BRPI0613055A2 - sistema, aparelho e mÉtodo de amaciamento de Água de vida prolongada - Google Patents

Abstract

SISTEMA, APARELHO E MÉTODO DE AMACIAMENTO DE ÁGUA DE VIDA PROLONGADA. A presente invenção refere-se a um aparelho e a um método para amaciar água. Particularmente, são descritas um aparelho e um método para amaciar água, sem a adição de íons à corrente de águas servidas. O aparelho inclui, em geral, pelo menos um elemento de filtro de nanofiltração, configurado e disposto para receber uma corrente de introdução de água dura, descarregar uma corrente de saída de água de permeação, que compreende uma parte da corrente de introdução, e descarregar uma corrente de saída de água não permeada, que compreende uma parte da corrente de introdução, O elemento de filtro de nanofiltração tem, tipicamente, um tamanho de poro médio que permite a passagem de água e íons monovalentes, mas impede, substancialmente, a passagem de íons divalentes.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA,APARELHO E MÉTODO DE AMACIAMENTO DE ÁGUA DE VIDA PRO-LONGADA".

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

O presente pedido reivindica o benefício do Pedido ProvisórioU.S. ne. de Série 60/698,652, depositado em 12 de julho de 2005, que estáincorporado ao presente em sua totalidade por referência.

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a métodos e sistema para tratarágua. Particularmente, a invenção está voltada para métodos e sistemaspara amaciar água potável e a métodos e sistemas para prolongar a opera-ção de sistemas de amaciamento de água, particularmente, para métodos esistemas que removem íons de água potável, com perda de água mais baixado que sistemas de amaciamento convencionais.

ANTECENDENTES DA INVENÇÃO

Água que contém altos níveis de íons de cálcio e magnésio échamada de "água dura", porque esses dois íons podem combinar-se comoutros íons e compostos para formar uma película dura, pouco atraente. Mi-lhões de residências têm abastecimentos de água dura, particularmente,residências que usam água subterrânea como sua fonte de água, quer atra-vés de um poço residencial, quer como parte do abastecimento de água mu-nicipal. Água dura pode resultar na formação de um filme pouco atraente emtorno de pias e pratos, e depósitos de água dura podem formar-se sobreroupas, resultando em descoloração e maciez reduzida do tecido. Também,alguns sabões e detergentes não funcionam tão bem com água dura comocom água macia. Nessas situações, filmes de sabão desconfortáveis ou demá aparência podem ser deixados sobre a pessoa ou sobre o objeto queestá sendo lavado.

Aproximadamente 7 a 12 por cento de todas as residências par-ticulares têm amaciadores de água. O índice do uso de amaciadores de á-gua é mais alto em áreas rurais do que em cidades, sendo que se estimaque 3 por cento de moradores urbanos usam um amaciador de água. Esti-ma-se que um milhão de amaciadores de água por troca de íons são vendi-dos a cada ano apenas nos Estados Unidos, e centenas de milhões de dóla-res são gastos em sal. A maioria desses amaciadores é instalada em resi-dências e pequenos negócios que adquirem abastecimentos de água a partirde água subterrânea.

Embora amaciadores de troca de íons sejam apropriados paramuitas aplicações, os mesmos têm limitações significativas. Particularmente,o amaciamento de água por troca de íons resulta em um aumento líquido dasalinidade de água descarregada, devido à descarga de salmoura. Esseaumento líquido da salinidade de descarga pode ser problemático em águasonde existem normas de descarga anti-salmoura. Essas normas freqüente-mente existem em localidades que reutilizam água descarregada para finsagrícolas e que desejam evitar a adição de sal em excesso ao solo sobre oqual a água descarregada é aplicada. Além disso, amaciadores de troca deíons necessitam de uma substituição habitual dos sais de sódio para recar-regar a resina e custos de manutenção associados à compra do sal.

Em vista dos problemas significativos associados à água dura,bem como as limitações de amaciadores de água de troca de íons, desen-volvimentos recentes foram feitos na criação de amaciadores de água queutilizam elementos de nanofiltração para amaciar água residencial a pres-sões relativamente baixas e com alta eficiência. O Pedido de Patente U.S.ne. de Série 09/909488, intitulado "Aparelho e Método de Aparelho Amacia-dor de Água por Nanofiltração para Maralidhara et ai", é particularmente dig-no de nota a esse respeito. Mas, apesar de avanços significativos recentesna tecnologia de amaciamento, continua a haver uma necessidade de méto-dos e sistemas aperfeiçoados para amaciar água usando elementos de filtrode nanofiltração, particularmente continua a haver necessidade de elemen-tos de membrana de vida mais longa, que requerem uma substituição menosfreqüente de membrana.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Algumas modalidades da presente invenção estão voltadas paramétodos e sistemas para amaciar água, particularmente, para métodos esistemas para amaciar água sem a adição de íons à corrente de águas usa-das. Os sistemas usam elementos de filtro de nanofiltração para removerseletivamente íons de dureza, particularmente, íons grandes (tais como osíons divalentes de cálcio e magnésio), a fim de amaciar a água sem a adiçãode água à corrente de águas usadas.

Além disso, outras modalidades da presente invenção põem àdisposição métodos e sistemas para prolongar a vida operacional de ele-mentos de filtro de nanofiltração usados dentro de sistemas de amaciamen-to, e também métodos e sistemas para aperfeiçoar o desempenho dos sis-temas de amaciamento. Esses métodos e sistemas são particularmente Ci-teis para sistemas de nanofiltração de elementos múltiplos, com um, dois emais, tipicamente, três ou mais, elementos de nanofiltração montados emsérie. Nesses sistemas de amaciamento de nanofiltração, água potável entraem um primeiro elemento de nanofiltração e é dividida em corrente de águade permeação amaciada e uma corrente de água concentrada, que contémíons de cálcio e magnésio retidos. A corrente de água de permeação amaci-ada é desviada para uso, enquanto a corrente de água concentrada da pri-meira membrana é fornecida a um segundo elemento de nanofiltração. Nosegundo elemento de nanofiltração, a água concentrada do primeiro elemen-to de nanofiltração é novamente dividida em uma corrente de permeaçãoamaciada e uma corrente de concentrado, que contém íons de cálcio emagnésio retidos. Em um sistema de três elementos, a corrente de concen-trado do segundo elemento de nanofiltração é fornecida a um terceiro ele-mento de nanofiltração, onde ela é novamente separada em uma correntede água de permeação e uma corrente de concentrado de água, que contémíons de cálcio e magnésio retidos.

