 11 , en donde el regulador de pH contiene CaC03.
13 . La composición de la reivindicación 10 , en donde dicho componente óxido de magnesio además contiene desde aproximadamente 60% hasta aproximadamente 70% en peso de un material purificador de agua seleccionado del grupo que consiste en Fe2C>3, Ti02, MgAl2C>4 y combinaciones de estos.
14. Una composición para la purificación de agua que comprende: (a) silicato de calcio y aluminio; y (b) un componente óxido de magnesio, en donde el silicato de calcio y aluminio está presente en una cantidad desde aproximadamente 1% hasta aproximadamente 15% en peso, y en donde el componente óxido de magnesio contiene: (i) desde aproximadamente 10% hasta aproximadamente 40% en peso de MgO; (ii) desde aproximadamente 60% hasta aproximadamente 70% en peso de Fe203; (iii) desde aproximadamente 1% hasta aproximadamente 5% en peso de MgAl204; y (iv) desde aproximadamente 7% hasta aproximadamente 10% en peso de CaC03.
15. La composición de la reivindicación 1, en donde la composición es en la forma de gránulos que tienen un área de superficie desde aproximadamente 10 m2/g hasta aproximadamente 200 m2/g, y un diámetro desde aproximadamente 0.2 hasta aproximadamente 1 mm.
16. La composición de la reivindicación 9, en donde la composición es en la forma de gránulos que tienen un área de superficie desde aproximadamente 10 m2/g hasta aproximadamente 200 m2/g, y un diámetro desde aproximadamente 0.2 hasta aproximadamente 1 mm.
17. La composición de la reivindicación 14, en donde la composición es en la forma de gránulos que tienen un área de superficie desde aproximadamente 10 m2/g hasta aproximadamente 200 m2/g, y un diámetro desde aproximadamente 0.2 mm hasta aproximadamente 1.0 mm.
18. La composición de la reivindicación 9, en donde el silicato de calcio y aluminio está presente en una cantidad de aproximadamente 3% en peso, y en donde el componente óxido de magnesio contiene: (a) MgO en una cantidad de aproximadamente 20% en peso; (b) Fe203 en una cantidad de aproximadamente 70% en peso; y (c) CaC03 en una cantidad de aproximadamente 10% en peso.
19. La composición de la reivindicación 18, en donde la composición es en la forma de gránulos que tienen un área de superficie desde aproximadamente 10 m2/g hasta aproximadamente 200 m2/g, y un diámetro de aproximadamente 0.4 mm hasta aproximadamente 0.8 mm.
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