WO2019014781A1 - Método y aparato para inversión asimétrica de polaridad en procesos de electromembrana - Google Patents

Método y aparato para inversión asimétrica de polaridad en procesos de electromembrana Download PDF

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WO2019014781A1
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cell
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Álvaro Mauricio GONZÁLEZ VOGEL
Olli Pekka JOUTSIMO
Klaus Erwin BORNHARDT BRACHMANN
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Investigaciones Forestales Bioforest S.A.
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Definitions

  • Embodiments of the invention relate to the field of mitigation of fouling and scaling and the interruption of polarization by concentration in electromembrane (EM) processes such as conventional electrodialysis (ED), reversible electrodialysis (EDR, for its acronym in English “ Reversal Electrodialysis ", where the polarity is reversed every 15-30 minutes for self-cleaning of the membranes), electrodialysis with bipolar membranes (BMED), capacitive deionization (CDI), electrodeionization (EDI), reverse electrodialysis (RED, for its acronym in English “Reverse Electrodialysis", where saline gradients are used to obtain energy), microbial fuel cell systems (MFC), desalination with ion concentration polarization (ICP) and those improved operations associated with all the systems mentioned.
  • ED electrodialysis
  • EDR reversible electrodialysis
  • BMED bipolar membranes
  • CDI capacitive deionization
  • EDI electrodeion
  • polarization by concentration is an inherent phenomenon of MS processes that also restrict the operation of such systems.
  • a limit is eventually reached due to concentration polarization.
  • this value is called limit current density (LCD), which depends on many parameters, due to which it is usually determined empirically.
  • LCD limit current density
  • the pH becomes uncontrolled in the EM cell, due to the dissociation of the water, causing fouling and fouling problems.
  • 80-90% of the LCD is applied. It is generally desirable to increase these LCD values in order to intensify the processes, decreasing the area of the membrane to be used and consequently the size of the equipment and the cost of capital.
  • Patent application US 2016/228820 relates to a method for improving the performance of electrodialysis using different methods, among which the reverse polarity pulsed is described. The authors mention that the application of pulses is only for the cleaning of the electrodes and that it is not necessary to change the electronics and hydraulics of the systems. There is no reference to the use of any H-bridge, interruption of fouling and embedding on the surfaces of the membranes using asymmetric pulses, and the variation of the frequency, intensity and pulse width with respect to the electrical resistance of the cell when it is in operation.
  • CN 104 022 676 discloses a method for producing square waves of asymmetric pulse using a half bridge configuration with MOSFETs and a power source.
  • the circuitry differs completely with the configuration of an H-bridge (full bridge) powered by two sources of power.
  • the purpose of the device is the generation of PWM (Pulse Width Modulation), with no mention of the application in EM processes.
  • Patent application US 2014/0254204 relates to a DC / DC converter (direct current / direct current) based on a half bridge configuration to achieve a zero voltage operation, using asymmetric pulses.
  • the circuitry and application described in this document completely differ from the present invention.
  • an apparatus that allows to update the EM processes, decreasing the occurrence of fouling and incrustations, increasing the LCD value by disrupting the polarization phenomenon by concentration, and increasing the reversion cycle of electrical and hydraulic polarity in EDR.
  • a pair of electrodes suitable for inversion of the polarity such as those with EDR, a second source of power and the described apparatus.
  • This device can be integrated to power sources for the application of asymmetric pulses with reverse polarity with frequency, pulse width, and variable intensities.
  • the term asymmetric refers to the variation of the frequency, width (time) and intensity of the pulses, in a dynamic way, according to the requirements of each system.
  • Fouling in electromembrane technologies can be avoided by periodically inverting the electrical polarity with varying frequencies and intensities, as long as they have adequate inversion electrodes (both can be used as an anode or cathode), a second power source and a bipolar switch designed for this type of applications.
  • Reverse polarity pulses interrupt the formation of new mineral encrustations and fouling with organic matter, avoiding the irreversible damage of the ion exchange membranes and bipolar membranes.
  • the periodic pulses of inverse polarity interrupt the phenomenon of polarization by concentration, through the generation of turbulence, allowing an increase in the intensity of the process due to the higher current densities limits (LCD) that can be reached.
  • the interruption of polarization by concentration helps to stabilize the pH values, decreasing consequently the appearance of incrustations.
  • This bipolar switch is based on an H-bridge configuration, a technique used in electric motors to change the direction of rotation. This is the first time that an H-bridge has been used in electromembrane systems, and that the H-bridge is powered by two different power sources for adjusting the intensity of the reverse polarity pulses. Moreover, it is the first time that the frequency, intensities and pulse widths are adjusted automatically according to the characteristics of the process.
  • the method allows the reversal of polarity in a variety of electromembrane systems, decreasing the addition of chemicals and the maintenance of these systems, increasing the stability and lifetime of the membranes, and intensifying the process (with high current densities). limit) through the disruption of the polarization phenomenon by concentration.
  • the system described is composed of one or two sources of power (power or energy), a bipolar switch and an EM cell.
  • the electromembrane cell is a general term that includes a variety of previously mentioned processes, where only one source of power is used if the pulse intensity is not adjusted and 2 sources of power are used if the pulse intensity is increased or if pauses are made.
  • This cell contains two electrodes and a set of membranes, usually ion exchange membranes and / or bipolar membranes.
  • the electrodes in the electromembrane cells must be suitable to work as a cathode and anode, reducing the risk of deterioration during polarity reversal.
  • the second power source allows you to adjust the intensity of the pulses, if desired include that function
  • the power source (s) delivers (n) power to the electromembrane cell through the bipolar switch.
  • a direct current passes through the bipolar switch, controlling the direction of this current.
  • the electrical energy is received by the electrodes where redox reactions are carried out.
  • An electrochemical potential is generated in the electrodes, inducing the movement of ions towards different compartments of the cell, the dissociation of water molecules, etc.
  • the electrochemical potential generated by the saline gradients can produce electrical energy, in this case, a fraction of the energy produced can be used for periodic self-cleaning of the membranes and as a method of cleaning protocols in situ (CIP). , for its acronym in English).
  • Figure 1 is a schematic representation of an electromembrane process coupled to a bipolar switch to reverse the polarity periodically.
  • Figure 2 is the circuitry of an H-bridge for the inversion of the polarity in the electromembrane processes, with variable intensity, using a second source of power.
  • Figure 3A is an approximate voltage drop and / or electrical resistance through a membrane stack in conventional electromembrane processes, reversible electrodialysis and electromembrane systems with asymmetric reverse polarity pulses.
  • Figure 3B is the approximate waveform applied as reverse polarity pulses, variable frequency and optionally use of high frequency pulses when performing conventional cleaning protocols.
  • Figure 4A it is the EDR operation mode applying asymmetric polarity inversion pulses between each inversion cycle, keeping the automatic valves for hydraulic flow changes. The frequency of application of the pulses is variable, and pulses of high frequency can be used optionally when chemical washes of the membranes are made.
  • Figure 4B is the operation mode of electromembrane processes applying asymmetric polarity inversion pulses, with variable frequency, and optional high frequency pulses when washing protocols are applied.
  • Figure 5A is the updated EDR operation mode, applying asymmetric polarity reversal pulses with higher intensities than in normal operation, variable frequency, and optionally high frequency when cleaning protocols are performed in place.
  • the system is pulsed between each investment cycle, maintaining the automatic valves for hydraulic flow changes.
  • Figure 5B is the mode of operation of electromembrane processes applying asymmetric polarity inversion pulses, with higher intensities than in normal operation, variable frequency, and optionally high frequency when performing conventional cleaning protocols.