O uso de elementos de nanofiltração múltiplos pode ser vantajo-so, uma vez que ele permite um uso de água mais eficiente, desse modoresultando em menos água descarregada na corrente de águas servidas.Mas, cada elemento de nanofiltração subseqüente recebe concentraçõescrescentemente mais altas de cálcio e magnésio. Isso pode resultar em di-versos problemas, destacadamente, incrustação das membranas com preci-pitados de cálcio e magnésio. Desse modo, por exemplo, em um sistema detrês elementos, o terceiro elemento pode sofrer uma precipitação de cálciosignificativa sobre a superfície da membrana no elemento de nanofiltração,desse modo reduzindo significativamente a corrente pela membrana. Emalgumas circunstâncias, essa precipitação pode resultar na incrustação dasmembranas, a um ponto tal que os elementos de nanofiltração precisam sersubstituídos prematuramente.

Tal como observado acima, algumas modalidades da presenteinvenção oferecem métodos e sistemas para prolongar a vida operacional deelementos de filtro de nanofiltração usados dentro de sistemas de amacia-mento, e também métodos e sistemas para aperfeiçoar o desempenho dossistemas de amaciamento. Esses métodos e sistemas são particularmenteúteis para sistemas de nanofiltração de elementos múltiplos, com um, dois emais, tipicamente, três ou mais, elementos de nanofiltração montados emsérie. Entre esses aperfeiçoamentos estão métodos para inverter periodica-mente a corrente de água através do sistema de amaciamento por nanofil-tração, desse modo reduzindo a formação de películas e a incrustação demembranas. Além disso, as referidas modalidades põem à disposição ummodo de operação de lavagem, no qual cada uma das membranas de nano-filtração é lavada com água potável para remover o excesso de cálcio emagnésio dos elementos de nanofiltração. Em determinadas modalidades,essa lavagem inclui o uso de um ácido moderado para dissolver precipitadosde cálcio e magnésio dentro dos elementos de nanofiltração. Esses precipi-tados são depois removidos do sistema e descarregados na corrente de á-guas servidas.

Algumas modalidades da presente invenção apresentam diver-sos aperfeiçoamentos em relação a sistemas de amaciamento prévios, in-clusive tendo água macia constante, que pode ter níveis reduzidos de bacté-rias e agentes pirogênicos, em relação ao amaciamento por troca de íons.Além disso, não exigem a necessidade de adicionar sal ao abastecimento deágua, desse modo sendo mais compatíveis com o meio ambiente.

Os elementos de filtro de nanofiltração têm, tipicamente, um ta-manho de poros médio que permite a passagem de água e da maioria deíons monovaleníes, mas evita, substancialmente, a passagem da maioria deíons divalentes. Desse modo, o aparelho amaciador não adiciona íons à cor-rente de água, mas, em vez disso, remove pelo menos alguns dos íons dacorrente de entrada e descarrega os mesmos na corrente de saída não per-meável, descarregada. Diversos elementos de filtro de nanofiltração são a-propriados para uso com a invenção, incluindo elementos de filtro que con-têm uma membrana carregada positivamente.

O sumário acima de algumas modalidades da presente invençãonão pretende descrever cada modalidade apresentada ou cada execução dapresente invenção. As figuras e a descrição detalhada que se segue exem-plificam, mais particularmente, essas modalidades.

FIGURAS

Modalidades da presente invenção são apresentadas na descri-ção abaixo e são mostradas nos desenhos. Números iguais referem-se apartes iguais ao longo dos desenhos.

A figura 1 mostra um modelo esquemático, simplificado, de umsistema amaciador de água por nanofiltração, feito de acordo com uma exe-cução da invenção, sendo que o sistema de nanofiltração contém três ele-mentos de nanofiltração.

A figura 2 mostra um modelo esquemático, simplificado, de umsistema amaciador de água por nanofiltração, feito de acordo com uma exe-cução da invenção, sendo que o sistema de nanofiltração contém três ele-mentos de nanofiltração, sendo que o sistema é operado com uma correntede avanço padrão de água de alimentação.

A figura 3 mostra um modelo esquemático, simplificado, da ope-ração do sistema amaciador de água por nanofiltração mostrado na figura 2,sendo que o sistema é operado com corrente inversa de água de alimentação.

A figura 4 mostra um modelo esquemático, simplificado, de umsistema amaciador de água por nanofiltração, feito de acordo com uma exe-cução da invenção, sendo que o sistema é operado em modo de lavagem,com um desvio de corrente de água.

A figura 5 mostra um modelo esquemático, simplificado, de umsistema amaciador de água por nanofiltração, feito de acordo com uma exe-cução da invenção, sendo que o sistema está configurado para e é operadocom um modo de lavagem com ácido, para remover precipitados dos ele-mentos de nanofiltração.

A figura 6 é um gráfico que indica o efeito de lavagem com ácidosobre o fluxo do sistema amaciador de água.

A figura 7 é um gráfico que indica o efeito de lavagem dos ele-mentos de nanofiltração sobre o fluxo de água através do sistema amaciador.

A figura 8 é um gráfico que indica o efeito de lavagem e inversãode corrente sobre o fluxo de água através do sistema amaciador.