  • the invention relates to a method for asymmetric reversal of polarity, to mitigate fouling and fouling on membrane surfaces and the interruption of polarization by concentration in electromembrane processes, comprising the steps of: providing an electromembrane cell (4), comprising a pair of electrodes suitable for reversing the polarity, an electrode acting as an anode (5) and another as a cathode (6), and a set of membranes; providing a bipolar switch comprising at least 4 solid state electronic elements, with an H-bridge configuration for addressing the electric current, wherein under normal operating conditions, some elements (8 and 11) are closed, and other elements (9 and 10) are opened to give the corresponding direction to the current; provide a device that varies the frequency of application of reverse polarity and pulse width, according to the system requirements when running the EM process; provide one or two sources of power different from each other for adjusting the intensity of the pulses, to deliver energy to the electromembrane cell, where one of the sources (1) promotes the electrome
  • the invention relates to a system for asymmetric reversal of polarity, to mitigate fouling and fouling on membrane surfaces and the interruption of polarization by concentration in electromembrane processes, comprising:
  • an electromembrane cell (4) comprising a pair of electrodes suitable for inversion of the polarity, where one acts as an anode (5) and the other acts as a cathode (6) and a set of membranes;
  • bipolar switch (3) comprising at least 4 solid state electronic elements (8, 9, 10, 1 1), with an H-bridge configuration for addressing the electric current, wherein 2 of said elements are it is closed (8 and 11) and the other two are open (9 and 10);
  • - a device that varies the frequency of application of reverse polarity and pulse width, according to the requirements of the system when the process runs; - one or two sources of power (1, 2) different from each other for adjusting the intensity of the pulses, to deliver energy to the electromembrane cell (4);
  • microcontroller or a pulse generator, which will instruct the switch to change the polarity, according to process variables, where the microcontroller is integrated in the circuitry of the bipolar switch (3);
  • bipolar switch (3) can be located inside the power sources (1, 2) or between the power sources (1, 2) and the electromembrane cell (4).
  • the microcontroller can integrate process information and adjust the intensity, frequency and pulse width, according to the process requirement.
  • a pulse generator can control the polarity reversal with a fixed frequency, intensity and pulse width, without the possibility of automatic adjustment according to the requirements of the process.
  • Figure 1 shows a general view of an updated electromembrane process by using a bipolar switch 3 to periodically invert the polarity in cell 4.
  • the intensity of the pulses can be adjusted with a second power source 2, while the operation normal is energized by 1.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the main embodiment of this invention.
  • a microcontroller or a pulse generator (not shown in the figure) controls the opening and closing of the H-bridge elements through the circuits 12, 13, 14 and 15, based on an optimum condition previously established for a process determined, or automated by continuous measurements of the voltage drop or electrical resistance in the electromembrane cell 4.
  • the process is usually carried out with the power source 1, while the Power source 2 is used for the application of high intensity pulses. Both sources of power share the same land, 7.
  • a power source 1 continuously promotes the electromembrane process in cell 4, with a defined current / voltage density.
  • the electrode 5 works as an anode and the electrode 6 as a cathode.
  • the solid state elements are at least four, 8, 9, 10 and 11. At this time, the elements 8 and 11 are closed, and 10 and 9 are open. All solid-state elements mentioned should have free-wheeling diodes to protect them from counter-electromotive forces, generated by the saline gradients between the compartments of the cell.
  • a power source 1, promotes the electromembrane process in cell 4, when polarity inversion is applied using the second power source, 2, promoting the process by a short time with an intensity greater than that used with the power source 1.
  • the electrode 5 functions as the cathode and the electrode 6 functions as the anode.
  • the solid state elements 8 and 11 are open, and 9 and 10 are closed.
  • This reversal of polarity can be programmed in the microcontroller or in the pulse generator.
  • the reversal of polarity can be considered as a pulse with an application frequency of 10 "2 to 10 3 Hz and a pulse width varying between 10 " 5 to 10 ° seconds.
  • the frequency, pulse width and amplitude or intensity are parameters that must be defined depending on the occurrence of the incrustations and the chemical nature of the precipitates. If power source 1 is used in both normal operation and reversal of polarity, the pulse width and / or frequency must be variable to maintain optimal performance of the electromembrane process in terms of mitigation of fouling or fouling. , throughout the entire operating time. If the purpose of the pulses is only the intensification of the process through the interruption of the polarization by concentration, the frequency of the applied pulses can be kept fixed.
  • a power source 1, promotes the electromembrane process in cell 4 when a pause is applied (off state). At this time all solid state elements 8 to 11 are open for the corresponding pause time.
  • the pauses can be considered as a pulse applied every 10 ° to 10 3 seconds, depending on the voltage drop of the cell and the pulse width.
  • the pause time would depend on the nature of the precipitates or scale in the selected electromembrane process.
  • a typical pulse width value is between 10 "2 to 10 3 seconds
  • the described apparatus is capable of performing pulse pauses, but it is preferable to apply pulses of inverse polarity in terms of intensity, to lose the least possible working time and decrease the size of the systems and consequently the capital cost.
  • Figure 3A is an approximate voltage drop or electrical resistance through an EM cell at 17, EDR at 18, and for EM with asymmetric polarity reversal at 19.
  • the rate of fouling and fouling depends on the composition of the liquid streams processed, physical-chemical conditions such as pH and temperature, and the availability of previous treatments.
  • the frequency of the applied pulses depends on the fouling on the surfaces of the membranes. Typical values vary between 10 "2 to 10 3 Hz. For example: if the membranes become dirty, the electrical resistance of the membrane stack will increase with the consequent higher voltage drop across the cell. electrical resistance reaches a defined threshold value, 21, the device will detect it and reverse the polarity for a short period (pulse width) that varies from 10 "5 to 10 ° seconds, in order to disturb the precipitation on the surface of the membranes When this electromembrane process is continuous, the membranes will be more prone to get dirty with the time of the operation, therefore, the frequency of applied pulses would increase gradually until reaching a defined value, 20.
  • a high frequency pulsation (cleaning) of about 10 1 to 10 7 Hz is applied by 10 "1 a 10 4 seconds, preferably together with traditional CIP protocols to restore dirty or embedded membranes.
  • a high frequency pulsation (cleaning) of about 10 1 to 10 7 Hz is applied by 10 "1 a 10 4 seconds, preferably together with traditional CIP protocols to restore dirty or embedded membranes.
  • the polarity can be inverted permanently, to work in this polarity as a normal operation. This permanent investment can be made only if the work system is EDR with the corresponding change of hydraulic flows.
  • Figure 3B is the approximate waveform of an electromembrane process, with an operating amplitude A1 in normal operation.
  • the working frequency, F1 varies between 10 "2 to 10 3 Hz, until reaching a predefined threshold value of frequency, with a higher value than at the beginning of the process, corresponding to an indication for a deep cleaning in 20.
  • the frequency optionally changes to higher values in F2, with values ranging from 10 1 to 10 7 Hz, with a variable amplitude, A2, with short pulse widths with values ranging from 10 "8 to 10 " 2 seconds , and for the treatment time T2, determined for the complete recovery of the function of the membranes, based on the optimal operation and the use of chemicals for CIP
  • the working frequency, F1 will return to conditions This is done until the predefined threshold frequency is reached again
  • the amplitude of the A3 pulses is preferably above the voltage / current density used in normal operation, although it is necessary to avoid high voltage values (supe less than 3V per membrane) due to the evolution of ozone, that can damage the membranes.
  • the pulse width, T3, varies according to the amplitude A3.
  • A3 is equal to A1.
  • A3 is equal to 0.
  • the amplitude of the A3 pulses will define the pulse width T3. Then, if A3 is reduced in amplitude, the value of T3 must increase to ensure the disruption of the new precipitates, and working time in T1 will be lost. Examples:
  • the following examples use the bipolar switch coupled to electromembrane systems to change the polarity of the system by preferably programming a microcontroller, or a pulse generator in its absence.
  • the bipolar switch can ideally be integrated within the power source or physically located as an extra component between the power source and the electromembrane cell.
  • the second option is preferred for the update of already installed processes.
  • the working frequency can be dynamic, varying between 10 "2 to 10 3 Hz, depending on the occurrence of fouling and incrustations. If the purpose of the application of pulses is the intensification of the process, then the frequency can be keep fixed, using the same previously mentioned frequency range
  • the threshold values of the voltage drop / current resistance which indicate the moment to invert the polarity as a pulse, are determined based on said values of normal operation, with values which are between 1, 1 to 10 times the normal operation values.
  • the threshold value of the frequency is chosen when the cycle of Work is between 80.0 to 99.9%, which indicates the time to thoroughly clean the membranes with CIP procedures. This value can be optimized for each system.
  • a duty cycle of 80.0% means that 20.0% of the time is in a reverse polarity condition. This work cycle is calculated based on the reverse pulse width and the pulse frequency.
  • the chemical composition of the treated streams, the physicochemical parameters, the characteristics of the membranes, the operating time, among other variables, will define all these mentioned values and should be optimized for each specific process.
  • a bipolar switch with a dedicated microcontroller can acquire the related information such as voltage drop, current density and electrical resistance to evaluate the optimal time to press and clean the system, all in an automated way.
  • Example 1 Example 1 :
  • Figure 4A is the EDR update using pulses of inverse polarity.
  • a defined threshold frequency, F4 is the indication for the permanent reversal of polarity with change of hydraulic flows in 23.
  • F4 is the indication for the permanent reversal of polarity with change of hydraulic flows in 23.
  • a high pulsation frequency with values of between 10 1 to 10 can optionally be applied 7 Hz for 10 1 to 10 4 seconds.
  • the amplitude, A4, or intensity of the treatment in the work period is equal to the amplitude of pulses A5, because only one power source, 1, is delivering power to the EDR cell, 22.
  • the pulse width, T4 it can be variable, and its value will depend on the characteristics of the process.
  • Figure 4B shows the update of the electromembrane processes using pulses of inverse polarity.
  • a defined threshold frequency, F4 is the indication for CIP at 20.
  • the amplitude, A4, or intensity of the operation is equal to the amplitude of the applied pulses, A5, because only one power source, 1, is energizing the system.
  • the requirement for this update is the bipolar switch, 3, and a pair of suitable electrodes, 5 and 6, for reversing the polarity of cell 4.
  • Figure 5A is the EDR update using reverse polarity pulses with intensities greater than normal operation.
  • a defined frequency, F4 is the indication for the permanent inversion of polarity with the change of the hydraulic flows in 23.
  • a high frequency of pulsations can be applied optionally, with values hovering around 10 1 to 10 7 Hz for 10 1 to 10 4 seconds.
  • the amplitude, A6, or intensity of the treatment in the work period is different than the amplitude of the pulses, A7, because two sources of power, 1 and 2, are feeding the system.
  • the amplitude of the pulses, A7 can be high intensity to disturb the precipitate in short times.
  • the amplitude of these pulses, A7 can be 0 to work as pauses, although this mode is not recommended if the purpose is the intensification of the process and the self-cleaning of the system. Consequently, the pulse width or pulse time, T5, will be short when the intensity is increased and more extensive if the intensity is decreased, to achieve similar results in terms of perturbation in the formation of precipitates or disruption of the polarization phenomenon by concentration.
  • This update It allows an extension in the working time between the electric and hydraulic polarity inversion cycles of EDR, the reduction of the loss of productivity due to the mixture of the liquid flows and the time of change of the hydraulic system.
  • the requirement for this mode of operation is the bipolar switch 3, and the second power source, 2.
  • Figure 5B shows the update of the electromembrane processes using pulses of reverse polarity with intensities greater than normal operation.
  • the second power source, 2 guarantees good performance and stability when the polarity is changed.
  • the amplitude of the pulses, A7 can be high intensity to easily disturb the precipitates on the surfaces of the membranes. Pauses can also be applied if the amplitude of A7 is 0, although this mode of operation is less intensive for self-cleaning or to increase the limit current densities. Consequently, the pulse width of the pulses, T5, will be narrower with high intensities and wider if the intensity is decreased, to achieve the same effect in a periodic cleaning.
  • the requirements for this operation are a second source of power 2, the bipolar switch 3, and a pair of suitable electrodes to reverse the polarity, 5 and 6.

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Abstract

Se describen métodos y circuitos de un aparato para la interrupción del fenómeno de polarización por concentración, y para la auto-limpieza de los procesos de electromembrana mediante la aplicación de pulsos asimétricos de polaridad inversa con alta intensidad y frecuencia variable. El aparato, un interruptor bipolar, se basa en elementos electrónicos de estado sólido como transistores tales como MOSFET (transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor, por sus siglas en inglés: "Metal- Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor") o IGBT (transistor bipolar de puerta aislada, por sus siglas en inglés: "Insulated Gate Bipolar Transistor") para conducir la inversión de la polaridad en un rango de frecuencias, intensidades, y anchos de pulsos, con el fin de prevenir o disminuir la formación de precipitados sobre las superficies de las membranas. También se proporciona el protocolo de inversión, con una frecuencia variable en función de la aparición de ensuciamiento de las membranas, medida por la caída de tensión o resistencia eléctrica de la pila de membranas durante los procesos con electromembranas. Altas frecuencias pueden ser aplicadas cuando se requiere limpieza del sistema, solo o en conjunto con otros procedimientos fisicoquímicos de limpieza in situ (CIP, por sus siglas en inglés: Cleaning In Place). Varios elementos electrónicos de estado sólido se pueden conectar en paralelo. Esta pluralidad de elementos permite la aplicación de mayores potencias. Este aparato y configuración proporciona la aplicación de pulsos modulados y estables de alta intensidad utilizando una segunda fuente de poder. Procesos de electromembranas pueden ser fácilmente actualizados mediante la sustitución de los electrodos, adecuados para inversión de polaridad, y añadiendo una segunda fuente de poder y el interruptor bipolar descrito.

Description

MÉTODO Y APARATO PARA INVERSIÓN ASIMÉTRICA DE POLARIDAD EN PROCESOS DE ELECTROMEMBRANA
Campo de invención:
Las realizaciones de la invención se refieren al campo de la mitigación del ensuciamiento e incrustaciones y la interrupción de la polarización por concentración en procesos de electromembrana (EM) como la electrodiálisis convencional (ED), electrodiálisis reversible (EDR, por sus siglas en inglés "Electrodialysis Reversal", en donde se invierte la polaridad cada 15 - 30 minutos para auto-limpieza de las membranas), electrodiálisis con membranas bipolares (BMED), desionización capacitiva (CDI) , electrodesionización (EDI), electrodiálisis inversa (RED, por sus siglas en inglés "Reverse Electrodialysis", en donde gradientes salinos son utilizados para obtener energía), sistemas de celdas de combustible microbiana (MFC), desalinización con polarización por concentración de iones (ICP) y aquellas operaciones mejoradas asociadas con todos los sistemas mencionados.
Estado del arte:
En la actualidad, el ensuciamiento y la incrustación de los procesos de electromembrana siguen siendo problemas que limitan la aplicación de estas tecnologías. La mitigación del ensuciamiento e incrustaciones mediante la inversión de la polaridad es una estrategia comúnmente utilizada en operaciones de EDR, la función de inversión se aplica cada 15 a 30 min, donde cada vez que se invierte la polaridad eléctrica, los compartimentos de agua desmineralizada cambian a ser compartimentos de concentrado y viceversa. Esta operación también requiere un cambio en la correspondiente trayectoria del flujo hidráulico. Esto resulta en la necesidad de un flujo hidráulico complicado y control con válvulas automáticas que toma al menos 40 segundos. La consecuente pérdida de tiempo y la mezcla del producto con la corriente de rechazo es una i pérdida inevitable que representa alrededor del 5% de la producción total. En consecuencia, EDR no se utiliza para la producción de químicos finos debido a la pérdida de tiempo de trabajo y productos valiosos.