A figura 9 mostra o efeito de lavagem com ácido sobre o fluxo deágua através do sistema amaciador.

A figura 10 mostra o efeito de tempo sobre o fluxo de permeaçãoe rejeição.

A figura 11 mostra o efeito de tempo sobre o fluxo de permeaçãoe dureza.

A figura 12 mostra o efeito de tempo sobre o fluxo de permeaçãopara uma alimentação de caldeira.

A figura 13 mostra o efeito de tempo sobre o fluxo de permeaçãoe dureza.

A figura 14 mostra o efeito de tempo sobre o fluxo de permeaçãoe rejeição.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE MODALIDADES PREFERIDAS

A descrição abaixo da invenção destina-se a ilustrar diversasmodalidades da invenção. Como tal, as modificações específicas descritasacima não devem ser interpretadas como limitações do objeto da invenção.Fica evidente para alguém versado na técnica que diversos equivalentes,mudanças e modificações podem ser feitos, sem afastar-se do objeto da in-venção, e entende-se que essas modalidades equivalentes devem ser inclu-idas no presente.

Em uma modalidade da presente invenção, são postos à dispo-sição um aparelho e um método para amaciar água, particularmente, apare-lhos e métodos para amaciar água sem a adição de íons à corrente de á-guas servidas. A presente modalidade põe à disposição métodos e sistemaspara prolongar a vida operacional de elementos de filtro de nanofiltração u-sados dentro dos sistemas amaciadores, e também métodos e sistemas pa-ra aperfeiçoar o desempenho dos sistemas amaciadores. Entre esses aper-feiçoamentos estão métodos para inverter periodicamente a corrente de á-gua através do sistema amaciador por nanofiltração, desse modo evitando aformação de películas e incrustação das membranas.

Além disso, a presente modalidade põe à disposição um modode operação de lavagem, no qual cada uma das membranas de nanofiltra-ção é lavada com água potável, para remover o excesso de cálcio e magné-sio dos elementos de nanofiltração. Em determinadas modalidades, essalavagem inclui o uso de um ácido moderado para dissolver quaisquer preci-pitados de cálcio e magnésio, que são depois removidos do sistema e des-carregados na corrente de águas servidas.

A presente modalidade põe à disposição métodos e sistemaspara prolongar a vida operacional de elementos de filtro de nanofiltração,usados dentro dos sistemas amaciadores, e também métodos e sistemaspara aperfeiçoar o desempenho dos sistemas amaciadores. Esses métodose sistemas são particularmente úteis para sistemas de nanofiltração de ele-mentos múltiplos, com pelo menos um, freqüentemente dois, e, mais tipica-mente, três ou mais, elementos de nanofiltração montados em série. Nessessistemas amaciadores por nanofiltração, água potável entre em um primeiroelemento de nanofiltração e é dividida em corrente de água de permeaçãoamaciada e uma corrente de concentrado de água, que contém íons de cál-cio e magnésio retidos.

A corrente de água de permeação amaciada é desviada parauso, enquanto a água de concentrado do primeiro elemento de nanofiltraçãoé fornecida a um segundo elemento de nanofiltração. No segundo elementode nanofiltração, a água de concentrado do primeiro elemento de nanofiltra-ção é novamente dividida em uma corrente de permeação amaciada e umacorrente de concentrado, que contém íons de cálcio e magnésio retidos. Emum sistema de três elementos, o concentrado do segundo elemento de na-nofiltração é fornecido a um terceiro elemento de nanofiltração, onde é no-vamente separado em uma corrente de água de permeação amaciada euma corrente de água de concentrado, que contém íons de cálcio e magné-sio retidos.

Ter múltiplos elementos de nanofiltração é vantajoso, porquepermite uma eficiência mais alta do uso de água, desse modo resultando,tipicamente, em menos água que é descarregada em uma corrente de águasservidas. Cada elemento de nanofiltração subseqüente recebe concentra-ções crescentemente mais altas de cálcio e magnésio. Isso pode resultar emdiversos problemas, mais destacadamente, incrustação das membranascom precipitados de cálcio e magnésio. Desse modo, por exemplo, em umsistema de três elementos, o terceiro elemento pode sofrer uma precipitaçãosignificativa de cálcio sobre a superfície da membrana no elemento de nano-filtração, desse modo, reduzindo dramaticamente a corrente. Em algumascircunstâncias, essas precipitação pode resultar na incrustação da membra-na, a um ponto tal que elas precisam ser substituídas prematuramente.

Um diagrama esquemático generalizado de uma primeira execu-ção da invenção é mostrado na figura 1. O sistema 10, mostrado na figura 1,inclui três elementos de nanofiltração 12, 14, 16, ligados em série. Tal comoobservado acima, sistemas feitos de acordo com a presente invenção po-dem incluir mais ou menos do que três elementos de nanofiltração. Dessemodo, por exemplo, em algumas execuções, o sistema 10 inclui apenas doiselementos de nanofiltração, enquanto em outras execuções o sistema 10inclui quatro, cinco ou mais elementos. Também, determinados aspectos dainvenção, tal como lavar o elemento de nanofiltração com uma solução depH baixo, são apropriados para uso com apenas um elemento de nanofiltração.

O sistema 10 da figura 1 inclui um abastecimento 70 de águade fonte, tal como água de um poço residencial ou de uma fonte municipal. Afigura 1 e figuras subseqüentes foram simplificadas para fins de clareza, pa-ra indicar os principais elementos e disposições desses elementos. Por e-xemplo, o sistema 10 inclui, em geral, numerosas válvulas que permitemmudanças nas direções da corrente. Tipicamente, essas válvulas não sãomostradas nas figuras, mas deduzidas da descrição das correntes de água.