Por otro lado, la polarización por concentración es un fenómeno inherente de los procesos de EM que restringen también la operación de dichos sistemas. En algún punto, cuando se aumenta la corriente eléctrica que pasa a través del sistema, se alcanza eventualmente un límite debido a la polarización por concentración. En la operación de procesos de EM este valor es llamado densidad de corriente límite (LCD), el cual depende de muchos parámetros, debido a lo cual es usualmente determinado de forma empírica. Cuando se trabaja con valores de LCD (o por encima de este valor), el pH se descontrola en la celda EM, debido a la disociación del agua, provocando problemas de incrustaciones y ensuciamiento. En la práctica, se aplica solamente el 80-90% del LCD. Generalmente es deseable aumentar estos valores de LCD a modo de intensificar los procesos, disminuyendo el área de la membrana a utilizar y consecuentemente el tamaño del equipamiento y el costo de capital.
La utilización de ciclos de corriente continua se describió en la patente US 3.029.196 hace más de 50 años. La patente US 8.038.867 B2 se refiere a una aplicación ambigua de pulsos eléctricos en electrodiálisis, sin mención detallada acerca de un aparato para realizar la metodología. La solicitud WO 2010/143945 se refiere a un método de auto-limpieza de membranas utilizando la inversión de pulsos eléctricos para ED, RED, CDI, y MFC. Esta descripción menciona un dispositivo de electrodiálisis, pero ningún aparato se ha descrito para la realización de un campo eléctrico pulsado (PEF, por sus siglas en inglés: "Pulsed Electric Field"). La solicitud WO 2010/143945 reivindica un dispositivo y un método para la limpieza de membranas usando pulsos eléctricos de polaridad inversa. Sin embargo, sólo se menciona una generación de funciones para la aplicación de anchos de pulso, sin detalles acerca de los circuitos electrónicos empleados. Esta solicitud no describe la aplicación de pulsos asimétricos basado en los parámetros del proceso, la utilización de un puente-H y de qué manera se modula la intensidad, frecuencia y ancho de los pulsos. La solicitud patente US 2016/228820 se refiere a un método para mejorar la realización de la electrodiálisis utilizando diferentes métodos, entre ellos se describe la polaridad reversa pulsada. Los autores mencionan que la aplicación de pulsos es sólo para la limpieza de los electrodos y que no es necesario cambiar la electrónica e hidráulica de los sistemas. No existe ninguna referencia acerca de la utilización de algún puente-H, interrupción del ensuciamiento y la incrustación en las superficies de las membranas utilizando pulsos asimétricos, y la variación de la frecuencia, intensidad y ancho de pulso con respecto a la resistencia eléctrica de la celda cuando está en operación.
Por otro lado, el documento CN 104.022.676 describe un método para producir ondas cuadradas de pulso asimétrico utilizando una configuración de medio puente con MOSFETs y una fuente de poder. La circuitería difiere completamente con la configuración de un puente-H (puente completo) alimentado por dos fuentes de poder. Más aún, el propósito del aparato es la generación de PWM (modulación de ancho de pulso, por sus siglas en inglés: "Pulse Width Modulation"), sin mención acerca de la aplicación en procesos de EM. La solicitud de patente US 2014/0254204 se relaciona con un convertidor DC/DC (corriente continua/corriente continua) basado en una configuración de medio puente para alcanzar una operación de voltaje cero, utilizando pulsos asimétricos. La circuitería y aplicación descrita en este documento difieren completamente de la presente invención.
Por lo tanto, es deseable un aparato que permita actualizar los procesos de EM, disminuyendo la ocurrencia de ensuciamiento e incrustaciones, aumentando el valor de LCD mediante la disrupción del fenómeno de polarización por concentración, e incrementando el ciclo de reversión de polaridad eléctrica e hidráulica en EDR. Para esto es necesario, un par de electrodos adecuados para inversión de la polaridad, tal como los que tiene EDR, una segunda fuente de poder y el aparato descrito. Este dispositivo se puede integrar a fuentes de poder para la aplicación de pulsos asimétricos con polaridad inversa con frecuencia, ancho de pulso, e intensidades variables. El término asimétrico se refiere a la variación de la frecuencia, ancho (tiempo) e intensidad de los pulsos, en una forma dinámica, de acuerdo con los requerimientos de cada sistema.
Resumen de la invención : El ensuciamiento en tecnologías de electromembrana se puede evitar mediante la inversión periódica de la polaridad eléctrica con frecuencias e intensidades variables, siempre y cuando ellas posean electrodos de inversión adecuados (ambos pueden ser utilizados como ánodo o cátodo), una segunda fuente de poder y un interruptor bipolar diseñado para este tipo de aplicaciones. Los pulsos de polaridad reversa interrumpen la formación de nuevas incrustaciones minerales y el ensuciamiento con materia orgánica, evitando el daño irreversible de las membranas de intercambio iónico y membranas bipolares. Por otro lado, los pulsos periódicos de polaridad inversa interrumpen el fenómeno de polarización por concentración, mediante la generación de turbulencia, permitiendo un aumento de la intensidad del proceso debido a las mayores densidades de corriente limites (LCD) que se pueden alcanzar. Más aún, la interrupción de la polarización por concentración ayuda a estabilizar los valores de pH, disminuyendo en consecuencia la aparición de incrustaciones.
Para los procesos EM, este cambio en la polaridad se debe aplicar como pulsos asimétricos, con frecuencia variable, anchos de pulso cortos e intensidades superiores a los valores normales de operación. Es necesario entonces un interruptor bipolar adecuado que sea diseñado para procesos con EM, simple y de bajo costo, tanto en términos de inversión de capital, costos de instalación y de operación. A diferencia de EDR, con la utilización de pulsos asimétricos, no se requerirían cambios en los flujos hidráulicos y en consecuencia utilización de válvulas automáticas con complejas trayectorias de flujo.
Este interruptor bipolar se basa en una configuración de puente-H, una técnica usada en motores eléctricos para cambiar la dirección de rotación. Es la primera vez que se usa un puente-H en sistemas de electromembrana, y que el puente-H es alimentado por dos fuentes de poder distintas para el ajuste de la intensidad de los pulsos de polaridad inversa. Más aún, es la primera vez que la frecuencia, intensidades y anchos de pulso son ajustados automáticamente de acuerdo a las características del proceso. El método permite la inversión de la polaridad en una variedad de sistemas de electromembranas, disminuyendo la adición de productos químicos y el mantenimiento de estos sistemas, aumentando la estabilidad y la vida útil de las membranas, e intensificando el proceso (con altas densidades de corriente límite) a través de la disrupción del fenómeno de polarización por concentración.
El sistema descrito está compuesto por una o dos fuentes de poder (de alimentación o de energía), un interruptor bipolar y una celda EM. La celda de electromembranas es un término general que incluye una variedad de procesos previamente mencionados, en donde se utiliza sólo una fuente de poder si la intensidad del pulso no es ajustada y se utilizan 2 fuentes de poder si la intensidad del pulso es incrementada o si se efectúan pausas. Esta celda contiene dos electrodos y un conjunto de membranas, usualmente membranas de intercambio iónico y/o membranas bipolares. Los electrodos en las celdas de electromembranas deben ser adecuados para trabajar como cátodo y ánodo, disminuyendo el riesgo de deterioración durante la inversión de la polaridad. La segunda fuente de poder permite ajustar la intensidad de los pulsos, si se desea incluir esa función. La(s) fuente(s) de poder entrega(n) energía a la celda de electromembrana a través del interruptor bipolar. Una corriente continua, pasa a través del interruptor bipolar, controlando la dirección de esta corriente. La energía eléctrica es recibida por los electrodos donde reacciones redox se llevan a cabo. Se genera un potencial electroquímico en los electrodos, induciendo el movimiento de iones hacia distintos compartimentos de la celda, la disociación de moléculas de agua, etc. En algunos procesos, el potencial electroquímico generado por los gradientes salinos puede producir energía eléctrica, en este caso, una fracción de la energía producida puede ser usada para una auto-limpieza periódica de las membranas y como método de protocolos de limpieza in situ (CIP, por sus siglas en inglés).