A água do abastecimento 70 tipicamente passa primeiramenteatravés de um ou mais pré-filtros ou passos de tratamento, tal como atravésde um filtro de partículas 60 e um filtro de carvão ativado 62. Esses filtros 60,62, embora, em geral, opcionais, podem aperfeiçoar significativamente avida operacional dos elementos de nanofiltração 12, 14, 16. Depois de pas-sar através dos pré-filtros 60, 62, a água segue ao longo do encanamento 20(tipicamente, um cano ou tubo de plástico ou metal), para entrar no primeiroelemento de nanofiltração 12. A água que entra no elemento de nanofiltra-ção 12 é separada em duas correntes: uma corrente de permeação de águaamaciada e uma corrente de concentrado de água não amaciada, sendo queessa corrente de concentrado tem uma dureza mais alta do que a água queentrou no elemento de nanofiltração 12. A corrente de permeação sai do e-lemento de nanofiltração 12 e é desviada pelo encanamento 30 para umtanque de retenção 40 ou pode ser fornecida diretamente para uso final, talcomo ser instalada diretamente em um abastecimento de água residencial.

A corrente de concentrado sai do elemento de nanofiltração 12 eé desviada pelo encanamento 22 para o segundo elemento de nanofiltração14. A água que entra no segundo elemento de nanofiltração 14 é novamenteseparada tanto em uma corrente de permeação como uma corrente de con-centrado. A corrente de permeação é desviada pelo encanamento 32 para otanque de retenção 40 ou pode ser fornecida diretamente para uso final. Ti-picamente, as correntes de permeação do encanamento 30 e 32 são trata-das de modo similar, sendo fornecidas a um tanque de retenção comum oufornecidos diretamente a um abastecimento de água. A corrente de concen-trado do elemento de nanofiltração 14 sai do elemento 1 por meio do enca-namento 24, que fornece a corrente ao elemento de nanofiltração 16. O ele-mento de nanofiltração recebe essa corrente de concentrado do elemento14, que é mais concentrada do que a corrente de concentrado do elemento12, e fornece a mesma ao elemento de nanofiltração 16. O elemento de na-nofiltração 16 novamente separa a corrente de entrada em duas correntesde saída distintas. A primeira é uma corrente de água de permeação amaci-ada, que sai do elemento 16 por meio do encanamento 34, onde é guiadapra o tanque de retenção 40 ou então usada como água amaciada. A corren-te de concentrado do elemento de nanofiltração 16 é descarregada atravésdo encanamento 26 ao destino de descarga 50, que é, tipicamente, uma li-nha de esgoto sanitário ou outro destino de águas servidas.

A figura 2 mostra um sistema de nanofiltração similar ao mostra-do na figura 1, exceto que o sistema de nanofiltração 10 inclui a capacidadede inverter a corrente através dos elementos de nanofiltração 12, 14, 16, afim de evitar ou reduzir o desenvolvimento de sais que se precipitam sobreos elementos de nanofiltração, especialmente, sais de cálcio e magnésio. Aseta mostra a direção da corrente de água dentro do sistema 10 da figura 2.

O sistema amaciador de água por nanofiltração 10 inclui um encanamentoadicional 25, que possibilita que a corrente de água da fonte 70 suba para oencanamento 26, após o que ela entra no elemento de nanofiltração 16, de-pois, no elemento de nanofiltração 14, e, finalmente, no elemento de nanofil-tração 12, sai do elemento de nanofiltração 12 e é desviada pelo encana-mento 27 de volta para um encanamento de descarga 31, que leva ao desti-no de descarga 50. Os encanamentos 34, 32 e 30 continuam a remover á-gua de permeação amaciada dos elementos de nanofiltração, enquanto osencanamentos 24 e 22 ligam os elementos de nanofiltração.

A vantagem da operação do sistema tal como mostrada na figu-ra 2 é que permite a circulação das correntes de água, de modo que a cor-rente é periodicamente invertida em sua ordem através das membranas. Porum primeiro período de tempo, a água em uma primeira direção, enquantono segundo período de tempo a água corre na direção oposta. Isso evita aformação de concentrações excessivas de íons de cálcio e magnésio namembrana de nanofiltração final, que resulta na precipitação de íons sobre amembrana. Dependendo das características da água de alimentação, algunsprecipitados podem até mesmo ser removidos da membrana de nanofiltra-ção na inversão de corrente.

A figura 3 mostra o mesmo sistema amaciador por nanofiltração,tal como mostrado na figura 2, mas a ordem de corrente através dos ele-mentos de nanofiltração 12, 14, 16 foi invertida, tal como mostrado pelassetas de corrente.

Diversos elementos de filtro de nanofiltração podem ser usadoscom a presente invenção. Os elementos de filtro devem ser apropriados parauso para amaciar água dura a pressões relativamente baixas, enquanto pos-sibilitam índices de corrente e índices de recuperação apropriadamente al-tos. Portanto, nem todos os elementos de nanofiltração oferecem índices derejeição adequados de íons de dureza, corrente de água e índices de recu-peração de água. Elementos de nanofiltração apropriados são descritosmais detalhadamente abaixo.

As dimensões do elemento de nanofiltração são escolhidas, emgeral, com base na aplicação para a qual deve ser usado. Desse modo, ocomprimento, largura e área de superfície do elemento de nanofiltração po-dem todos ser escolhidos para aperfeiçoar a aptidão do aparelho amaciadorpara usos específicos. Elementos de nanofiltração apresentam-se em diver-sas configurações, incluindo membranas enroladas em espiral, fibras ocas etubular. Em geral, o elemento de nanofiltração é uma membrana enroladaem espiral.

O elemento de nanofiltração tem, em geral, uma área de super-fície de maior do que 2,0 metros quadrados, mas menos de 40 metros qua-drados, e, mais tipicamente, de 7 a 40 metros quadrados. Os elementos denanofiltração não devem ser tão compridos que necessitem da produção deuma carcaça grande, que não cabe em uma residência. Em geral, os ele-mentos de nanofiltração são escolhidos de tal modo que o aparelho amacia-dor caiba na área de serviço de uma residência. Elementos apropriados po-dem ter, por exemplo, um comprimento de filtro total de 40 a 125 centíme-tros. Elementos de nanofiltração apropriados para uso com a invenção têm,tipicamente, um diâmetro de 5 a 25 cm.

Membranas de nanofiltração apropriadas para uso com o apare-lho amaciador de água incluem, por exemplo, a Dow Film Tec NF90, que éuma membrana composta de filme de poliamida fino, a Dow Film TecNF270, que é uma membrana composta de filme de poliamida fino, a DowFilm Tec NF200, que é uma composição de filme de poliamida fino, TrisepTS 83, que é uma membrana de filme fino de poliamida aromática, a TrisepTS 80, que é uma poliamida aromática, e a PTI-AFM NP, que é uma compo-sição de filme fino de poliamida, e as Membranas Koch TFC-SR1, umamembrana de poliamida composta de filme fine. A NF 90 demonstrou seruma membrana particularmente útil, com passagem de soluto de cerca de 5a 15 por cento, e um fluxo de 21,4 LMH, com uma dureza total de 15 ppm,íons de cálcio, 3 ppm e magnésio, de 2 ppm.

A tabela 1, abaixo, mostra resultados do uso de seis membranasdiferentes e a análise de água de permeação e de alimentação quanto à du-reza, com água municipal. Todos os testes foram realizados a 482 kpa (70psi), usando uma membrana de folha plana e a temperaturas ambiente.

TABELA 1

<table>table see original document page 13</column></row><table>

Em geral, os elementos de nanofiltração apropriados para usocom a invenção têm um alto índice de rejeição a íons divalentes, junto comuma corrente de água suficiente através dos elementos de nanofiltração apressões relativamente baixas a fim de proporcionar um índice de correntede água e índice de recuperação que sejam suficientemente altos para aten-der as necessidades da maioria dos clientes residenciais. Esses íons diva-Ientes incluem numerosos íons de dureza, tais como cálcio e magnésio. ín-dice de corrente significa o índice de corrente de pico, médio, através do fil-tro. índice de recuperação significa a porcentagem de água de entrada que érecuperada como água amaciada, com relação à quantidade de água queentra no amaciador de água. Embora esses parâmetros específicos são to-dos importantes individualmente, sendo que a combinação desses parâme-tros é particularmente importante, a fim de obter um amaciador de água queseja apropriado para uso em residências e pequenos negócios.

O elemento de nanofiltração tem, tipicamente, um tamanho deporo médio que permite a passagem de água e íons monovalentes, massubstancialmente rejeita a passagem de íons divalentes, particularmente,íons divalentes associados à dureza da água. Embora diversos íons possamser usados para medir o índice de rejeição, um íon apropriado para fazeressas determinações é o íon de cálcio. Elementos de filtro de nanofiltraçãotípicos, úteis com a presente invenção, normalmente impedem mais de 80por cento dos íons de cálcio de passar através do elemento de filtro sobcondições operacionais. Elementos de filtro mais apropriados impedem maisde 85 por cento do íons de cálcio de passar através do filtro sob condiçõesoperacionais. Elementos de filtro ainda mais apropriados têm um índice derejeição de mais de 90 por cento de íons de cálcio. Os elementos de nanofil-tração precisam ter um fluxo de permeação suficiente de água. Por exemplo,em determinadas modalidades, o fluxo de água deionizada através dos ele-mentos de nanofiltração é de em torno de 30 litros por metro quadrado demembrana de filtro por hora (Imh) a 206-413 Kpa (30-60 psi).

Elementos de nanofiltração apropriados têm, tipicamente, umdiâmetro de eliminação de filtração de peso molecular de 20 a 500, aindamais usualmente, 100 a 400, e o mais usualmente, 200 a 300. Tal como u-sado no presente, eliminação de filtração (expressa em peso molecular) se-gue a convenção usada em medições de filtração, e refere-se a um âmbitode pesos moleculares de materiais, que são excluídos a índices altos. Mas,em geral, pequenas quantidades de material passam através dessas mem-branas que têm pesos moleculares dentro do âmbito de eliminação. Alémdisso, podem ocorrer índices relativamente altos de exclusão de moléculasfora do âmbito de eliminação, mas, em geral, essa exclusão é a um índicemais baixo dentro do âmbito de eliminação. Pelo uso de um filtro com umaeliminação de peso molecular alto, é possível aumentar a corrente de água.

Desse modo, ocorre a exclusão suficiente de íons de cálcio e passagem deágua adequada, com um elemento de filtração com um âmbito de eliminaçãode peso molecular de 200 a 300.

O aparelho está vantajosamente construído de tal modo que elenão aumenta, substancialmente, os níveis totais de sal com relação à cor-rente de introdução de água. Desse modo, o aparelho amaciador não adi-ciona íons à corrente de água, mas, em vez disso, remove pelo menos al-guns dos íons da corrente de introdução e descarrega os mesmos na corren-te de saída de não permeação. Diversos elementos de filtro de nanofiltraçãodiferentes são apropriados para uso com a invenção, incluindo elementos defiltro que contêm uma membrana carregada positivamente, porque essasmembranas, em geral, repelem os íons de dureza divalentes, positivos, elimitam a passagem dos mesmos através da membrana.

O amaciador de água da presente invenção está configurado,em geral, para proporcionar um amaciamento de água de alta qualidade napequena escala necessária para aplicações residenciais (e similares). Nor-malmente, o amaciador de água proporciona uma corrente de água suficien-te, de modo que não é necessário ter um reservatório ou tanque de pressãocontendo água amaciada e armazenada. Portanto, o amaciador de águanormalmente proporciona amaciamento de água instantâneo, adequado,para atender as necessidades de uma residência típica. Evitar o uso de tan-ques de armazenamento é vantajoso para os consumidores, porque diminuia probabilidade de contaminação no tanque de armazenamento por microor-ganismos. Além disso, evitar o uso de um tanque de retenção reduz o tama-nho e o custo do dispositivo amaciador de água. Porém, em algumas aplica-ções, é usado um recipiente para reter pelo menos alguma água amaciada,para atender picos de demanda de água.