Breve descripción de las figuras:
Figura 1 : es una representación esquemática de un proceso de electromembrana acoplado a un interruptor bipolar para invertir la polaridad periódicamente.
Figura 2: es la circuitería de un puente-H para la inversión de la polaridad en los procesos de electromembrana, con intensidad variable, utilizando una segunda fuente de poder. Figura 3A: es una caída de tensión aproximada y/o resistencia eléctrica a través de una pila de membranas en procesos de electromembrana convencionales, electrodiálisis reversible y sistemas de electromembrana con pulsos asimétrico de polaridad reversa.
Figura 3B: es la forma de onda aproximada aplicada como pulsos de polaridad reversa, frecuencia variable y opcionalmente utilización de pulsos de alta frecuencia cuando se efectúan protocolos de limpieza convencionales. Figura 4A: es el modo de operación de EDR aplicando pulsos de inversión asimétrica de polaridad entre cada ciclo de inversión, manteniendo las válvulas automáticas para cambios de flujo hidráulico. La frecuencia de aplicación de los pulsos es variable, y pulsos de alta frecuencia pueden ser usados de forma opcional cuando se efectúen lavados químicos de las membranas.
Figura 4B: es el modo de operación de procesos de electromembrana aplicando pulsos de inversión asimétrica de polaridad, con frecuencia variable, y pulsos de alta frecuencia opcionales cuando se aplican protocolos de lavado.
Figura 5A: es el modo de operación de EDR actualizado, aplicando pulsos de inversión asimétrica de polaridad con intensidades más altas que en una operación normal, frecuencia variable, y opcionalmente alta frecuencia cuando se efectúan protocolos de limpieza en el lugar. El sistema es pulsado entre cada ciclo de inversión, manteniendo las válvulas automáticas para cambios de flujo hidráulico.
Figura 5B: es el modo de operación de procesos de electromembrana aplicando pulsos de inversión asimétrica de polaridad, con intensidades más altas que en una operación normal, frecuencia variable, y opcionalmente alta frecuencia cuando se efectúan protocolos de limpieza convencionales.
Descripción detallada de la invención:
La invención se refiere a un método para inversión asimétrica de polaridad, para mitigar el ensuciamiento e incrustaciones sobre las superficies de membranas y la interrupción de la polarización por concentración en procesos de electromembrana, que comprende las etapas de: proporcionar una celda de electromembrana (4), que comprende un par de electrodos adecuados para inversión de la polaridad, un electrodo que actúa como ánodo (5) y otro como cátodo (6), y un conjunto de membranas; proporcionar un interruptor bipolar que comprende al menos 4 elementos electrónicos de estado sólido, con una configuración de puente-H para el direccionamiento de la corriente eléctrica, en donde en condiciones de operación normal, algunos elementos (8 y 1 1 ) se cierran, y otros elementos (9 y 10) se abren para darle la dirección correspondiente a la corriente; proporcionar un dispositivo que varíe la frecuencia de aplicación de polaridad reversa y ancho de pulso, acorde a los requerimientos del sistema cuando corra el proceso de EM; proporcionar una o dos fuentes de poder distintas entre sí para el ajuste de la intensidad de los pulsos, para entregar energía a la celda de electromembrana, en donde una de las fuentes (1 ) promueve el proceso de electromembrana en condiciones normales y la otra fuente (2) promueve la aplicación de pulsos de polaridad reversa en la celda de electromembrana; hacer pasar una corriente continua a través del interruptor bipolar en distintas direcciones, hacia los electrodos, en donde se llevan a cabo reacciones redox; generar un potencial electroquímico en los electrodos para inducir el movimiento de los iones hacia distintos compartimentos de la celda; proporcionar un microcontrolador o un generador de pulsos, el cual instruirá al interruptor a cambiar la polaridad; medir en forma continua la caída de tensión y/o resistencia eléctrica en la celda de electromembrana;
- definir un valor umbral para la caída de tensión y/o para la resistencia eléctrica de la celda de electromembrana;
- realizar la limpieza de las membranas una vez alcanzado dicho valor umbral, mediante aplicación de pulsos asimétricos de polaridad inversa, con frecuencia variable, anchos de pulsos cortos y preferencialmente con intensidades superiores a los de la operación en condiciones normales o aplicación de pulsaciones pausadas.
Además la invención se refiere a un sistema para inversión asimétrica de polaridad, para mitigar el ensuciamiento e incrustaciones sobre las superficies de membranas y la interrupción de la polarización por concentración en procesos de electromembrana, que comprende:
- una celda de electromembrana (4), que comprende un par de electrodos adecuados para inversión de la polaridad, donde uno actúa como ánodo (5) y el otro actúa como cátodo (6) y un conjunto de membranas;
- un interruptor bipolar (3) que comprende al menos 4 elementos electrónicos de estado sólido (8, 9, 10, 1 1 ), con una configuración de puente-H para el direccionamiento de la corriente eléctrica, en donde 2 de dichos elementos se encuentra cerrados (8 y 1 1 ) y los otros 2 se encuentran abiertos (9 y 10);
- un dispositivo que varíe la frecuencia de aplicación de polaridad reversa y ancho de pulso, acorde a los requerimientos del sistema cuando corra el proceso; - una o dos fuentes de poder (1 , 2) distintas entre sí para el ajuste de la intensidad de los pulsos, para entregar energía a la celda de electromembrana (4);
- un microcontrolador o un generador de pulsos, el cual instruirá al interruptor a cambiar la polaridad, acorde a variables del proceso, en donde el microcontrolador se encuentra integrado en la circuitería del interruptor bipolar (3);
- en donde el interruptor bipolar (3) puede encontrarse ubicado dentro de las fuentes de poder (1 , 2) o entre las fuentes de poder (1 , 2) y la celda de electromembrana (4).
El microcontrolador podrá integrar información del proceso y ajustar la intensidad, frecuencia y ancho de pulso, acorde al requerimiento del proceso. Un generador de pulsos podrá controlar la reversión de polaridad con una frecuencia, intensidad y ancho de pulso fijos, sin posibilidad de ajuste automático acorde a los requerimientos del proceso.
La Figura 1 muestra una vista general de un proceso de electromembrana actualizado mediante la utilización de un interruptor bipolar 3 para invertir periódicamente la polaridad en la celda 4. La intensidad de los pulsos puede ser ajustada con una segunda fuente de poder 2, mientras la operación normal es energizada por 1.
La Figura 2 es un diagrama esquemático de la forma de realización principal de esta invención. Un microcontrolador o un generador de pulsos (no mostrado en la figura) controla la apertura y cierre de los elementos del puente-H a través de los circuitos 12, 13, 14 y 15, en base a una condición óptima previamente establecida para un proceso determinado, o automatizada mediante mediciones continuas de la caída de tensión o de la resistencia eléctrica en la celda de electromembrana 4. El proceso es usualmente llevado a cabo con la fuente de poder 1 , mientras que la fuente de poder 2 es utilizada para la aplicación de pulsos de alta intensidad. Ambas fuentes de poder comparten la misma tierra, 7.
La operación normal se describe de la siguiente manera: Una fuente de poder 1 , promueve continuamente el proceso de electromembrana en la celda 4, con una tensión/densidad de corriente definida. El electrodo 5 trabaja como ánodo y el electrodo 6 como cátodo. Los elementos de estado sólido son al menos cuatro, 8, 9, 10 y 11 . En este momento, los elementos 8 y 11 están cerrados, y 10 y 9 están abiertos. Todos los elementos de estado sólido mencionados deberían tener diodos de rueda libre para protegerlos de fuerzas contra-electromotrices, generada por los gradientes salinos entre los compartimentos de la celda.
Para pulsos de polaridad inversa de intensidad mayor que en una operación normal: Una fuente de poder, 1 , promueve el proceso de electromembrana en la celda 4, cuando se aplica inversión de polaridad usando la segunda fuente de poder, 2, promoviendo el proceso por un tiempo corto con una intensidad mayor que la usada con la fuente de poder 1. Aquí, el electrodo 5 funciona como cátodo y el electrodo 6 como ánodo. En este momento los elementos de estado sólido 8 y 11 están abiertos, y 9 y 10 están cerrados. Esta inversión de polaridad puede ser programada en el microcontrolador o en el generador de pulsos. La inversión de polaridad puede ser considerada como un pulso con una frecuencia de aplicación de 10"2 a 103 Hz y un ancho de pulso variando entre 10"5 a 10° segundos. La frecuencia, ancho de pulso y amplitud o intensidad, son parámetros que deben ser definidos dependiendo de la ocurrencia de las incrustaciones y la naturaleza química de los precipitados. Si la fuente de poder 1 se utiliza tanto en la operación normal como en la inversión de la polaridad, el ancho de pulso y/o la frecuencia deben ser variables para mantener un desempeño óptimo del proceso de electromembrana en términos de mitigación de ensuciamiento o incrustaciones, a lo largo de todo el tiempo de operación. Si el propósito de los pulsos es solo la intensificación del proceso a través de la interrupción de la polarización por concentración, la frecuencia de los pulsos aplicados se puede mantener fija.
Para pulsaciones pausadas: Una fuente de poder, 1 , promueve el proceso de electromembrana en la celda 4 cuando se aplica una pausa (estado apagado). En este momento todos los elementos de estado sólido 8 a 11 están abiertos para el tiempo de pausa correspondiente. Las pausas pueden ser consideradas como un pulso aplicado cada 10° a 103 segundos, en función de la caída de voltaje de la celda y el ancho de pulso. El tiempo de pausa dependería de la naturaleza de los precipitados o incrustaciones en el proceso de electromembrana seleccionado. Un valor de ancho de pulso típico se encuentra entre 10"2 a 103 segundos. El aparato descrito es capaz de realizar pausas de pulsos, pero es preferible aplicar pulsos de polaridad inversa en términos de intensidad, para perder lo menos posible tiempo de trabajo y disminuir el tamaño de los sistemas y consecuentemente el costo capital.
La Figura 3A es una caída de tensión aproximada o resistencia eléctrica a través de una celda EM en 17, EDR en 18, y para EM con inversión de polaridad asimétrica en 19. La tasa de ensuciamiento e incrustación depende de la composición de las corrientes liquidas procesadas, condiciones físico-químicas tales como pH y temperatura, y la disponibilidad de tratamientos previos.
La frecuencia de los pulsos aplicados depende del ensuciamiento en las superficies de las membranas. Valores típicos varían entre 10"2 a 103 Hz. Por ejemplo: si se ensucian las membranas, la resistencia eléctrica de la pila de membranas se incrementará con la consiguiente mayor caída de tensión a través de la celda. Si esta caída de tensión o resistencia eléctrica alcanza un valor umbral definido, 21 , el dispositivo lo detectará e invertirá la polaridad por un período corto (ancho de pulso) que varía de 10"5 a 10° segundos, con el fin de perturbar la precipitación sobre la superficie de las membranas. Cuando este proceso de electromembrana es continuo, las membranas serán más propensas a ensuciarse con el tiempo de la operación, por lo tanto, la frecuencia de pulsos aplicados aumentaría gradualmente hasta alcanzar un valor definido, 20. Cuando se alcanza la frecuencia umbral, la operación se detiene y se aplica opcionalmente una pulsación de alta frecuencia (limpieza) de alrededor de 101 a 107 Hz por 10"1 a 104 segundos, preferentemente junto con protocolos de CIP tradicionales para restaurar las membranas sucias o incrustadas. En este punto, la polaridad puede ser invertida de forma permanente, para trabajar en esta polaridad como una operación normal. Esta inversión permanente se puede realizar sólo si el sistema de trabajo es EDR con el correspondiente cambio de los flujos hidráulicos.
La Figura 3B es la forma de onda aproximada de un proceso de electromembrana, con una amplitud de trabajo A1 en la operación normal. La frecuencia de trabajo, F1 , varía entre 10"2 a 103 Hz, hasta alcanzar un valor umbral predefinido de frecuencia, con un valor mayor que al comienzo del proceso, correspondiente a una indicación para una limpieza profunda en 20. En este momento, la frecuencia cambia opcionalmente a valores más altos en F2, con valores que van de entre 101 a 107 Hz, con una amplitud variable, A2, con anchos de pulso cortos con valores que van de 10"8 a 10"2 segundos, y por el tiempo de tratamiento T2, determinado para la recuperación completa de la función de las membranas, basada en la operación óptima y la utilización de químicos para CIP. Luego de restaurar las membranas, la frecuencia de trabajo, F1 , volverá a condiciones iniciales, esto hasta alcanzar nuevamente la frecuencia umbral predefinida. La amplitud de los pulsos A3 está preferentemente por encima de la tensión/densidad de corriente usada en la operación normal, aunque es necesario evitar valores de alta tensión (superior a 3V por membrana) debido a la evolución de ozono, que pueden dañar las membranas. El ancho de pulso, T3, varía en función de la amplitud A3. Así, con intensidades bajas se requeriría más tiempo para romper la polarización por concentración o perturbar la formación de precipitados. Cuando se utiliza una sola fuente de poder, A3 es igual a A1. Cuando se aplican pulsos pausados, A3 es igual a 0. Como se mencionó, la amplitud de los pulsos A3 definirá el ancho de pulso T3. Entonces, si A3 se reduce en amplitud, el valor de T3 debe aumentar para asegurar la disrupción de los nuevos precipitados, y tiempo de trabajo en T1 se perderá. Ejemplos:
Los ejemplos siguientes utilizan el interruptor bipolar acoplado a sistemas de electromembranas para cambiar la polaridad del sistema mediante la programación preferentemente de un microcontrolador, o de un generador de pulsos en su defecto. El interruptor bipolar puede idealmente estar integrado dentro de la fuente de poder o ubicado físicamente como un componente extra entre la fuente de poder y la celda de electromembrana. La segunda opción es preferida para la actualización de procesos ya instalados.
En todos los tratamientos la frecuencia de trabajo puede ser dinámica, variando entre 10"2 a 103 Hz, dependiendo de la ocurrencia del ensuciamiento e incrustaciones. Si el propósito de la aplicación de pulsos es la intensificación del proceso, entonces la frecuencia se puede mantener fija, usando el mismo rango de frecuencia previamente mencionado. Los valores umbrales de la caída de tensión / resistencia de corriente, que indican el momento para invertir la polaridad como un pulso, son determinados basados en dichos valores de la operación normal, con valores que se encuentran entre 1 ,1 a 10 veces los valores de operación normal. El valor umbral de la frecuencia es elegido cuando el ciclo de trabajo se encuentra entre 80,0 a 99,9%, que indica el momento para limpiar exhaustivamente las membranas con procedimientos CIP. Este valor puede ser optimizado para cada sistema. Por ejemplo, un ciclo de trabajo de 80,0% significa que el 20,0% del tiempo está en una condición de polaridad reversa. Este ciclo de trabajo se calcula basado en el ancho del pulso reverso y la frecuencia de pulsación. La composición química de las corrientes tratadas, los parámetros fisicoquímicos, las características de las membranas, el tiempo de operación, entre otras variables definirán todos estos valores mencionados y deberán ser optimizadas para cada proceso específico. Un interruptor bipolar con un microcontrolador dedicado, puede adquirir la información relacionada como la caída de tensión, densidad de corriente y resistencia eléctrica para evaluar el tiempo óptimo para pulsar y limpiar el sistema, todo de forma automatizada. Ejemplo 1 :
La Figura 4A es la actualización de EDR utilizando pulsos de polaridad inversa. Una frecuencia umbral definida, F4, es la indicación para la inversión permanente de polaridad con cambio de flujos hidráulicos en 23. Al mismo tiempo de cambio de flujos hidráulicos, se puede aplicar opcionalmente una alta frecuencia de pulsación con valores de entre 101 a 107 Hz por 101 a 104 segundos. La amplitud, A4, o intensidad del tratamiento en el período de trabajo es igual a la amplitud de pulsos A5, porque sólo una fuente de poder, 1 , está entregando energía a la celda EDR, 22. Aquí, el ancho de pulso, T4, puede ser variable, y su valor dependerá de las características del proceso.