Diversos pré-filtros também são apropriados para uso com a in-venção, a fim de aperfeiçoar o desempenho e a longevidade do elemento denanofiltração. Por exemplo, um pré-filtro pode ser usado para remover mate-rial suspenso grande, que, de outro modo, iria obstruir o elemento de filtro denanofiltração. Outros pré-filtros apropriados para uso com a invenção sãopré-filtros de ferro, para remover ferro da fonte de água introduzida, pré-filtros de sedimentos, para remover sedimentos da fonte de água introduzi-da, pré-filtros de cloro, para remover cloro da fonte de água introduzido, epré-filtros biológicos, para remover bactérias, protozoários e outros microor-ganismos.

Além de usar pré-filtros, a água pode ser tratada previamente,para aperfeiçoar o desempenho, quer aquecendo a água suficientementepara aperfeiçoar os índices de corrente, sem causar a formação de película,quer por tratamento prévio magnético da água introduzida, para inibir a for-mação de película. Outros passos de tratamento prévio, tal como tratamentoprévio químico, são apropriados para uso com modalidades da invenção.

Em geral, a água amaciada na presente invenção é água potá-vel, tal como a que é fornecida por uma fonte subterrânea. Por exemplo, aágua pode ser de um poço residencial particular, de um abastecimento deágua municipal (que tipicamente contém água subterrânea), ou outra fonte.Embora a água abastecida normalmente seja potável, é possível usar águanão potável em modalidades específicas, prevendo pré-filtros que removemagentes de contaminação (tal como Cryptosporídium).

O amaciador de água da invenção normalmente está dimensio-nado de tal como que pode ser instalado em um espaço igual a ou menorque o espaço exigido para um amaciador de água de troca de íons. Issopermite que o dispositivo amaciador seja usado como substituto para arnaci-adores existentes. Em determinadas modalidades, o amaciador da invençãoestá construído de tal como que ele é significativamente menor do que ama-ciadores de troca de íons de capacidade amaciadora similar. Essas econô-mias em tamanho são possíveis, uma vez que não é necessário ter um meiode troca de íons ou um tanque de recarga.

Tal como descrito acima, amaciadores de água da presente in-venção estão tipicamente construídos e dispostos de modo que possam seroperados a pressões relativamente baixas, em geral, abaixo de 1723 Kpamanométricos (250 psig). Essa pressão baixa evita o uso de equipamento depressurização dispendioso. Modalidades específicas da invenção prevêemum aparelho configurado e disposto para ter uma corrente de saída de águade permeação de 757 L (200 galões) ou mais por período de 24 horas. Emgeral, o aparelho pode ter um índice de corrente de saída de pico de águade permeação, que é de menos de 37,8L/min (10 galões) por minuto mesmoque geralmente a taxa do pico de corrente de saída de água de permeaçãoseja de 19 a 37 L7min(5 a 10 galões min). O aparelho amaciador também é,em geral, altamente eficiente, e capaz de produzir uma corrente de saída deágua de permeação que contém mais de 80 por cento da corrente introduzi-da. Em determinadas modalidades, a corrente de saída de água de permea-ção contém mais de 90 por cento da corrente introduzida. A corrente de saí-da de água de permeação pode ter, em geral, por exemplo, uma dureza a-baixo de 25,6 mg/L (1,5 grãos por galão).

Em determinadas modalidades, a função do elemento de mem-brana é aperfeiçoada por inversão da corrente entre os elementos de mem-brana e lavagem do concentrado pela alimentação, resultando em desem-penho aperfeiçoado e ação de incrustação reduzida, desse modo ajudando amanter um fluxo constante.

Modalidades da invenção também estão voltadas para a regene-ração dos elementos amaciadores de nanofiltração, por lavagem das mem-branas com uma solução ácida para dissolver precipitados de cálcio e mag-nésio. A lavagem com ácido é realizada, tipicamente, enquanto o sistema denanofiltração não está funcionando para amaciar água para uso final, e, por-tanto, é desejável programar qualquer função de lavagem com ácido parahoras quando o uso de água é baixo, tal como tarde da noite. Também, emgeral, os elementos de nanofiltração a ser lavados são facilmente isoladosdo restante do sistema de água, de modo que o ácido pode ser guiado atra-vés dos elementos de nanofiltração em um circuito fechado, que não forneceágua ácida ao usuário final. Em vez disso, depois de passar o ácido atravésdos elementos de nanofiltração, a água ácida pode ser descarregada atra-vés de uma linha de águas servidas, tipicamente, a mesma linha que leva oconcentrado do elemento de nanofiltração final.

Os ácidos usados para regenerar o elemento de nanofiltraçãosão, desejavelmente, aprovados pela Food and Drug Administration (FDA)para consumo humano e são da classificação de alimentos. Ácidos apropri-ados incluem, por exemplo, ácido acético, ácido muriático e ácido láctico, ecombinações dos mesmos. Outros ácidos apropriados incluem ácido fosfóri-co, ácido cítrico, ácido nítrico, ácido sulfúrico etc. Misturas desejáveis inclu-em, por exemplo, de 2 a 3 por cento de ácido acético, de 3 a 5 por cento deácido muriático e de 0,05 a 0,1 por cento de ácido láctico.

Níveis de pH apropriados incluem, por exemplo, um pH de 2 a2,5. Níveis de pH aceitáveis estão, freqüentemente, abaixo de 5,0, podemestar abaixo de 4,0, e estão abaixo de 3,0 em algumas modalidades. A solu-ção de ácido pode ser mais eficiente a temperaturas elevadas e, portanto, osistema também pode incluir um aquecedor para aquecer a solução de áci-do, antes de guiar a mesma através dos elementos de nanofiltração. Tempe-raturas apropriadas para a lavagem com ácido são, por exemplo, acima de25°C, acima de 30°C, acima de 40°C e abaixo de 50°C. Similarmente, po-dem ser usados âmbitos de temperatura de 25 a 45°C, assim como também,temperaturas de 30°C a 40°C, e temperaturas de 40 a 45°C.

A figura 6 mostra o efeito do uso de uma lavagem com ácidoatravés das membranas de nanofiltração, para obter um fluxo aumentadodos elementos de nanofiltração. Os testes mostrados nas figuras 9, 10 e 11foram realizados usando uma membrana Dow Film Tec NF90-4040, comuma área de membrana de, aproximadamente, 22,3 metros quadrados. A-gua de alimentação municipal de Savage, Minnesota, foi processada a umapressão de 324 kpa (47 psi) e a uma temperatura de 18 graus Celsius.Amembrana tinha um fluxo de água D.l. de 8,5 LVmin (2,25 galões por minuto),mas, após o uso por um período de 160 horas, no qual 53942 litros(14.250galões) de água foram amaciados, a membrana tinha incrustações a umponto tal que seu fluxo diminuiu para aproximadamente 2,83 LVmin (0,75 ga-lões) por minuto. Por lavagem da membrana incrustada com 37,8 L (10 ga-lões) de água que continha 3-5 por cento de solução de ácido muriático porum período de 30-45 minutos, o fluxo foi aumentado para 4,73 L/min (1,25galões) por minuto. Por lavagem da membrana incrustada com 37,8 L (10galões) de uma solução de ácido muriático de 3-5 por cento, junto com 0,05-0,1% de ácido láctico, por um período de 30-45 minutos, o fluxo de água D.l.foi aumentado para 8,3 Umin (2,2 galões) por minuto. A figura 10 mostra oefeito do tempo sobre fluxo de permeação e rejeição, demonstrando quemesmo com uma diminuição de fluxo ao longo do tempo, a rejeição perma-nece acima de 95%, e a figura 11 mostra o efeito do tempo sobre fluxo depermeação e dureza, demonstrando que, mesmo com uma diminuição defluxo ao longo do tempo, a dureza de permeação total permanece abaixo decerca de 15 ppm. Tanto a figura 10 como a figura 11 demonstram que moda-lidades da presente invenção são particularmente apropriadas para ampliaraplicações de amaciamento.

Em algumas modalidades, as membranas de nanofiltração sãolavadas a cada 100 horas, por um período de 5 minutos, com uma soluçãoácida com um pH de 4 a 4,5, a uma temperatura de pelo menos 30QC. Emoutras implementações as membranas de nanofiltração são lavadas a cada100 horas, pelo período de 5 minutos com uma solução ácida tendo pH 3 a3,5 à uma temperatura de pelo menos 25°C. Em ainda outras modalidades,as membranas de nanofiltração são lavadas a cada 100 horas, por um perí-odo de 5 minutos, com uma solução ácida com um pH de 2 a 2,5, a umatemperatura de pelo menos 20°C.

Em outra modalidade da presente invenção, são postos à dispo-sição um método e um aparelho para remover dureza de água de alimenta-ção de caldeira, para o uso eficiente de longo prazo da caldeiras. Minimizan-do a dureza da água de alimentação de caldeira, a vida da caldeira pode serprolongada e os custos de energia e custos de tratamento químico para ope-rar a caldeira podem ser reduzidos. A presente modalidade emprega o usode qualquer uma ou a combinação das modalidades precedentes para o tra-tamento da água de alimentação de caldeira. Além disso, antes da nanofil-tração, tal como descrita acima, a água de alimentação de caldeira pode sertratada previamente usando filtros de carbono ou outros, ou outros métodosde tratamento conhecidos na técnica, dependendo da constituição da águade alimentação de caldeira introduzida. Com referência à figura 12, é mos-trado o efeito do tempo sobre fluxo de permeação. Tal como pode ser vistona figura 12, após uso prolongado, mais de 800 horas de operação sem in-terrupção, o fluxo diminuiu em 33%. Por tratamento com um ácido mineralou similar, o fluxo original pode ser restaurado. Com referência à figura 13, émostrado o efeito de tempo sobre o fluxo de permeação e dureza. Tal comopode ser visto na figura 13, após uso prolongado, mais de 800 horas de ope-ração sem interrupção, a dureza permanece abaixo de 8 ppm, indicando aaplicabilidade do presente método e aparelho para aplicações de água dealimentação de caldeira. Com referência à figura 14, é mostrado o efeito detempo sobre o fluxo de permeação e rejeição. Tal como pode ser visto nafigura 14, após uso prolongado, mais de 800 horas de operação sem inter-rupção, a rejeição permanece acima de 95 por cento, novamente indicandoa aplicabilidade do presente método e aparelho para aplicações de água dealimentação de caldeira.

Outras modalidades da invenção ficam evidentes para os quesão versados na técnica, do estudo da descrição e da prática da invençãodescrita no presente. Pretende-se que a descrição seja considerada apenascomo exemplo, sendo que o alcance completo e o espírito da invenção estãoindicados pelas reivindicações abaixo.

Embora na descrição precedente esta invenção tenha sido descri-ta em relação a determinadas modalidades preferidas da mesma, e muitosdetalhes tenham sido apresentados para fins de ilustração, fica evidente paraos que são versados na técnica que a invenção é suscetível de modalidadesadicionais e que determinados detalhes descritos no presente podem ser vari-ados consideravelmente, sem afastar-se dos princípios básicos da invenção.