Esta actualización permitirá un aumento en el tiempo de trabajo entre los ciclos de inversión de polaridad eléctrica e hidráulica, con una consecuente disminución de la pérdida de productividad, debido a que la mezcla de productos cuando cambia el sistema hidráulico entre ciclos se hace menos frecuente. El único requisito para este modo de funcionamiento es el interruptor bipolar 3.
Ejemplo 2:
La Figura 4B muestra la actualización de los procesos de electromembrana utilizando pulsos de polaridad inversa. Una frecuencia umbral definida, F4, es la indicación para CIP en 20. La amplitud, A4, o intensidad de la operación, es igual a la amplitud de los pulsos aplicados, A5, porque sólo una fuente de poder, 1 , está energizando el sistema. El requisito para esta actualización es el interruptor bipolar, 3, y un par de electrodos adecuados, 5 y 6, para inversión de polaridad de la celda 4.
Ejemplo 3:
La Figura 5A es la actualización de EDR usando pulsos de polaridad inversa con intensidades superiores a la operación normal. Una frecuencia definida, F4, es la indicación para la inversión permanente de polaridad con el cambio de los flujos hidráulicos en 23. Al mismo tiempo de cambiar los flujos hidráulicos, una alta frecuencia de pulsaciones puede ser aplicada de forma opcional, con valores rondando los 101 a 107 Hz por 101 a 104 segundos. La amplitud, A6, o intensidad del tratamiento en el período de trabajo es diferente que la amplitud de los pulsos, A7, porque dos fuentes de poder, 1 y 2, están alimentando al sistema. La amplitud de los pulsos, A7, puede ser de alta intensidad para perturbar el precipitado en tiempos cortos. También la amplitud de estos pulsos, A7, puede ser 0 para trabajar como pausas, aunque este modo no es recomendado si el propósito es la intensificación del proceso y la auto- limpieza del sistema. En consecuencia, el ancho de pulso o tiempo de pulsación, T5, serán cortos cuando se aumente la intensidad y más extensos si se disminuye la intensidad, para alcanzar resultados similares en términos de perturbación en la formación de precipitados o disrupción del fenómeno de polarización por concentración. Esta actualización permite una extensión en el tiempo de trabajo entre los ciclos de inversión de polaridad eléctrica e hidráulica de EDR, la disminución de la pérdida de productividad debido a la mezcla de los flujos de líquidos y el tiempo de cambio del sistema hidráulico. El requisito para este modo de funcionamiento es el interruptor bipolar 3, y la segunda fuente de poder, 2.
Ejemplo 4:
La Figura 5B muestra la actualización de los procesos de electromembrana usando pulsos de polaridad inversa con intensidades superiores a la operación normal. Usando dos fuentes de poder, 1 y 2, es posible aplicar diferentes intensidades que en la operación normal a la celda EM 4. La segunda fuente de poder, 2, garantiza un buen desempeño y estabilidad cuando se cambia la polaridad. La amplitud de los pulsos, A7, puede ser de alta intensidad para perturbar fácilmente los precipitados sobre las superficies de las membranas. También se pueden aplicar pausas si la amplitud de A7 es 0, aunque este modo de operación es menos intensivo para auto-limpieza o para aumentar las densidades de corriente límite. Consecuentemente, el ancho de pulso de los pulsos, T5, será más angosto con altas intensidades y más ancho si la intensidad es disminuida, para alcanzar el mismo efecto en una limpieza periódica. Los requisitos para esta operación son una segunda fuente de poder 2, el interruptor bipolar 3, y un par de electrodos adecuados para invertir la polaridad, 5 y 6.
Ventajas de la invención:
Al aplicar el método y sistema de la invención se pueden lograr las siguientes ventajas comparativas con lo que actualmente se desarrolla en el estado del arte:
> al existir una auto-limpieza permanente de los sistemas, se disminuye la cantidad de químicos y la frecuencia de lavados necesarios para restaurar la función de las membranas. > debido a la disrupcion de la polarización por concentración, la intensidad de corriente límite se incrementa en comparación con un sistema convencional, con lo cual los procesos de electromembrana se intensifican.
> al intensificarse los procesos, el tamaño de los sistemas disminuye, el tiempo de trabajo disminuye, los procesos se aceleran.
> debido a la disrupcion de la polarización por concentración, se tiene mayor control sobre el pH, evitando la disociación del agua y consecuentemente la formación de incrustaciones minerales y precipitación de coloides.
> la reducción de incrustaciones minerales, reduce la utilización de compuestos químicos anti-incrustantes.
> hay un aumento en la producción al incrementar los tiempos entre cambio de ciclos en electrodiálisis reversible.
> se pueden procesar nuevos tipos de muestras, con un alto contenido de orgánicos o especies incrustantes.

Claims

REIVINDICACIONES
Método para inversión asimétrica de polaridad, para mitigar el ensuciamiento e incrustaciones sobre las superficies de membranas y la interrupción de la polarización por concentración en procesos de electromembrana, CARACTERIZADO porque comprende:
- proporcionar una celda de electromembrana que comprende un par de electrodos adecuados para inversión de la polaridad, un electrodo que actúa como ánodo (5) y otro como cátodo (6), y un conjunto de membranas;
- proporcionar un interruptor bipolar que comprende al menos 4 elementos electrónicos de estado sólido, con una configuración de puente-H para el ajuste de la intensidad, en donde en condiciones de operación normal, algunos elementos (8 y 1 1 ) se cierran, y otros elementos (9 y 10) se abren para darle dirección a la corriente;
- proporcionar un dispositivo que varíe la frecuencia de aplicación de polaridad reversa y ancho de pulso, acorde a los requerimientos del sistema cuando corra el proceso;
- proporcionar una o dos fuentes de poder distintas entre sí para el ajuste de la intensidad de los pulsos, para entregar energía a la celda de electromembrana, en donde una de las fuentes (1 ) promueve el proceso de electromembrana en condiciones normales y la otra fuente (2) promueve la aplicación de pulsos de polaridad reversa en la celda de electromembrana;
- hacer pasar una corriente continua a través del interruptor bipolar en distintas direcciones, hacia los electrodos, en donde se llevan a cabo las reacciones redox; - generar un potencial electroquímico en los electrodos para inducir el movimiento de los iones hacia distintos compartimentos de la celda;
- proporcionar un microcontrolador o un generador de pulsos, el cual instruirá al interruptor a cambiar la polaridad;
- medir en forma continua la caída de tensión y/o resistencia eléctrica en la celda de electromembrana;
- definir un valor umbral para la caída de tensión y/o para la resistencia eléctrica de la celda de electromembrana;
- realizar la limpieza de las membranas una vez alcanzado dicho valor umbral, mediante aplicación de pulsos asimétricos de polaridad inversa, con frecuencia variable, anchos de pulsos cortos y preferencialmente con intensidades superiores a los de la operación en condiciones normales o aplicación de pulsaciones pausadas.