Claims (25)

1. Método para amaciar água, sendo que o método compreende:(i) prover pelo menos um primeiro elemento de nanofiltração;(ii) prover pelo menos um segundo elemento de nanofiltraçãoconfigurado, sendo que o referido segundo elemento de nanofiltração estáem série com o primeiro elemento de nanofiltração;(iii) prover uma fonte de água potável;(iv) passar a água potávela) primeiramente, através do primeiro elemento de nanofiltração,por um primeiro período de tempo, para gerar uma primeira corrente depermeação de água amaciada, com uma dureza mais baixa do que a fontede água potável e uma primeira corrente de concentrado de água, com umadureza mais alta do que a fonte de água potável; eb) subseqüentemente, passar a primeira corrente de concentra-do através do segundo elemento de nanofiltração, para gerar uma segundacorrente de permeação de água amaciada, com uma dureza mais baixa doque a fonte de água potável, e uma segunda corrente de concentrado deágua, com uma dureza mais alta do que a fonte de água potável;(v) inverter a corrente da água potável, de modo que a água po-tável da fonte de água potável passa:a) primeiramente, através do segundo elemento de nanofiltra-ção, por um segundo período de tempo, para gerar uma corrente de perme-ação de água amaciada, com uma dureza mais baixa do que a fonte de á-gua potável, e uma corrente de concentrado de água, com uma dureza maisalta do que a fonte de água potável; eb) subseqüentemente, passar a corrente de concentrado atravésdo primeiro elemento de nanofiltração, para gerar uma corrente de permea-ção de água amaciada, com uma dureza mais baixa do que a fonte de águapotável; e repetir os passos (iv) e (v).

2. Método para amaciar água de acordo com a reivindicação 1,sendo que o primeiro elemento de nanofiltração está configurado para rejei-tar pelo menos 80 por cento de íons de cálcio.

3. Método para amaciar água de acordo com a reivindicação 1,sendo que o primeiro elemento de nanofiltração está configurado para rejei-tar pelo menos 80 por cento de íons de cálcio.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, que compreende,ainda, um terceiro elemento de nanofiltração intermediário entre o primeiro eo segundo elemento de nanofiltração.

5. Método de acordo com a reivindicação 1, sendo que o primei-ro período é de menos de 2 horas de duração.

6. Método de acordo com a reivindicação 1, sendo que o primei-ro período é de menos de 1 hora de duração.

7. Método de acordo com a reivindicação 1, sendo que o primei-ro período é de menos de 30 minutos de duração.

8. Método de acordo com a reivindicação 1, sendo que o primei-ro período é de pelo menos 10 minutos de duração.

9. Método de acordo com a reivindicação 1, sendo que o segun-do período é de menos de 2 horas de duração.

10. Método de acordo com a reivindicação 1, sendo que o se-gundo período é de menos de 1 hora de duração.

11. Método de acordo com a reivindicação 1, sendo que o se-gundo período é de menos de 30 minutos de duração.

12. Método de acordo com a reivindicação 1, sendo que o se-gundo período é de pelo menos 10 minutos de duração.

13. Método de acordo com a reivindicação 1, que compreende,ainda, lavar os elementos de filtro de nanofiltração por um período de pelomenos 30 segundos.

14. Método de acordo com a reivindicação 1, que compreende,ainda, lavar os elementos de filtro de nanofiltração por um período de menosde 5 minutos.

15. Método de acordo com a reivindicação 1, que compreende,ainda, lavar os elementos de filtro de nanofiltração por um período de tempode menos de 10 por cento do período de amaciamento.

16. Método de acordo com a reivindicação 1, que compreende,ainda, lavar os elementos de filtro de nanofiltração por um período de tempode menos de 5 por cento do período de amaciamento.

17. Método de acordo com a reivindicação 1, que compreende,ainda, lavar o sistema com uma composição de ácido.

18. Método de acordo com a reivindicação 1, sendo que o ácidoé escolhido do grupo que consiste em ácido muriático, ácido acético, ácidoláctico e combinações dos mesmos.

19. Método de acordo com a reivindicação 1, sendo que o ácidoé escolhido do grupo que consiste em ácido fosfórico, ácido sulfúrico, ácidocítrico e combinações dos mesmos.

20. Método para amaciar água, sendo que o método compreen-de:(i) prover pelo menos um primeiro elemento de nanofiltração,configurado para rejeitar pelo menos 80 por cento de íons de cálcio;(ii) prover pelo menos um segundo elemento de nanofiltração,configurado para rejeitar pelo menos 80 por cento de íons de cálcio, sendoque o referido segundo elemento de nanofiltração está em série com o pri-meiro elemento de nanofiltração;(iii) prover uma fonte de água potável;(iv) passar a água potável através do primeiro elemento de na-nofiltração e, depois, para dentro do segundo elemento de nanofiltração, porum primeiro período de tempo;(v) inverter a corrente da água potável, de modo que ela passaatravés do segundo elemento de nanofiltração e, depois, para dentro do pri-meiro elemento de nanofiltração, por um segundo período de tempo, sendoque o segundo período de tempo é mais curto do que o primeiro período detempo;repetir as etapas (iv) e (v) durante a execução do método.

21. Método de acordo com a reivindicação 20, que compreende,ainda, um terceiro elemento de filtração, sendo que o referido terceiro ele-mento de filtração está posicionado intermediariamente entre o primeiro e osegundo elementos, de modo que a corrente entre o referido primeiro e oreferido segundo elementos passa através do terceiro elemento.

22. Método de acordo com a reivindicação 20, sendo que o pri-meiro período de tempo é de 20 a 30 minutos e o segundo período de tempoé de 20 a 30 minutos.

23. Método de acordo com a reivindicação 20, que compreende,ainda, a adição de ácido.

24. Método para amaciar água de acordo com a reivindicação 20, sendo que a corrente introduzida é fornecida a uma pressão de G9 a 1379 Kpa (10 a 200 libras por polegada quadrada).

25. Método para amaciar água de acordo com a reivindicação 20, sendo que a corrente introduzida é fornecida a uma pressão de 172 a 344 Kpa (25 a 50 libras por polegada quadrada).