Método de acuerdo con la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el microcontrolador o generador de pulso se programa con los valores de caída de tensión y/o resistencia eléctrica umbral, que indica la necesidad de invertir la polaridad para limpieza de las membranas.
Método de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la limpieza de las membranas se realiza mediante la aplicación de pulsos asimétricos de polaridad inversa con alta intensidad, en donde se invierten los elementos de estado sólido, los elementos que se encontraban cerrados (8 y 1 1 ) se abren y los que se encontraban abiertos (9 y 10) se cierran, se invierte la polaridad en los electrodos, en donde el electrodo que actuaba como ánodo (5) actuará como cátodo y el electrodo que actuaba como cátodo (6) actuará como ánodo, los pulsos se aplican con una frecuencia de 10"2 a 103 Hz con un ancho de pulso que varía entre 10"5 y 10o segundos.
Método de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la limpieza de las membranas se realiza mediante la aplicación de pulsaciones pausadas, en donde todos los elementos sólidos (8, 9, 10, 1 1 ) se encuentran abiertos durante el tiempo de pausa aplicado, donde dicha pausa corresponde a pulsos aplicados cada 10o a 103 segundos con un ancho de pulso que varía entre 10" 2 y 103 segundos.
Método de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el proceso de electromembrana es continuo, se aplican los pulsos con mayor frecuencia hasta alcanzar un valor umbral de frecuencia, se detiene la operación y se aplica una pulsación de alta frecuencia de 101 a 107 Hz durante 10"1 a 104 segundos, para limpiar exhaustivamente las membranas.
Método de acuerdo a la reivindicación 5, CARACTERIZADO porque el valor umbral de la frecuencia es elegido cuando el ciclo de trabajo del proceso alcanza los 80,0 a 99,9%, lo que indica la necesidad de una limpieza exhaustiva de las membranas con procedimientos de limpieza in situ (CIP).
Método de acuerdo a la reivindicación 6, CARACTERIZADO porque la limpieza de las membranas se realiza en conjunto con protocolos de limpieza (CIP) tradicionales.
Método de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque se incrementa la densidad de corriente límite en comparación con la densidad de corriente límite alcanzada por un sistema convencional, intensificando con ello el proceso de electromembrana.
9. Método de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el proceso de electromembrana se selecciona de un proceso de: electrodiálisis convencional (ED), electrodiálisis reversible (EDR), electrodiálisis con membranas bipolares (BMED), desionización capacitiva (CDI), electrodesionización (EDI), electrodiálisis inversa (RED), sistemas de celdas de combustible microbiana (MFC), desalinización mediante polarización por concentración de iones (ICP).
10. Método de acuerdo a la reivindicación 3 y 9, CARACTERIZADO porque el proceso de electromembrana es un proceso de electrodiálisis reversible (EDR), donde la polaridad invertida se mantiene para continuar con la operación en forma normal, realizando el cambio en los flujos hidráulicos correspondientes para el proceso EDR, y continuando con las pulsaciones. 1 1 . Método de acuerdo a la reivindicación 9, CARACTERIZADO porque se utiliza sólo una fuente de poder si la intensidad del pulso no es ajustada y se utilizan 2 fuentes de poder si la intensidad del pulso es incrementada o si se efectúan pausas.
12. Método de acuerdo a la reivindicación 9, CARACTERIZADO porque el proceso de electromembrana es un proceso de electrodiálisis inversa (RED), en donde el potencial electroquímico generado por los gradientes salinos genera energía eléctrica y una fracción de esta energía es usada para la auto-limpieza periódica de las membranas y para métodos de protocolo de limpieza in situ (CIP).
13. Método de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el proceso de limpieza se lleva a cabo a frecuencias que varían entre 10"2 y 103 Hz.
14. Método de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el valor umbral de la caída de tensión y/o resistencia eléctrica son 1 ,1 a 10 veces los valores de los mismos en condiciones normales. 15. Sistema para inversión asimétrica de polaridad, para mitigar el ensuciamiento e incrustaciones sobre las superficies de membranas y la interrupción de la polarización por concentración en procesos de electromembrana, CARACTERIZADO porque comprende: - una celda de electromembrana (4) que comprende un par de electrodos adecuados para inversión de la polaridad, donde uno actúa como ánodo (5) y el otro actúa como cátodo (6) y un conjunto de membranas;
- un interruptor bipolar (3) que comprende al menos 4 elementos electrónicos de estado sólido (8, 9, 10, 1 1 ), con una configuración de puente-H para el ajuste de la intensidad de los pulsos de polaridad inversa, en donde 2 de dichos elementos se encuentra cerrados (8 y 1 1 ) y los otros 2 se encuentran abiertos (9 y 10);
- un dispositivo que varíe la frecuencia de aplicación de polaridad reversa y ancho de pulso, acorde a los requerimientos del sistema cuando corra el proceso;
- una o dos fuentes de poder (1 , 2) distintas entre sí para el ajuste de la intensidad de los pulsos, para entregar energía a la celda de electromembrana (4);
- un microcontrolador o un generador de pulsos, el cual instruirá al interruptor a cambiar la polaridad, acorde a variables del proceso, en donde el microcontrolador se encuentra integrado en la circuitería del interruptor bipolar (3); en donde el interruptor bipolar (3) puede encontrarse ubicado dentro de las fuentes de poder (1 , 2) o entre las fuentes de poder (1 , 2) y la celda de electromembrana (4).
16. Sistema de acuerdo con la reivindicación 15, CARACTERIZADO porque el interruptor bipolar (3) se ubica entre las fuentes de poder
(1 , 2) y la celda de electromembrana (4) en sistemas de procesos de electromembrana ya instalados.
17. Sistema de acuerdo con la reivindicación 15, CARACTERIZADO porque la celda de electromembrana (4) corresponde a una celda para: electrodiálisis convencional (ED), electrodiálisis reversible
(EDR), electrodiálisis con membranas bipolares (BMED), desionización capacitiva (CDI), electrodesionización (EDI), electrodiálisis inversa (RED), sistemas de celdas de combustible microbiana (MFC), desalinización mediante polarización por concentración de iones (ICP).
18. Sistema de acuerdo con la reivindicación 15, CARACTERIZADO porque las membranas de la celda de electromembrana (4) corresponden a membranas de intercambio iónico o membranas bipolares. 19. Sistema de acuerdo con la reivindicación 15, CARACTERIZADO porque los elementos electrónicos de estado sólido (8, 9, 10, 1 1 ) corresponden a los utilizados en transistores del tipo MOSFET (transistor de de efecto de campo metal-óxido-semiconductor) o IGBT (transistor bipolar de puerta aislada). 20. Sistema de acuerdo con la reivindicación 15, CARACTERIZADO porque los elementos electrónicos de estado sólido (8, 9, 10, 1 1 ) se conectan en paralelo para poder suplir mayores cantidades de energía a las celdas.
21 . Sistema de acuerdo con la reivindicación 15, CARACTERIZADO porque los elementos electrónicos de estado sólido (8, 9, 10, 1 1 ) poseen diodos de protección que protegen de las fuerzas contra- electromotrices que se generan por los gradientes salinos dentro de los compartimentos de las celdas.
22. Sistema de acuerdo con la reivindicación 15, CARACTERIZADO porque el microcontrolador integrado en el interruptor bipolar (3) procesa información del sistema para modificar las variables de aplicación de pulsos. 23. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1 7, CARACTERIZADO porque se utiliza sólo 1 fuente de poder si la intensidad del pulso no es ajustada y se utilizan 2 fuentes de poder si la intensidad del pulso es incrementada o si se efectúan pausas.
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